摘 要：隨著CFD模擬技術的不斷成熟與發(fā)展，其在“工程流體力學泵與風機”實驗課程教學中的應用逐漸受到關注。本文通過揭示傳統(tǒng)教學程序的不足，搭建了基于虛擬仿真技術現(xiàn)代化背景的教學模式。從CFD模擬技術的相關理論出發(fā)，再到工程實例的列舉演示，最后形成完整系統(tǒng)的實驗設計，通過CFD模擬技術在實際工程中的應用，直觀呈現(xiàn)了流體運動規(guī)律和現(xiàn)象，提高了實驗結果的準確性和可靠性。CFD模擬技術在“工程流體力學泵與風機”實驗課程教學中具有至關重要的作用，并為未來該技術在流體力學教學中的應用提供了有益參考。

關鍵詞：CFD模擬技術；流體力學；泵與風機；實驗教學

中圖分類號：G642.0" 文獻標識碼：A

“工程流體力學泵與風機”作為高校中能源動力、土木工程、石油化工、航空航天等專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎課，理論知識抽象復雜，概念原理晦澀難懂；而“計算流體力學”則被更加廣泛地列入了農(nóng)業(yè)工程、水利工程、環(huán)境工程、生物醫(yī)學工程等學科的研究生課程中，因此作為各專業(yè)最重要的專業(yè)基礎課之一，“流體力學”是一門不可忽視的重要課程。在“流體力學”實驗課程教學中，傳統(tǒng)的教學方法往往以理論知識的講授和實驗操作的演示為主。這種方法雖然能夠為學生提供一定的理論與實踐基礎，但由于受到實驗條件、設備以及時間的限制，其效果并不盡如人意。隨著近年來科技飛速發(fā)展、高新技術的不斷涌現(xiàn)，高校實驗教學也需要注入新穎獨創(chuàng)的精神去推進高等教育現(xiàn)代化的腳步，培養(yǎng)具有舉一反三、觸類旁通、創(chuàng)造力豐富的新時代創(chuàng)新人才［12］。

CFD（計算流體力學）模擬技術起源于20世紀60年代，是隨著計算機技術的迅速發(fā)展而興起的一門學科。它通過數(shù)值方法求解流體動力學方程組，以模擬和分析流體運動規(guī)律，從而實現(xiàn)對流體現(xiàn)象的深入理解和預測。CFD模擬技術在實驗教學方面展現(xiàn)出了顯著優(yōu)勢，在傳統(tǒng)的“工程流體力學泵與風機”實驗課程中，學生通常只能通過實驗設備觀察流體流動的宏觀現(xiàn)象，難以深入探究其內(nèi)在機理。而引入CFD模擬技術后，學生可以在計算機上模擬各種復雜的流體流動場景，直觀地觀察并分析流體的微觀行為。這種教學方式不僅增強了實驗的趣味性和互動性，還大大提高了學生的實踐能力和創(chuàng)新能力［3］。同時，CFD模擬技術的引入也為“工程流體力學泵與風機”課程的教學改革提供了新的思路，通過結合CFD模擬技術與傳統(tǒng)的實驗教學手段，教師可以設計出更加豐富多樣的教學內(nèi)容和教學方法，從而更好地激發(fā)學生的學習興趣和主動性。因此，本文將CFD模擬技術引入該實驗課程教學中，是一種富有成效的教學改革嘗試，值得進一步推廣和實踐。

1 CFD模擬技術的相關理論

CFD模擬技術的基本原理在于通過數(shù)值方法求解流體運動的基本方程，這些方程包括連續(xù)性方程、動量守恒方程以及能量守恒方程，這些方程精確描述了流體在時間和空間上的動態(tài)行為。借助先進的計算機技術，通過方程的求解，從而得到流體在各個位置和時間的速度、壓力和溫度等關鍵物理量的分布情況。CFD模擬技術的精確性在很大程度上依賴于所使用的數(shù)值方法和計算網(wǎng)格的精細度。例如，在模擬固體/液體懸浮液中的流體流動時，需要使用高網(wǎng)格分辨率和先進的湍流模型，以確保模擬結果的準確性和可靠性。這也反映了CFD模擬技術的復雜性和專業(yè)性，要求使用者需要具備扎實的理論基礎和計算能力。

在CFD模擬技術中，數(shù)值模擬方法與算法占據(jù)著核心地位。這些方法不僅決定了模擬的精度和效率，還直接影響到模擬結果的可靠性和實用性。常用的數(shù)值模擬方法主要包括有限體積法（Finite Volume Method，F(xiàn)VM）、有限差分法（Finite Difference Method，F(xiàn)DM）和有限元法（Finite Element Method，F(xiàn)EM）。然而，流體動力學的基本方程在CFD模擬技術中發(fā)揮著至關重要的作用，它們不僅為CFD模擬技術提供了堅實的理論基礎，還使得我們能夠更加深入地理解和分析流體流動現(xiàn)象。通過求解這些方程，CFD模擬技術能夠準確地模擬出流體在各種復雜環(huán)境下的流動狀態(tài)，為工程實踐提供有力的支持。

在實際應用中，CFD模擬技術已被廣泛用于航空航天、汽車工程、能源與環(huán)境等領域。例如，在航空航天領域，CFD模擬技術可用于研究飛機機翼附近的流場特性，以優(yōu)化機翼設計并提高飛行性能。在汽車工程領域，CFD模擬技術則可用于分析汽車車身周圍的空氣流動情況，以降低風阻并提高燃油經(jīng)濟性。這些應用實例充分展示了流體動力學基礎在CFD模擬技術中的重要性和實用價值。

2 CFD模擬技術在“工程流體力學泵與風機”實驗教學中的應用

2.1 CFD模擬技術在實驗教學中的引入

在“工程流體力學泵與風機”的實驗教學中，我們不可否認的是，實驗環(huán)節(jié)對于學生理解和掌握課程知識至關重要。然而，在實際的教學過程中，我們面臨著諸多挑戰(zhàn)，實驗設備臺套數(shù)的不足、傳統(tǒng)講授演示實驗教學方法的局限性、實驗過程中存在的安全風險等，這些問題都迫使我們急需尋找一種新的教學方法來改進“工程流體力學泵與風機”的實驗教學［4］。而CFD模擬技術的引入，便為我們提供了一個可行的解決方案。在“工程流體力學泵與風機”實驗教學中，引入CFD模擬技術是一項富有創(chuàng)新性和實用性的舉措，我們可以在計算機上模擬出流體在泵與風機等設備中的流動情況，通過色彩豐富的流線圖、速度云圖等直觀表達，學生可以更加清晰地觀察到流體流動的細節(jié)和變化規(guī)律，從而更深入地理解實驗原理，提升對流體動力學的認知層次。這不僅可以解決實驗設備不足的問題，還能幫助學生更深入地理解流體流動的原理，提升他們的學習效果。同時，CFD模擬技術還能減輕教師的教學負擔，提高實驗教學的效率和質(zhì)量。隨著這一技術的不斷發(fā)展和完善，我們有理由相信，它將在未來的工程教育領域發(fā)揮更加重要的作用。

2.2 CFD模擬技術的應用案例

2.2.1 泵的性能模擬與分析

泵作為流體力學課程重要的工程實例設備之一，在大部分生產(chǎn)、生活、科研領域都有著廣泛的應用，而CFD模擬技術就可以應用于泵的性能分析中，通過選取某型號離心泵作為具體研究對象，旨在展示CFD模擬技術在模擬和分析復雜流體設備性能方面的強大能力。當泵的葉輪轉動來輸送流體時，內(nèi)部流動極為復雜，表現(xiàn)出高速量級、轉置流動方向和湍流強度。因此，闡明泵的流體動力學特性，特別是瞬態(tài)特性曲線是很困難的研究，如何調(diào)整流動條件或表面改性對于減輕泵的壁蝕和節(jié)能至關重要。然而，CFD數(shù)值模擬技術被廣泛應用于流體在泵中的輸運研究中，揭示了輸運系統(tǒng)中復雜的流體動力學和顆粒運動學，近期尤其在紊流模型方面取得了進展。CFD模擬技術還可以用于預測離心泵在不同工況下的性能表現(xiàn)。通過改變?nèi)肟诹髁?、轉速等參數(shù)，我們可以模擬出離心泵在不同工況下的內(nèi)部流動情況，并預測其性能曲線，這對于離心泵的選型和使用具有重要的指導意義。

CFD在模擬復雜現(xiàn)象方面得到了廣泛的應用，龐大的泵機系統(tǒng)及其眾多分支領域都是CFD的重點研究對象，由于在這些機械內(nèi)發(fā)生了復雜的物理現(xiàn)象，CFD發(fā)展到現(xiàn)在也使用了各種方法去解決這些問題，結果的精度更高，也最具有挑戰(zhàn)性。然而，目前還不能采用一種單一的方法來對這些應用進行CFD模擬，這主要是由于各種機器的內(nèi)在差異，內(nèi)在物理現(xiàn)象就是對CFD模擬的一個挑戰(zhàn)。高速旋轉的泵的空化現(xiàn)象會導致氣相的形成，蒸汽的形成不僅大大降低了容積效率，而且還造成了部件的磨損，導致機器的工作壽命縮短，這對泵的正常運行是非常不利的，而對這一物理現(xiàn)象的CFD模擬則改進了工業(yè)泵的發(fā)展。

總的來說，通過選取離心泵內(nèi)部流場模擬作為工程案例，我們成功地展示了CFD技術與工程實踐的結合。這一技術不僅可以幫助我們深入了解離心泵的內(nèi)部流動規(guī)律和性能特點，還可以為泵的優(yōu)化設計和性能改進提供有力的支持。同時，這也為“工程流體力學泵與風機”課程的教學提供了生動的實例和有力的輔助手段。

2.2.2 風機的流場模擬與優(yōu)化

風機也是“流體力學”課程涉及的一個重要工業(yè)機械，應用于諸多領域，如工業(yè)領域的冷卻散熱、物料輸送；建筑領域的通風系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)；農(nóng)業(yè)領域的作物干燥、溫室通風；交通領域的車輛船舶、隧道通風；以及消防排煙等眾多應用實例。CFD模擬技術通過數(shù)值模擬，可以在產(chǎn)品設計階段對風機進行性能預測和優(yōu)化，從而減少昂貴的實體實驗次數(shù)，節(jié)省時間和成本。例如，在地鐵軸流風機的設計中，CFD模擬技術可以模擬不同轉速和安裝角度下的風機性能，幫助設計師優(yōu)化設計方案。地鐵軸流風機因流量大、壓頭高和功率大等特點，試驗成為設計檢驗的一般途徑，但成本高昂。采用CFD模擬技術，可以對地鐵軸流風機在不同轉速和安裝角度進行模擬，通過模擬結果指導設計方案，并與廠家試驗數(shù)據(jù)進行對比，優(yōu)化風機設計，提高設計效率和經(jīng)濟效益。

CFD模擬技術不僅可以應用于傳統(tǒng)風機的設計，還能在風力發(fā)電、航空航天等復雜環(huán)境中進行高精度的流場分析。隨著技術進步，CFD模擬技術在生物醫(yī)學、納米技術等新興領域的應用前景也逐步展開，對風機模擬的精度和復雜度要求不斷提高。在航空航天界，CFD模擬技術最早是在20世紀70年代因模擬跨聲速流動而引起人們的注意。20世紀80年代中期，CFD模擬技術在航空航天領域的應用再次引起人們的關注，因為它模擬了包括再入飛行器在內(nèi)的航天運輸系統(tǒng)發(fā)展中的高超聲速流動。在航空航天領域，CFD模擬技術幫助工程師預測飛行器在各種飛行條件下的氣動性能，優(yōu)化飛行器設計。

CFD在“工程流體力學泵與風機”實驗教學改革中的應用，不僅提升了實驗教學的質(zhì)量和效率，還拓展了風機模擬的應用范圍和深度。通過CFD模擬技術，學生可以更加深入地理解風機的工作原理和性能優(yōu)化方法，提高實際應用能力和解決問題的能力。隨著技術的進步和跨學科應用的擴大，CFD模擬技術在風機模擬中的應用前景將更加廣闊，對風機設計、風力發(fā)電、航空航天等領域的發(fā)展起到重要推動作用。

2.2.3 實驗設計與實施

2.2.3.1 理論教學與實驗教學相結合

在理論課堂上，教師詳細闡釋流體動力學的核心概念以及CFD模擬技術的基本原理，為學生構建堅實的知識基礎。隨后，在實驗環(huán)節(jié)中，學生將運用所學的理論知識，通過CFD模擬軟件對泵與風機的性能進行模擬和分析。這種教學模式不僅加深了學生對理論知識的理解，還培養(yǎng)了他們將理論知識應用于實踐的能力。

2.2.3.2 分組實驗與自主學習相結合

在這種模式下，學生被分成若干小組，每組都配備有計算機和相應的CFD模擬軟件。實驗過程中，學生需要在小組內(nèi)展開討論，共同解決實驗中遇到的問題，并完成實驗任務。這種教學方式有助于培養(yǎng)學生的團隊協(xié)作能力和自主學習能力，同時也使得教師能夠更有效地進行個別指導和答疑。

2.2.3.3 實驗值與模擬值對比分析相結合

在實驗結束后，學生需要將CFD模擬結果與實驗結果進行對比，分析二者之間的差異及其產(chǎn)生的原因。這一過程不僅有助于驗證CFD模擬技術的準確性和可靠性，還能幫助學生更深入地理解實驗原理和方法，從而提升他們的實驗技能和科學素養(yǎng)。

結語

在對CFD模擬技術在“工程流體力學泵與風機”課程中的應用進行深入探討后，不難發(fā)現(xiàn)其蘊含的巨大推廣價值。這種價值不僅體現(xiàn)在對“流體力學”課程教學方法的革新，更體現(xiàn)在對學生能力培養(yǎng)的實質(zhì)性提升。通過引入這一技術，不僅能夠豐富教學方法和手段，提高教學效果和質(zhì)量，還能夠為學生的全面發(fā)展提供有力支持。CFD模擬技術的引入為傳統(tǒng)的“工程流體力學泵與風機”教學注入了新的活力，其強大的模擬功能使得復雜的流體現(xiàn)象得以直觀展現(xiàn)，從而大幅提高了學生對抽象概念的理解程度。此外，CFD模擬技術的互動性也極大地激發(fā)了學生的學習熱情，使他們在主動探索與實踐中深化對流體力學原理的掌握。更為重要的是，CFD模擬技術不僅在教學層面發(fā)揮了積極作用，更在培養(yǎng)學生的創(chuàng)新與實踐能力方面展現(xiàn)了顯著效果。通過引導學生參與模擬實驗的設計與操作，本研究發(fā)現(xiàn)學生在解決實際問題、分析復雜現(xiàn)象以及創(chuàng)新思維方面均取得了顯著提升。因此，有必要在更廣泛的范圍內(nèi)推廣和應用這一技術，以推動“流體力學”課程教學的持續(xù)改進和學生培養(yǎng)質(zhì)量的全面提升。

參考文獻：

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［4］王燕，鄭健.新工科背景下流體力學課程項目式教學與考核評價體系研究［J］.高教學刊，2021，7（28）：912.

基金項目：2024年哈爾濱商業(yè)大學教育教學改革研究項目“新工科背景下《工程流體力學泵與風機》實驗教材架構及創(chuàng)新模式探索與實踐”（HSDJY202457）；2023年黑龍江省高等教育教學高等教育研究課題“‘中國式高等教育現(xiàn)代化’龍江探索背景下的流體力學實驗教學改革與實踐”（23GJYBJ043）；2024年產(chǎn)學合作協(xié)同育人項目“基于虛擬VR技術《工程流體力學泵與風機》實驗教學改革體系改革項目”（2410230615）

作者簡介：李立（1989— ），女，漢族，黑龍江哈爾濱人，博士研究生，講師，研究方向：低溫制冷新技術。