環(huán)境工程專業(yè)CFD課程教學(xué)的應(yīng)用初探

鄧保慶 上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院 200093

引言

環(huán)境工程專業(yè)是一個(gè)多學(xué)科交叉的專業(yè)。在環(huán)境工程領(lǐng)域，存在大量復(fù)雜的環(huán)境過程，如城市大氣污染物擴(kuò)散和光化學(xué)反應(yīng)、河流和地下水中的污染物遷移以及室內(nèi)顆粒物和有機(jī)物擴(kuò)散等。在工程實(shí)踐中，也發(fā)展了許多環(huán)境設(shè)備用于去除污染物，如旋風(fēng)除塵器、電除塵器、布袋除塵器、光催化反應(yīng)器、生物反應(yīng)器、氣浮反應(yīng)器等。這些環(huán)境過程和設(shè)備都涉及復(fù)雜的流動(dòng)和傳質(zhì)。簡(jiǎn)單的研究和設(shè)計(jì)方法不足以很好地對(duì)其進(jìn)行描述，也就不能產(chǎn)生最優(yōu)化的設(shè)計(jì)。

目前計(jì)算流體力學(xué)（CFD，computational fluid dynamics）已經(jīng)在航空、動(dòng)力等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用[1]。國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有很多公司采用計(jì)算流體力學(xué)進(jìn)行環(huán)境設(shè)備的產(chǎn)品研發(fā)，例如紫外線消毒反應(yīng)器和沉淀池等[2,3]。國(guó)外很多高校的環(huán)境工程本科專業(yè)也都開設(shè)了計(jì)算流體力學(xué)和傳質(zhì)計(jì)算等方面的課程。國(guó)內(nèi)而言，動(dòng)力等專業(yè)都或多或少開設(shè)有相關(guān)課程，環(huán)境工程尚沒有此類課程的開設(shè)。本文即探討環(huán)境工程本科專業(yè)開設(shè)計(jì)算流體力學(xué)學(xué)課程的可行性和可能的課程設(shè)置。

一、CFD介紹

CFD是上世界60年代以后發(fā)展起來的交叉學(xué)科，涉及流體力學(xué)、計(jì)算數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)。在上世紀(jì)70年代，CFD的算法已經(jīng)取得了突破性的進(jìn)展，但受制于計(jì)算機(jī)硬件，僅僅在少數(shù)領(lǐng)域獲得應(yīng)用，如航空、傳熱等領(lǐng)域。隨著計(jì)算機(jī)硬件的飛速發(fā)展，CFD從上世紀(jì)90年代以來得到了廣泛的應(yīng)用。CFD的基礎(chǔ)是流體流動(dòng)的連續(xù)方程、動(dòng)量方程（Navier-Stokes方程）、能量方程和組分輸運(yùn)方程，其中組分輸運(yùn)方程即可用于模擬環(huán)境工程中污染物的遷移、產(chǎn)生和降解。CFD模擬的步驟包括前處理、求解和后處理三個(gè)步驟。首先針對(duì)物理問題確定計(jì)算區(qū)域，然后把計(jì)算區(qū)域進(jìn)行離散生成互不重疊并覆蓋整個(gè)計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格，即所謂的區(qū)域離散化，一般兩維問題的網(wǎng)格是三角形網(wǎng)格和四邊形網(wǎng)格，三維問題的網(wǎng)格主要是四面體和六面體網(wǎng)格。其次，在網(wǎng)格內(nèi)對(duì)所求解物理問題的控制方程進(jìn)行積分，并通過引入網(wǎng)格邊界上的差分格式得到離散的代數(shù)方程組。由于流動(dòng)問題壓力和速度耦合的特殊性，早期由于計(jì)算機(jī)內(nèi)存的限制，一般采用分離式迭代解法，近年已經(jīng)開始采用直接求解的方法。由于流動(dòng)問題的非線性，上述代數(shù)方程組的系數(shù)需要不斷地修正直至最后系數(shù)與整個(gè)方程組的解完全協(xié)調(diào)一致。最后，利用后處理軟件把海量計(jì)算數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成工程師所需要的直觀形式[4]。

CFD算法需要通過計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)，目前常用的CFD軟件主要包含各個(gè)研究組的內(nèi)部軟件和商用軟件。內(nèi)部軟件是以源代碼的形式存在，使用者可以直接更改源代碼，使用時(shí)需要利用編譯器進(jìn)行編譯和連接。從更改源代碼而言是方便的，但是從軟件維護(hù)而言工作量非常大，因此，一般只有專業(yè)的CFD人員才使用內(nèi)部軟件，并且只用于CFD算法的發(fā)展和湍流理論的發(fā)展等。商用軟件版權(quán)屬于開發(fā)公司，開發(fā)公司提供許可證給使用者，使用者不能看到軟件的源代碼，軟件以黑盒子的方式存在。但正因?yàn)槭褂谜卟荒苌米愿脑创a，軟件容易維護(hù)的工作量小。近年來，商用CFD軟件日趨流行。商用CFD軟件種類繁多，考慮到環(huán)境工程使用的可行性以及環(huán)境工程所涉及問題的多物理場(chǎng)特性，以下介紹幾個(gè)通用軟件。

（1）Ansys CFD

Ansys CFD包括前處理軟件ICEM CFD、求解器Fluent和CFX以及后處理軟件CFD-post。實(shí)際上，Ansys CFD本來是多個(gè)公司獨(dú)立開發(fā)的，上述4個(gè)軟件分屬于ICEM公司、Fluent公司和CFX公司和Ansys公司，由Ansys公司通過并購形成了今天的Ansys CFD。ICEM CFD是公認(rèn)生成計(jì)算網(wǎng)格的最優(yōu)秀的軟件，生成的網(wǎng)格可以用于計(jì)算固體力學(xué)和計(jì)算流體力學(xué)。Fluent是目前市場(chǎng)占有率最高的CFD軟件，是基于有限體積方法發(fā)展的CFD軟件，可求解流動(dòng)、傳熱、兩相流、湍流和污染物輸運(yùn)等物理現(xiàn)象，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，使用C語言編寫，提供C語言形式的用戶自定義變量。CFX是業(yè)界另一款優(yōu)秀的CFD軟件，在算法上處于技術(shù)領(lǐng)先地位，在某些領(lǐng)域有非常優(yōu)異的表現(xiàn)，如汽車領(lǐng)域。

（2） ESI CFD

ESI的CFD軟件包括前處理軟件CFD-GEOM、求解器CFD-ACE+和后處理軟件CFD-VIEW。ESI CFD是由CFD RC公司開發(fā)的，也是基于有限體積方法發(fā)展的CFD軟件，后被ESI集團(tuán)并購。CFD-ACE+的功能類似于Fluent，但多出一個(gè)電化學(xué)模塊，并提供Fortran語言形式的用戶自定義變量。從界面而言，ESI CFD更加統(tǒng)一。當(dāng)從技術(shù)手冊(cè)而言，文檔的可讀性不如Fluent。

（3）COMSOL Multiphysics

COMSOL Multiphysics是基于有限元發(fā)展的任意多物理場(chǎng)直接耦合分析軟件，可模擬科學(xué)和工程領(lǐng)域的各種物理過程，例如流動(dòng)、傳熱、化學(xué)反應(yīng)等，采用統(tǒng)一的界面進(jìn)行網(wǎng)格劃分、求解和后處理等各個(gè)步驟。該軟件允許任意添加不同領(lǐng)域的用戶自定義方程并進(jìn)行組合求解。由于采用有限元，該軟件具備強(qiáng)大的網(wǎng)格剖分能力。

上述商用CFD軟件都具備一個(gè)共同的特征，即可以從專業(yè)CAD軟件導(dǎo)入圖形，如AUTO CAD、Pro E和UG等，從而充分利用專業(yè)CAD軟件強(qiáng)大的三維造型能力。后處理方面，出去各個(gè)軟件自帶的后處理系統(tǒng)，所有軟件的數(shù)據(jù)都可為專業(yè)后處理軟件使用，其中以Tecplot最為著名。該公司旗下的Tecplot 360是一個(gè)功能強(qiáng)大的科學(xué)繪圖軟件，是CFD領(lǐng)域一個(gè)主流后處理軟件，提供了豐富的繪圖格式，包括多種格式的的2-D和3-D面繪圖，和3-D體繪圖格式。Tecplot 360易學(xué)易用，界面友好，有專門的Fluent數(shù)據(jù)接口，可以直接讀入Fluent軟件的*.cas和*.dat文件。

二、環(huán)境工程專業(yè)CFD課程設(shè)置

環(huán)境工程專業(yè)是CFD的使用者，不是CFD的發(fā)展者。因此，在設(shè)置課程時(shí)應(yīng)把握以下原則：（1）環(huán)境工程專業(yè)的CFD教學(xué)應(yīng)該著重于CFD的應(yīng)用而不是CFD基礎(chǔ)理論。差分格式的推導(dǎo)和發(fā)展、湍流理論、代數(shù)方程迭代求解方法等偏重于理論的知識(shí)不必列入環(huán)境工程專業(yè)的CFD教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生需要明確的是在什么情況下應(yīng)該選用什么差分格式和什么湍流模型；（2）選擇商用CFD軟件作為工具，避免繁重的維護(hù)內(nèi)部軟件的工作量；（3）一定的用戶自定義變量的使用能力。實(shí)際問題千差萬別，有些邊界條件和初始條件無法采用商用CFD軟件內(nèi)嵌的方式予以描述，只能采用用戶自定義變量和函數(shù)的方式來描述；（4）強(qiáng)調(diào)完整的CFD模擬的流程。通過學(xué)習(xí)這門課，學(xué)生使用CFD的能力可能會(huì)有差異，但可以在日后的研究生學(xué)習(xí)階段予以改善。但是錯(cuò)誤的計(jì)算流程一經(jīng)養(yǎng)成將很難糾正，為以后的進(jìn)一步學(xué)習(xí)制造障礙；（5）選擇典型的環(huán)境過程和環(huán)境設(shè)備進(jìn)行教學(xué)。根據(jù)這些原則，環(huán)境工程本科專業(yè)可以進(jìn)行以下CFD的教學(xué)內(nèi)容：

（1） CFD控制方程的推導(dǎo)

（2） CFD控制方程的離散及差分格式的選擇

（3） 湍流模型的選擇

（4） 環(huán)境問題CFD模擬的基本流程（以Fluent為例進(jìn)行）

（5） Fluent中用戶自定義變量

（6） 城市街道峽谷的模擬

（7） 光催化反應(yīng)器的模擬

（8） 氣浮的模擬

（9） 生物反應(yīng)器的模擬

（10）紫外線消毒反應(yīng)器的模擬

上述過程或者設(shè)備都是環(huán)境工程專業(yè)中的典型過程或者設(shè)備，在自然界和工程上有廣泛的應(yīng)用。學(xué)生通過學(xué)習(xí)這些過程和設(shè)備的CFD模擬，有助于培養(yǎng)CFD的應(yīng)用能力，并培養(yǎng)起基本的采用CFD解決問題的素養(yǎng)。結(jié)論

在國(guó)外CFD技術(shù)已經(jīng)逐步在環(huán)境領(lǐng)域得到推廣。在環(huán)境工程專業(yè)的本科階段開設(shè)CFD相關(guān)課程，引導(dǎo)學(xué)生初步掌握計(jì)算機(jī)模擬的方法，學(xué)會(huì)分析流場(chǎng)、污染物濃度場(chǎng)，有助于學(xué)生走上工作崗位時(shí)具備一定的技術(shù)基礎(chǔ)和增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力，對(duì)于繼續(xù)深造攻讀研究生的學(xué)生也有助于增強(qiáng)其研究能力和拓寬研究視野。

[1] 陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué) [M].西安:西安交通大學(xué)出版社.1988.

[2] 肖堯, 施漢昌, 范蘢.基于計(jì)算流體力學(xué)的輻流式二沉池?cái)?shù)值模擬[J].中國(guó)給水排水.2006, 22(19),100-104

[3] 譚洪衛(wèi).計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)在建筑環(huán)境工程上的應(yīng)用[J].暖通空調(diào).1999, 29(4)

[4] 王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析:CFD 軟件原理與應(yīng)用 [M].北京: 清華大學(xué)出版社.2004.