流體力學(xué)課程中引入CFD的探討與實(shí)踐

沈陽航空航天大學(xué)航空航天工程學(xué)院 劉 凱 曾 文 劉愛虢

流體力學(xué)課程中引入CFD的探討與實(shí)踐

沈陽航空航天大學(xué)航空航天工程學(xué)院 劉 凱 曾 文 劉愛虢

流體力學(xué)概念抽象，理論復(fù)雜，對(duì)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求較高，是相關(guān)專業(yè)學(xué)生公認(rèn)的厭學(xué)、難學(xué)課。本文從激發(fā)興趣出發(fā)，以應(yīng)用為驅(qū)動(dòng)，在課程中引入CFD這一近些年發(fā)展最為活躍的流體力學(xué)分支。實(shí)踐證明，CFD是流體力學(xué)教學(xué)的有益補(bǔ)充，是學(xué)生理論與實(shí)踐之間最直接、最簡易的橋梁，可以極大激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的相互促進(jìn)，滿足與時(shí)俱進(jìn)的教學(xué)改革目標(biāo)。

流體力學(xué) 教學(xué)改革 CFD 實(shí)踐

流體力學(xué)作為力學(xué)的一個(gè)分支，既具有較系統(tǒng)的理論體系，又密切聯(lián)系工程實(shí)際，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)專業(yè)課及此后的專業(yè)發(fā)展來說都是不可缺少的理論基礎(chǔ)，是熱能動(dòng)力工程、飛行器動(dòng)力工程、流體機(jī)械、水利工程等專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，為學(xué)好后續(xù)的專業(yè)課程、從事專業(yè)技術(shù)工作和科學(xué)研究打好必要的基礎(chǔ)。隨著各專業(yè)相互融合，機(jī)電液一體化已成趨勢(shì)。目前，機(jī)械、電子等越來越多的專業(yè)陸續(xù)開設(shè)了流體力學(xué)課程，流體力學(xué)已成為高校中一門重要的公共課，越來越受到重視。

一、流體力學(xué)教學(xué)中的困惑

流體力學(xué)以高等數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，概念抽象，理論復(fù)雜。而由于網(wǎng)絡(luò)吸引、就業(yè)壓力等各種原因，現(xiàn)在的大學(xué)生已無法像以前那樣專注于各門課程的學(xué)習(xí)，特別是高數(shù)、物理等基礎(chǔ)課。而學(xué)生較差的高數(shù)基礎(chǔ)使流體力學(xué)學(xué)習(xí)更加困難，基本方程無法理解，如靜壓強(qiáng)的積分求解，控制體的微分方程的建立與求解等問題。學(xué)生越是聽不懂，越是沒興趣，越是學(xué)不會(huì)，如此惡性循環(huán)。流體力學(xué)一般學(xué)時(shí)較長，特別是熱能動(dòng)力工程等專業(yè)，學(xué)時(shí)可達(dá)70個(gè)課時(shí)以上，很多同學(xué)中途放棄，等到期末想突擊已經(jīng)來不及了。很強(qiáng)的理論性使學(xué)生失去興趣，進(jìn)一步喪失學(xué)習(xí)動(dòng)力，學(xué)生不能按要求掌握流體力學(xué)的知識(shí)，嚴(yán)重影響后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)，進(jìn)而影響畢業(yè)、就業(yè)及今后的工作。主觀能動(dòng)性是解決任何難題的最有力工具，如何找到流體力學(xué)教學(xué)中的興趣點(diǎn)，讓學(xué)生主動(dòng)投入到學(xué)習(xí)中來，是所有流體力學(xué)乃至任一學(xué)科教師的首要任務(wù)。

二、CFD的快速發(fā)展

CFD（computational fluid dynamics）是近些年發(fā)展并逐漸完善起來的流體力學(xué)的一個(gè)分支。CFD以計(jì)算機(jī)為載體，以數(shù)理模型為核心，結(jié)合圖像顯示技術(shù)，成功解決了由于流體力學(xué)復(fù)雜性，理論方程不完善甚至無法求解，實(shí)驗(yàn)難度大、周期長、費(fèi)用高、適用有局限的問題。CFD以數(shù)值解的方式解決流動(dòng)問題，其快速、靈活、低成本的特點(diǎn)很快在流體力學(xué)領(lǐng)域得到迅猛發(fā)展，越來越多的問題都可以借助CFD予以解決。特別是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及計(jì)算模型的快速發(fā)展與完善，CFD在越來越多的領(lǐng)域得到重視和應(yīng)用，其可靠性也得到驗(yàn)證和認(rèn)可。正如國家計(jì)算流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室主任李椿萱院士所言，“目前的 CFD 商業(yè)軟件在一般機(jī)械和工程問題中的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)廣泛。對(duì)于低速及亞、超聲速流動(dòng)和傳熱問題的模擬計(jì)算，包括湍流、較簡單的多相流動(dòng)的計(jì)算，在算法上已發(fā)展成熟；商業(yè)軟件一般也已具備很強(qiáng)的網(wǎng)格生成技術(shù)，可以對(duì)復(fù)雜幾何外形的流動(dòng)進(jìn)行高逼真度的模擬仿真。已有的CFD技術(shù)可為許多企業(yè)遇到的流動(dòng)問題提供高精度和可靠的解決手段?！?/p>

三、教學(xué)中引入CFD的探索與實(shí)踐

1.引入CFD的目的和意義。如前所述，CFD可以快速、靈活地實(shí)現(xiàn)流動(dòng)問題的分析求解，直觀再現(xiàn)流動(dòng)現(xiàn)象，使流體力學(xué)抽象的概念便于理解，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。另外，CFD已深入工程各個(gè)領(lǐng)域，用人單位也需要此類人才。因此，從就業(yè)的角度學(xué)生也會(huì)增加對(duì)CFD學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。而CFD的核心理論就是流體力學(xué)，對(duì)于學(xué)習(xí)應(yīng)用CFD過程中遇到的問題，學(xué)生就會(huì)主動(dòng)尋求流體力學(xué)相關(guān)主題幫助解決。學(xué)生以CFD為切入點(diǎn)，基本掌握CFD的同時(shí)，也促進(jìn)了流體力學(xué)理論的學(xué)習(xí)。

學(xué)生參與老師的科研課題是教育教學(xué)改革的途徑之一，通過參與真正的科研課題，既達(dá)到理論聯(lián)系實(shí)際的教學(xué)目的，又培養(yǎng)了科研技能，為今后工作打下了基礎(chǔ)。鑒于學(xué)生知識(shí)儲(chǔ)備及能力，掌握CFD方法是學(xué)生有效參與教師科研課題最現(xiàn)實(shí)的途徑之一。

2.引入CFD的方式與途徑。教學(xué)引入CFD的方式應(yīng)該是自然的，教師借助課本某章節(jié)的實(shí)際需求，讓學(xué)生覺得它是解決某一問題的最好工具，引入時(shí)間點(diǎn)應(yīng)該是大部分學(xué)生喪失學(xué)習(xí)興趣前。流體力學(xué)中湍流流動(dòng)是學(xué)生最難理解的一章，也是引入CFD較合適的一章。流體力學(xué)界有一句話：流體力學(xué)是一門精彩的、引人入勝的學(xué)科，它充滿了未知和謎團(tuán)等待你去發(fā)現(xiàn)。這句話指的就是湍流部分，未知和謎團(tuán)可以吸引人，同樣也可以讓人迷惑甚至失去興趣。這一章的流動(dòng)方程更加復(fù)雜，而且大部分方程需要引入實(shí)驗(yàn)系數(shù)、經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，甚至即使這樣也無法求解，無法解決實(shí)際問題，最簡單的流動(dòng)問題也要做大量假設(shè)。學(xué)生覺得這部分內(nèi)容和實(shí)際脫節(jié)，工作中不會(huì)用到，也就失去了學(xué)習(xí)興趣。教師可以在此時(shí)推出CFD，如講到納維—斯托克斯方程，雖然它封閉但復(fù)雜到至今無解，改進(jìn)后的雷諾方程雖然簡化卻不封閉，解決的途徑就是采用CFD手段建立湍流模型。學(xué)生看到了復(fù)雜理論和實(shí)際應(yīng)用的橋梁，教師可以再應(yīng)用一個(gè)適當(dāng)?shù)睦幼寣W(xué)生看到CFD的魅力，如講到流體繞流邊界層分離的卡門渦街，就可以應(yīng)用CFD演示流動(dòng)現(xiàn)象，見圖1。

圖1 不同雷諾數(shù)下的卡門渦街

設(shè)置不同的來流條件可以動(dòng)態(tài)顯示卡門渦街的形成和發(fā)展，對(duì)學(xué)生的吸引力很大。另外，教師可以結(jié)合學(xué)生的專業(yè)展示CFD在專業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。例如，飛行器動(dòng)力工程專業(yè)教學(xué)可引入CFD在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用，如圖2所示。

圖2詳細(xì)給出了燃燒室各截面速度分布，對(duì)燃燒室的設(shè)計(jì)、運(yùn)行以及改進(jìn)提供了詳盡的第一手資料。如果沒有CFD技術(shù)，對(duì)于如此復(fù)雜的流場(chǎng)，理論方法只能通過大量假設(shè)簡化為一維定常理想流體，給出大致趨勢(shì)，設(shè)計(jì)后通過大量實(shí)驗(yàn)修正結(jié)果。目前，航空航天領(lǐng)域，由于設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)行工況苛刻、實(shí)驗(yàn)難度大，CFD已成為不可或缺的重要研究手段。

ISSN2095-6711/Z01-2015-12-0058