CFD軟件在計(jì)算空氣動(dòng)力學(xué)課程中的應(yīng)用

張立棟　薛琳

摘要：本文簡要分析了采用CFD軟件在計(jì)算空氣動(dòng)力學(xué)課程產(chǎn)生的效果，通過與空氣動(dòng)力學(xué)相關(guān)理論知識(shí)進(jìn)行結(jié)合，既可以有助于學(xué)生們掌握空氣動(dòng)力學(xué)的理論知識(shí)，加深對(duì)繞翼型流動(dòng)過程的理解，又可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，拓展學(xué)生想象力。

關(guān)鍵詞：CFD；風(fēng)電場(chǎng)；多媒體教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.421 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2015）31-0248-02

近年來，我國風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛[1]，國內(nèi)多所學(xué)校開設(shè)風(fēng)能專業(yè)。傳統(tǒng)的“計(jì)算空氣動(dòng)力學(xué)”是采用數(shù)值計(jì)算及公式推導(dǎo)抽象，不易理解，隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)得到了廣泛使用，相關(guān)軟件也發(fā)展迅速。CFD可形象地展示風(fēng)力機(jī)葉片周圍流場(chǎng)狀態(tài)，實(shí)際與模擬對(duì)比，從晦澀的公式中解脫有助于提高學(xué)生的興趣[2，3]。

一、計(jì)算空氣動(dòng)力學(xué)課程存在的問題

計(jì)算空氣動(dòng)力學(xué)的教學(xué)內(nèi)容豐富，如穩(wěn)態(tài)及非穩(wěn)態(tài)數(shù)值計(jì)算、不同模型等。傳統(tǒng)的黑板式教育可以對(duì)靜態(tài)、公式等進(jìn)行細(xì)致推導(dǎo)，但對(duì)動(dòng)態(tài)過程難以生動(dòng)的描述。由于計(jì)算中涉及到迭代等較為抽象，學(xué)生理解費(fèi)力。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以幫助學(xué)生較好地理解尾流渦脫落，但每個(gè)學(xué)生都做一次實(shí)驗(yàn)，其人工成本及實(shí)驗(yàn)成本都較高，而且實(shí)驗(yàn)的操作復(fù)雜，高精度實(shí)驗(yàn)設(shè)備等價(jià)格昂貴，不能滿足學(xué)生人手一機(jī)的需求。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)過程中，葉片尾流渦的脫落過程受較多限制，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來了不小的困難。

因此，CFD軟件可以通過數(shù)值計(jì)算對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)物理模型（葉片翼型）進(jìn)行仿真和數(shù)據(jù)匯總處理、對(duì)比分析。分析不同風(fēng)速對(duì)葉片的擾流及后續(xù)尾流產(chǎn)生及脫落；分析不同空氣密度對(duì)翼型升力及阻力系數(shù)變化等。

二、計(jì)算空氣動(dòng)力學(xué)教學(xué)過程流程圖

通過參考有關(guān)書籍[4]及學(xué)生課堂反應(yīng)情況，總結(jié)出計(jì)算空氣動(dòng)力學(xué)，用CFD軟件教學(xué)過程流程圖，如圖1所示。根據(jù)教學(xué)大綱，學(xué)生按照操作流程逐步學(xué)習(xí)，每步具體內(nèi)容再展開講解。這樣，可以使學(xué)生既掌握相關(guān)計(jì)算空氣動(dòng)力學(xué)知識(shí)，又提高動(dòng)手能力。操作步驟，即為貫穿計(jì)算空氣動(dòng)力學(xué)課程主線可以使學(xué)生鞏固所學(xué)成果，加深學(xué)生計(jì)算空氣動(dòng)力學(xué)的教學(xué)內(nèi)容。學(xué)生親自算出來的結(jié)果，使學(xué)生對(duì)CFD軟件產(chǎn)生濃厚興趣，加大學(xué)習(xí)本門課程的源動(dòng)力。

三、教學(xué)應(yīng)用實(shí)例

授課過程中，學(xué)生遇到問題及學(xué)生創(chuàng)新思路進(jìn)行舉例說明，幫助學(xué)生們更好的理解，拓展學(xué)生們的思維。采用saratov翼型進(jìn)行仿真模擬前期網(wǎng)格劃分，生成圖2所示相應(yīng)的網(wǎng)格文件。從圖2中，我們可以看出，翼型周圍所采用的是四邊形網(wǎng)格。圖2b是學(xué)生根據(jù)計(jì)算圖2a翼型時(shí)，通過思考，自己動(dòng)手建立的二維網(wǎng)格模型，再對(duì)該網(wǎng)格進(jìn)行仿真。

邊界條件及參數(shù)設(shè)置，選擇穩(wěn)態(tài)模型，紊流模型選擇S-A模型二階迎風(fēng)差分格式，來流速度V為8m/s。按照?qǐng)D1的逐步設(shè)置，得到流場(chǎng)數(shù)據(jù)。

圖3是saratov翼型及其組合翼型周圍壓力分布圖，可看出吸力面及壓力面據(jù)相關(guān)知識(shí)分析翼型前緣壓力高的原因。

圖4是翼型周圍速度分布圖，沿來流方向組合后的翼型后速度最低，在翼型葉根處速度較大，是符合常識(shí)的，通過舉例說明使抽象的問題形象化。

圖5是翼型周圍速度的矢量圖，我們可以看到翼型后渦的產(chǎn)生過程。

三、結(jié)論

綜上，結(jié)合空氣動(dòng)力學(xué)相關(guān)理論知識(shí)，對(duì)計(jì)算空氣動(dòng)力學(xué)講解說明，可以使學(xué)生們加深空氣動(dòng)力學(xué)的理論知識(shí)。通過組合翼型并對(duì)其進(jìn)行分析，可以看出學(xué)生們的想法是新奇的，這說明學(xué)生們?cè)趯W(xué)習(xí)的過程中進(jìn)行了充分的思考，又通過這個(gè)計(jì)算空氣動(dòng)力學(xué)這門課所講授的內(nèi)容進(jìn)行了理解與進(jìn)一步拓展，不僅僅激發(fā)對(duì)計(jì)算空氣動(dòng)力學(xué)的學(xué)習(xí)興趣，而且可以探索翼型未知問題。

參考文獻(xiàn)：

[1]秦云甫.淺談我國風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀、問題與對(duì)策[J].中國電力教育，2011，（3）：45-46.

[2]趙琴，楊小林，嚴(yán)敬.CFD技術(shù)在工程流體力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[J].高等教育研究，2008，25（1）：28-29.

[3]柏靜儒，辛思諭，王擎.CFD軟件在傳熱學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用及淺析[J].中國電力教育，2014，（29）：43-45.

[4]韓占忠.FLUENT-流體工程仿真計(jì)算實(shí)例與分析[M].第一版，北京理工大學(xué)出版社：69-80.