CFD模擬在過程裝備與控制工程專業(yè)人才培養(yǎng)體系中的應用

王會林 ， 劉亞莉 ， 張永海 ， 張羽翔 ， 陳宇慧 ， 董華東

(鄭州輕工業(yè)學院 能源與動力工程學院 , 河南 鄭州 450002)

?化工教育?

CFD模擬在過程裝備與控制工程專業(yè)人才培養(yǎng)體系中的應用

王會林 ， 劉亞莉 ， 張永海 ， 張羽翔 ， 陳宇慧 ， 董華東

(鄭州輕工業(yè)學院 能源與動力工程學院 , 河南 鄭州 450002)

以過程裝備與控制工程專業(yè)的專業(yè)課程為載體，為提升教學質量，在人才培養(yǎng)體系中利用CFD模擬技術，不僅能夠提高課堂教學的生動性和易懂性，還可以幫助學生深入理解過程裝備的基本原理，并促進學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

過程裝備與控制工程 ； CFD模擬 ； 人才培養(yǎng)體系

0 引言

過程裝備與控制工程專業(yè)在國民經(jīng)濟和社會發(fā)展中起著極其重要的作用。鄭州輕工業(yè)學院自2001年開設過程裝備與控制工程專業(yè)，旨在培養(yǎng)適應我國社會主義現(xiàn)代化建設需要，面向21世紀過程裝備與控制工程領域的高級應用型人才。經(jīng)過近20年的快速發(fā)展，該專業(yè)緊密聯(lián)系煤炭、石油及其化工裝備行業(yè)，具有明顯的化工特色，但在發(fā)展過程中也存在一些問題，為了進一步突出專業(yè)特色，加快學科建設，有必要結合自身專業(yè)現(xiàn)狀和發(fā)展需求，探討專業(yè)專業(yè)人才培養(yǎng)體系中的相關問題，以找到行之有效的解放辦法，滿足社會對創(chuàng)新性人才培養(yǎng)的要求[1]。

隨著計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics，CFD)和數(shù)學方法的進步，一些成熟的CFD軟件如Fluent等漸漸被工科高等院校的教師應用到教學工作中，他們采用CFD軟件數(shù)值模擬各種現(xiàn)象及設備的流動狀態(tài)及內(nèi)部流場，將理論知識與CFD計算結果相結合，幫助學生們理解各種理論、機理的含義[2-5]。過程裝備與控制工程專業(yè)的發(fā)展以工藝過程為先導，“流體”是過程裝備加工處理對象的基本屬性，“流動”是過程的普遍特征和主導行為，流體動力學行為的改善是過程裝備內(nèi)構件的設計與創(chuàng)新最重要的評價依據(jù)。因此，在過控專業(yè)的人才培養(yǎng)體系中輔以CFD模擬技術是完全可行的。

1 CFD模擬在人才培養(yǎng)體系中的作用

從以下四個方面闡述CFD模擬在過程裝備與控制工程專業(yè)人才培養(yǎng)體系中的作用。

1.1 理論教學

專業(yè)課任課教師在講授中，把一些不好理解的概念借助Fluent軟件事先計算好，把計算結果通過Tecplot數(shù)據(jù)處理軟件做成圖片或者動畫，穿插到多媒體課件中，比如流體力學課程中的伯努利方程(參見圖1所示的漸擴管與漸縮管流動過程的中的速度以及壓力云圖)、穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)流動，跡線與流線，局部渦流(參見圖2所示的卡門渦街現(xiàn)象)等。

圖1 漸縮漸擴管

圖2 卡門渦街現(xiàn)象的速度云圖

同樣，過程設備設計以及過程流體機械課程的任課教師也可以把設備內(nèi)部流動的計算結果經(jīng)過精心的處理后插入到課件中，輔助講解設備原理，Geldart D顆粒在流化床中不同時刻的固含率如圖3所示。攪拌設備穩(wěn)態(tài)時的速度云圖及局部速度矢量圖如圖4所示。離心式鼓風機穩(wěn)態(tài)時的靜壓分布圖和速度矢量圖如圖5所示。另外，在學習完流體力學、過程流體機械、過程裝備設計等課程后，可以針對高年級學生以任意選修課的形式開展CFD模擬課程。

圖3 Geldart D顆粒在流化床中不同時刻的固含率

圖4 攪拌設備穩(wěn)態(tài)時的速度云圖及局部速度矢量圖

圖5 離心式鼓風機穩(wěn)態(tài)時的靜壓分布圖和速度矢量圖

1.2 課程設計

通常本科生的課程設計或者畢業(yè)設計都包含工藝設計、機械設計、畫圖等步驟，那么是否可以嘗試在二維圖紙畫完后，讓學生對自己設計的設備(如塔、換熱器等)進行CFD模擬，分析速度流場和壓降等參數(shù)的變化規(guī)律，從而判斷自己的設計是否合理，是否還有改進的空間，對其就業(yè)后從事設計工作會有很大的幫助。

1.3 虛擬仿真實驗

受資金、場地和安全等因素的限制，部分涉及高?；驈碗s、難以重復的實驗項目，在實驗中心無法實現(xiàn)真實實驗，不具備或難以完成實驗教學功能的情況下，建設CFD虛擬仿真實驗中心，可為學生提供安全、可靠和經(jīng)濟的實驗項目。

1.4 創(chuàng)新平臺

近年來，我國高等教育進行了一系列改革，各大高校都有針對本科生的科研、創(chuàng)新訓練計劃[6,7]，那么在創(chuàng)新性訓練中，加入CFD模擬的相關內(nèi)容，給對科研感興趣的學生提供一個平臺，充分發(fā)揮學生的主觀能動性，使其在自主自愿的狀態(tài)下有目的性地學習，將教師的科研成果融入實驗教學之中，鼓勵學生參加各類學科競賽及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目的申報與實施，在實踐訓練中全面提高大學生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，同時擴大學生的視野，培養(yǎng)學生的溝通交流能力，增加學生的自我認同感，樹立自信心，更好地投入到學習中，實現(xiàn)教學的良性循環(huán)。

3 結論

本文從理論教學、課程設計、虛擬仿真實驗以及創(chuàng)新平臺建設四個方面探討了CFD模擬技術在過程裝備與控制工程專業(yè)人才培養(yǎng)體系中的應用，通過CFD數(shù)值模擬技術對過程裝備內(nèi)部載體的流體動力學行為進行直觀顯示，引導學生從本質出發(fā)對設備的主體結構或內(nèi)構件進行優(yōu)化和創(chuàng)新性設計，以推動課程教學水平和創(chuàng)新人才培養(yǎng)。

[1] 劉 佳,張運喜.過程裝備與控制工程專業(yè)理論教學方法創(chuàng)新[J].中國培訓,2016,14:196.

[2] 鄧保慶.環(huán)境工程專業(yè)CFD課程教學的應用初探[J].中國科技信息, 2010(7):201-202，211.

[3] 李俊梅,李炎鋒,樊洪明,等.CFD模擬課程在建環(huán)專業(yè)本科生中的教學實踐[J].高等建筑教育,2012(3):101-103.

[4] 劉 爽,王世明,宋秋紅,等.基于CFD的工程流體力學本科課程教學改革實踐研究[J].中國教育技術裝備,2015，22:148-149.

[5] 張金亞.基于CAD與CFD軟件的泵和壓縮機課程教學改革實踐[J].教育教學論壇,2016(12):105-107.

[6] 王 洪,全學軍,李 軍,等.地方高等學校過程裝備與控制工程專業(yè)學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的探索[J].教育教學論壇,2016,39:132-133.

[7] 劉麗芳,徐建民,楊 紅,等.提高過程裝備與控制工程專業(yè)大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的研究與實踐[J].化工高等教育,2016(3):21-23.

2016-09-22

王會林(1986-)，女，講師，博士，從事傳熱傳質數(shù)值模擬研究工作，E-mail:whl-410@163.com。

G642.4

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1003-3467(2016)12-0051-03