計(jì)算流體力學(xué)在工程流體力學(xué)課程中的應(yīng)用與實(shí)踐

謝翠麗 倪玲英

(中國石油大學(xué)(華東)石工學(xué)院，山東青島266555)

計(jì)算流體力學(xué)在工程流體力學(xué)課程中的應(yīng)用與實(shí)踐

謝翠麗1)倪玲英

(中國石油大學(xué)(華東)石工學(xué)院，山東青島266555)

隨著時(shí)代發(fā)展，適應(yīng)大學(xué)生特點(diǎn)的教學(xué)改革在不斷進(jìn)行，要求教師培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力而不是單純的傳授知識(shí).針對(duì)本科生工程流體力學(xué)課程的教學(xué)模式進(jìn)行改革，將計(jì)算流體力學(xué)引入到工程流體力學(xué)課堂.5年的教學(xué)實(shí)踐，證明其對(duì)學(xué)生們的工程流體力學(xué)課程和后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)有很大幫助.文中以實(shí)例的形式介紹了將計(jì)算流體力學(xué)與本科生流體力學(xué)課程結(jié)合的方法與實(shí)踐，深入探討了教學(xué)改革.該實(shí)踐是提高教學(xué)質(zhì)量的有價(jià)值的嘗試.

流體力學(xué),教學(xué)改革,數(shù)值模擬,計(jì)算流體力學(xué)

工程流體力學(xué)是大部分工科專業(yè)學(xué)生的必修基礎(chǔ)課程，它與許多專業(yè)的專業(yè)課程息息相關(guān)，主要涉及的專業(yè)有石油工程、能源與動(dòng)力工程、化工、環(huán)保、石油儲(chǔ)運(yùn)、建筑與環(huán)境、力學(xué)、船舶與海洋工程等，是一門重要的課程.為全面構(gòu)建新型人才培養(yǎng)新體系，流體力學(xué)課程需不斷創(chuàng)新改革，本文介紹了將計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)應(yīng)用在流體力學(xué)教學(xué)過程中的應(yīng)用與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn).通過讓學(xué)生自己動(dòng)手利用軟件對(duì)基本流動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)值分析，可以將課堂所講授的抽象概念、理論變成形象的可視化流場(chǎng)及動(dòng)畫演示，大大促進(jìn)學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)理論的深入理解和應(yīng)用，同時(shí)也可以將流體力學(xué)的知識(shí)應(yīng)用于與專業(yè)相關(guān)的實(shí)際問題分析和簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)中，激發(fā)了學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的興趣，培養(yǎng)了學(xué)生思考、創(chuàng)新的科研能力，同時(shí)也達(dá)到了改善教學(xué)效果的目的.

1 FLUENT軟件與課程教學(xué)的結(jié)合

1.1 編制上機(jī)指導(dǎo)手冊(cè)

Fluent軟件的簡(jiǎn)單應(yīng)用并不復(fù)雜，但為了在課時(shí)有限的情況下使學(xué)生盡快熟悉并利用計(jì)算流體軟件 Fluent和前處理軟件 Gambit進(jìn)行簡(jiǎn)單模擬計(jì)算，我們編制了上機(jī)模擬手冊(cè).它包含與專業(yè)背景相關(guān)的模擬計(jì)算算例，模擬過程描述詳細(xì)，可根據(jù)步驟建模、劃分網(wǎng)格、進(jìn)行計(jì)算以及后處理.比如，對(duì)于石油工程專業(yè)，我們?cè)O(shè)置了三維圓管和環(huán)空內(nèi)的流動(dòng)模擬，旨在學(xué)習(xí)非牛頓流體模擬的設(shè)置，并將模擬的結(jié)果與理論課中所學(xué)的結(jié)論進(jìn)行對(duì)比；對(duì)于熱能與動(dòng)力工程專業(yè)則設(shè)置冷熱水混合器內(nèi)的三維流動(dòng)與換熱上機(jī)模擬；對(duì)于船舶與海洋工程專業(yè)和海洋油氣專業(yè)，則設(shè)置了船舶行駛阻力特性的模擬；對(duì)于油氣儲(chǔ)運(yùn)專業(yè)，則上機(jī)完成某輸油管道工程90?水平彎管內(nèi)油水兩相流動(dòng).

同時(shí)手冊(cè)包含基本方程、差分格式、湍流模型的簡(jiǎn)單介紹，讓學(xué)生明白對(duì)于所有流動(dòng)，F(xiàn)luent都求解質(zhì)量和動(dòng)量守恒方程.對(duì)于包含傳熱或可壓性流動(dòng)，還需要增加能量守恒方程.對(duì)于有組分混合或者化學(xué)反應(yīng)的流動(dòng)問題則要增加組分守恒方程.如果是湍流問題，還有相應(yīng)的輸運(yùn)方程需要求解.

1.2 熟悉上機(jī)模擬的流程

為讓學(xué)生快速熟悉上機(jī)模擬的前處理、核心求解和數(shù)據(jù)生成、后處理流程，我們?yōu)樗袑I(yè)的學(xué)生提供了二維障礙通道內(nèi)的流動(dòng)，利用1課時(shí)的時(shí)間，讓學(xué)生在此過程中，理解了幾何建模、網(wǎng)格構(gòu)造、邊界條件設(shè)定、網(wǎng)格輸出、求解計(jì)算設(shè)定和查看計(jì)算結(jié)果的簡(jiǎn)單過程，很短的時(shí)間內(nèi)，學(xué)生就看到了流體由左側(cè)入口流入帶障礙物的通道后，從右側(cè)流出流場(chǎng)的速度矢量分布(圖1).

通過此過程，學(xué)生直觀的看到了可視化的流動(dòng)，理解了伯努利方程的原理，流線不能轉(zhuǎn)折、旋渦的產(chǎn)生與能量的耗散等知識(shí)，同時(shí)學(xué)生也嘗試將設(shè)計(jì)的障礙物尺寸增大，或?qū)⑽恢谜{(diào)整，觀察它們對(duì)流體的擾動(dòng)，觀察壓力云圖和速度矢量場(chǎng)圖的變化，過程非常直觀生動(dòng).通過動(dòng)手模擬,學(xué)生們體驗(yàn)了計(jì)算機(jī)軟件帶來的學(xué)習(xí)興趣和對(duì)流動(dòng)研究的便捷.

圖1 二維有障礙通道內(nèi)的流動(dòng)

1.3 將計(jì)算流體力學(xué)用于流體力學(xué)課程中原理性知識(shí)驗(yàn)證

在流體力學(xué)理論課上推導(dǎo)了充分發(fā)展的圓管層流的基本理論公式，包括了速度拋物線分布公式，圓管層流存在入口段流動(dòng)等概念.作為驗(yàn)證，我們指導(dǎo)學(xué)生模擬了圓管層流的流動(dòng)，如圖2.應(yīng)用Fluent求解后，可以得到管道中心線速度沿流動(dòng)方向的變化情況.

圖2 圓管層流

由圖3可以看出，距入口一定距離以后，速度達(dá)到穩(wěn)定，進(jìn)入充分發(fā)展段.從圖4中也看出，圓管充分發(fā)展的層流流動(dòng)速度分布是拋物線，最大速度在管軸中心線處.在靠近壁面處，網(wǎng)格劃分足夠細(xì)密，可以看到邊界層內(nèi)速度的快速增長(zhǎng).

圖3 管道中心線速度沿流動(dòng)方向的變化

圖4 圓管層流速度拋物線分布

課堂所學(xué)的理論就這樣可以通過圖片及動(dòng)畫演示方式等得到直觀的驗(yàn)證，使學(xué)生易于理解和接受理論知識(shí).

1.4 將計(jì)算流體力學(xué)用于課程里的拓展性思考

流體力學(xué)課堂上講到局部阻力時(shí)涵蓋了突擴(kuò)管與突縮管局部阻力的成因與對(duì)比，通過計(jì)算流體力學(xué)上機(jī)模擬，我們提出拓展思考即怎樣減小局部阻力損失？

學(xué)生們通過軟件的模擬并繪制了速度矢量圖和流線圖，可以分析局部阻力產(chǎn)生機(jī)理.由圖5可以明顯看出突擴(kuò)管與突縮管局部損失的原理是不同的，產(chǎn)生旋渦的位置也不同.突擴(kuò)管旋渦主要產(chǎn)生在進(jìn)入突擴(kuò)段以后，而突縮管則由于流線不能轉(zhuǎn)折，分別在突縮段前和剛?cè)胪豢s管的位置，它們局部阻力產(chǎn)生的原因是管徑突變處流體形成大小不一的漩渦區(qū).漩渦區(qū)域中水質(zhì)點(diǎn)的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)和激烈的紊動(dòng)消耗了部分水體的能量；渦流區(qū)恢復(fù)到正常流動(dòng)時(shí)，這部分低能流體被主流的高能流體帶走要克服摩擦力；在進(jìn)行動(dòng)能交換，達(dá)到流速的重新組合時(shí)還會(huì)有一些局部阻力產(chǎn)生.

在明白了局部阻力產(chǎn)生的機(jī)理后，課后的作業(yè)是自拓展試驗(yàn)--怎樣減小局部阻力損失？

圖5 突擴(kuò)管與突縮管局部損失的產(chǎn)生

結(jié)果學(xué)生們以突縮管為例，采用控制變量法，一組把管徑擴(kuò)大一倍，另一組把管長(zhǎng)擴(kuò)大一倍，可以對(duì)比各個(gè)情況下，突縮管的局部阻力情況.經(jīng)過模擬試驗(yàn)學(xué)生們得出結(jié)論：為了減小局部阻力損失可以采取的措施是減小管徑比，將管道幾何邊界設(shè)計(jì)為流線型，或把突縮進(jìn)口的直角改為圓角.

這樣的拓展性思考試驗(yàn)打開了學(xué)生的視野和興趣，許多同學(xué)表示，雖然課后花了不少時(shí)間做作業(yè)，但獲得了很大的學(xué)習(xí)興趣和成就感，而且上機(jī)模擬直觀地表現(xiàn)了流動(dòng)改變的效果，比室內(nèi)試驗(yàn)更省時(shí)省力.

1.5 將計(jì)算流體力學(xué)用于專業(yè)學(xué)習(xí)中的初步設(shè)計(jì)實(shí)踐

新形勢(shì)下的專業(yè)基礎(chǔ)課授課要求，能將理論與工程或?qū)嶋H相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和科研能力，為此需要提出與專業(yè)知識(shí)結(jié)合的題目.以能源與動(dòng)力工程專業(yè)為例，我們提出了冷熱水混合器自行設(shè)計(jì)的題目，給出了一個(gè)初步設(shè)計(jì)的上方為熱水進(jìn)口，下方為冷水進(jìn)口和混合水出口的冷熱水混合器，讓學(xué)生自行模擬，將流動(dòng)與傳熱學(xué)結(jié)合考慮，并根據(jù)模擬情況優(yōu)化設(shè)計(jì)混合器，使出口水溫均勻.

實(shí)際上設(shè)計(jì)過程是一個(gè)不斷修正改進(jìn)的過程，學(xué)生們首先通過上機(jī)模擬分析了溫度場(chǎng)后總結(jié)了原型的缺點(diǎn)：出口的溫度梯度大；容器左邊全都是冷水，右邊全是熱水，左右受熱不平衡會(huì)使容器左側(cè)膨脹，右側(cè)收縮，容器變形不協(xié)調(diào)，對(duì)容器有損害.所以設(shè)計(jì)時(shí)要解決的問題是首先使出口溫度均勻，其次要設(shè)計(jì)出使容器變形協(xié)調(diào)的方案.對(duì)此，學(xué)生們提出了自己的各種各樣的設(shè)計(jì)思路和理由，例如根據(jù)初始方案的經(jīng)驗(yàn)，欲使溫度混合得好，冷熱水入口不應(yīng)該離得太近，這樣使冷熱水射流有足夠的流動(dòng)空間來混合，管嘴還應(yīng)該設(shè)計(jì)成對(duì)稱傾斜，出口離入口也應(yīng)該盡量遠(yuǎn)，根據(jù)這些原則，學(xué)生設(shè)計(jì)出圖6(b)方案，它的優(yōu)勢(shì)在于：(1)溫度混合均勻，出口溫度穩(wěn)定且適中；(2)對(duì)容器的傷害小，容器中右壁全是混合好的溫度，所以右壁不會(huì)過度膨脹或收縮；觀察左壁可以發(fā)現(xiàn)雖然溫度差大，但是我們知道金屬的導(dǎo)熱很好比水好，這樣同樣的一塊金屬板溫度很快就均勻了，不會(huì)出現(xiàn)上面收縮下面膨脹而變形不協(xié)調(diào)的問題.

圖6 冷熱水混合器初步設(shè)計(jì)

上交的總結(jié)報(bào)告表明，學(xué)生們雖然認(rèn)為這種實(shí)驗(yàn)難度較大，但這充分要求同學(xué)們發(fā)揮想象力與創(chuàng)造力，對(duì)他們建立獨(dú)立思維，應(yīng)用所學(xué)知識(shí)有很大幫助.

通過上述事例可以說明，應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)在流體力學(xué)教學(xué)過程中確實(shí)能起到非常好的教學(xué)效果，在實(shí)際教學(xué)中，通過對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)情況的調(diào)研，學(xué)生反映普遍較好.

2 結(jié)束語

將計(jì)算流體力學(xué)引入到工程流體力學(xué)課堂的5年教學(xué)實(shí)踐，證明其對(duì)學(xué)生們的工程流體力學(xué)課程和后續(xù)的專業(yè)課的學(xué)習(xí)有很大幫助，文中以實(shí)例形式介紹了將計(jì)算流體力學(xué)與本科生工程流體力學(xué)課堂結(jié)合的方法，它創(chuàng)新了流體力學(xué)課程的教學(xué)模式，同時(shí)深入探討了高等教育教學(xué)改革.但這種教學(xué)方式對(duì)專業(yè)教師提出了新的要求，教師必須有計(jì)算流體力學(xué)的理論基礎(chǔ)及熟練操作使用數(shù)值計(jì)算軟件的能力，希望本文能為這一方向的教師提供參考和思路.

1謝翠麗,倪玲英.《工程流體力學(xué)》本科課程引入 CFD教學(xué)的探討.力學(xué)與實(shí)踐,2013,35(3):91-93

2王東屏，賈穎，欒志博.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)在流體力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用.教育現(xiàn)代化,2016,34:146-148

O351

A

10.6052/1000-0879-17-160

2017-05-16收到第1稿，2017-06-03收到修改稿.

1)謝翠麗,博士，副教授，主要研究方向?yàn)楹Ｑ笥蜌夤こ?、流體力學(xué).E-mail:xiecl@upc.edu.cn

謝翠麗,倪玲英.計(jì)算流體力學(xué)在工程流體力學(xué)課程中的應(yīng)用與實(shí)踐.力學(xué)與實(shí)踐,2017,39(5):503-505

Xie Cuili,Ni Lingying.Application of CFD in engineering fluid mechanics class and practice.Mechanics in Engineering,2017,39(5):503-505

(責(zé)任編輯:胡 漫)