CFD數(shù)值試驗(yàn)在流體力學(xué)課程教學(xué)中的應(yīng)用

周大慶　鐘淋涓　劉衛(wèi)東　鄭源

摘要：本文提出將先進(jìn)的CFD數(shù)值試驗(yàn)方法引入工程流體力學(xué)的教學(xué)中，生動(dòng)、形象地展示了彎管流動(dòng)以及翼型繞流兩種典型的流動(dòng)現(xiàn)象，將抽象的概念與理論轉(zhuǎn)為可視化的流動(dòng)圖像，直觀地揭示了流場(chǎng)特性，并結(jié)合理論公式進(jìn)行講授，促進(jìn)了學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)點(diǎn)的深入理解，對(duì)工程流體力學(xué)理論教學(xué)形成有益補(bǔ)充，從而達(dá)到激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，改善教學(xué)效果的目的。

關(guān)鍵詞：工程流體力學(xué)；CFD數(shù)值試驗(yàn)；教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）30-0194-03

一、工程流體力學(xué)課程的特點(diǎn)

不同學(xué)科往往具有共同的理論基礎(chǔ)，“工程流體力學(xué)”已經(jīng)成為工業(yè)自動(dòng)化專業(yè)、熱動(dòng)專業(yè)、制冷專業(yè)以及化工、石油、冶金等專業(yè)必修的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，它是繼理論力學(xué)、材料力學(xué)之后，又一門概念眾多、理論體系嚴(yán)密的力學(xué)課程。該課程有些知識(shí)點(diǎn)涉及推導(dǎo)方程式、一些則涉及不易理解的概念，師生難以互動(dòng)，課堂氣氛不活躍，教與學(xué)都存在很大的難度，導(dǎo)致“工程流體力學(xué)”的教學(xué)效果不佳。同時(shí)，該課程試驗(yàn)較多，其中不少是演示性試驗(yàn)，如雷諾試驗(yàn)、卡門渦街、靜壓力特性、動(dòng)量方程、伯努利方程、水擊、局部損失等。這些水力學(xué)試驗(yàn)可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，但有限的試驗(yàn)無法涵蓋所有的知識(shí)點(diǎn)。如何利用科技進(jìn)步條件，使學(xué)生在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)掌握流體力學(xué)的基本理論與流動(dòng)現(xiàn)象的本質(zhì)，是亟待解決的一個(gè)問題。

二、CFD的簡(jiǎn)介及其應(yīng)用

近來年，隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的進(jìn)步，計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，簡(jiǎn)稱CFD）作為流體力學(xué)的一個(gè)分支，發(fā)展迅速，日益得到廣泛的應(yīng)用[1]。CFD技術(shù)是通過流體力學(xué)的基本理論，結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)和圖像顯示，對(duì)包含有流體流動(dòng)和傳熱等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)所做的分析。CFD方法可以看作是利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行各種數(shù)值試驗(yàn)，同傳統(tǒng)的物理模型試驗(yàn)相比較，CFD不受場(chǎng)地、儀器、環(huán)境、資金等多因素限制，因而有較多的靈活性，很容易模擬特殊尺寸、高溫、有毒、易燃等真實(shí)條件和物理模型試驗(yàn)只能接近而無法達(dá)到的理想條件[2]。隨著CFD數(shù)值模擬方法的不斷發(fā)展，對(duì)于工程中常見的流動(dòng)現(xiàn)象，過去只能靠試驗(yàn)手段才能得到的某些結(jié)果，現(xiàn)在已經(jīng)完全可以借助于CFD技術(shù)的數(shù)值模擬來準(zhǔn)確獲取[3-6]。因此，可以考慮在工程流體力學(xué)的教學(xué)中，將某些流動(dòng)問題通過CFD模擬，直觀展示流動(dòng)現(xiàn)象，從而將抽象的概念、理論變成形象的畫面，便于學(xué)生對(duì)所學(xué)內(nèi)容地深入理解，也利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

三、CFD模擬在工程流體力學(xué)中的應(yīng)用實(shí)例

教材中流線的定義為：“流線是指某一時(shí)刻流場(chǎng)中的一條空間曲線，曲線上所有流體質(zhì)點(diǎn)的速度矢量都與這條流線相切”，“在流場(chǎng)中繪出的一系列流線，稱為流線簇”。在講授了速度場(chǎng)、流線與跡線基本理論之后，學(xué)生反映概念比較抽象，不容易理解。為了加強(qiáng)學(xué)生對(duì)基本理論的理解，分別對(duì)在工程計(jì)算中比較典型的兩個(gè)問題：彎管流動(dòng)、翼型繞流進(jìn)行數(shù)值模擬。

1.彎管流動(dòng)。圖1為講授流體彎管流動(dòng)問題所采用的教學(xué)案例。設(shè)計(jì)一90°圓形截面彎管，尺寸如圖1所示。管路里充滿水，設(shè)定進(jìn)口流度v0=0.2m/s。需要求解彎管內(nèi)的流速和壓力分布以及流態(tài)的變化趨勢(shì)。圖2表示彎管流動(dòng)計(jì)算的三維模型及其網(wǎng)格示意圖。

對(duì)“場(chǎng)”概念的講解，關(guān)鍵在于能給開始學(xué)習(xí)流體力學(xué)的學(xué)生對(duì)有一個(gè)直觀而且深刻的印象的。圖3則能很生動(dòng)表明跡線就是流體質(zhì)點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)過程中所經(jīng)歷的路徑，在接下來講解流線與跡線的異同點(diǎn)時(shí)，學(xué)生可以對(duì)比分析加深理解。圖4、5為利用CFD求解彎管流動(dòng)時(shí)，將典型截面的速度矢量圖與壓強(qiáng)分布圖一起輸出，那么整個(gè)彎管流動(dòng)過程中壓強(qiáng)及速度的變化過程就非常直觀了?？梢钥吹疆?dāng)引水流道中水流流經(jīng)彎管時(shí)，由于離心力的作用，水流對(duì)外側(cè)壁面施加正向的壓力，對(duì)彎管內(nèi)側(cè)則有負(fù)向的牽引力，沿離心力方向壓力增加而流速減小，流速分布從外側(cè)向內(nèi)側(cè)遞增而壓力分布則從外側(cè)向內(nèi)側(cè)遞減明顯，相對(duì)于教科書理想化的表示，CFD數(shù)值模擬的結(jié)果能夠更加真實(shí)地反映彎管流動(dòng)的特點(diǎn)。還可以讓學(xué)生調(diào)節(jié)入口流速、邊壁粗糙度以及模型尺寸等參數(shù)，查看這些參數(shù)的變化對(duì)彎管流動(dòng)的影響。

2.翼形繞流。圖6為講解流體翼型繞流問題所采用的教學(xué)案例。該案例中流體介質(zhì)為空氣。

圖7至圖9分別顯示了在來流攻角為0°、30°和-30°時(shí)，翼型周圍的空氣流速分布和尾部旋渦區(qū)。當(dāng)攻角為±30°時(shí)氣體均在翼型表面發(fā)生了脫流，形成了旋渦。由于流動(dòng)分離，減小翼型上下表面的壓力差導(dǎo)致了升力下降，能量在旋渦區(qū)耗散，即產(chǎn)生了所謂的失速現(xiàn)象。通過有限的課堂教學(xué)案例，激發(fā)起學(xué)生的興趣，引導(dǎo)學(xué)生動(dòng)手修改模型尺寸和安放角度，改變來流速度等邊界條件，探索和思考失速的原因和避免方法，從而理解和掌握課堂知識(shí)。對(duì)于能力突出的學(xué)生，可以提供給他們與工程實(shí)際相近的復(fù)雜模型用于模擬計(jì)算，以提高他們獨(dú)立科研與分析解決問題的能力。

四、結(jié)論及展望

正如錢學(xué)森先生所說，“展望21世紀(jì)，力學(xué)加計(jì)算機(jī)將成為工程設(shè)計(jì)的主要手段”。因此，對(duì)于一些流體運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象及規(guī)律采用CFD方法進(jìn)行可視化后應(yīng)用于課堂教學(xué)當(dāng)中，進(jìn)一步拓展了現(xiàn)有的多媒體技術(shù)教學(xué)手段，有利于學(xué)生加深對(duì)流場(chǎng)的理解，拓寬知識(shí)面，提高學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力與工程素養(yǎng)，是工程流體力學(xué)課程建設(shè)的需要和發(fā)展趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)：

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