計算流體力學(xué)軟件在流體力學(xué)專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用分析

毛明明 山東理工大學(xué)交通與車輛工程學(xué)院

流體力學(xué)是一門重要課程，在教學(xué)中融合計算流體力學(xué)軟件可以提升教學(xué)質(zhì)量，踐行課程改革要求。通過軟件教學(xué)可以通過讓學(xué)生自己進行軟件操作的方式分析數(shù)值信息，理解理論與實踐知識的目的。對此，在實踐中要深入分析計算流體力學(xué)軟件在流體力學(xué)教學(xué)中的具體應(yīng)用。

一、計算流體力學(xué)軟件在流體力學(xué)專業(yè)教學(xué)應(yīng)用準備

編制指導(dǎo)手冊，模擬建模流程可以為學(xué)生學(xué)習(xí)操作提供有效的參考與支持，也為流體力學(xué)專業(yè)教學(xué)中計算流體力學(xué)軟件的應(yīng)用提供了規(guī)范參考。

（一）編制指導(dǎo)手冊。FLUENT軟件簡單便捷，在應(yīng)用中為了使學(xué)生快速的了解，熟悉應(yīng)用軟件，可以通過軟件進行簡單的模擬處理，要根據(jù)實際狀況以及要求編制模擬手冊，通過手冊描述案例，讓學(xué)生了解模擬過程，根據(jù)具體的步驟要求進行建模處理，劃分網(wǎng)格，計算以及后處理等等。通過對基本方程、差分格式以及湍流模型等因素的介紹，讓學(xué)生了解所有的流動。在FLUENT中對求解質(zhì)量以及動量守恒方程進行了分析，針對傳熱以及可壓性的流動要適當?shù)脑黾幽芰渴睾惴匠蹋槍M分混合或者其化學(xué)反應(yīng)流動的問題則要通過添加組分守恒方程的方式進行處理等等。

（二）模擬流程。為了讓學(xué)生快速的掌握前處理、核心求解以及數(shù)據(jù)生成、后處理等相關(guān)流程操作，通過設(shè)置二維障礙通道中流動的方式，讓學(xué)生充分的了解集合建模、網(wǎng)格構(gòu)造、邊界條件設(shè)定等相關(guān)過程，讓學(xué)生了解流體在流動中的速度矢量分布。

學(xué)生通過流程，模擬的方式可以充分的了解流動狀態(tài)，分析理解了伯努利方程的基本原理，了解重點知識內(nèi)容。在模擬中學(xué)生通過嘗試增加障礙物尺寸、調(diào)整位置等方式觀察擾動影響，充分的了解其重點知識內(nèi)容。

二、計算流體力學(xué)軟件在流體力學(xué)專業(yè)教學(xué)應(yīng)用實踐

通過CFD軟件進行仿真教學(xué)，根據(jù)由簡單到難的順序進行內(nèi)容編排。在教學(xué)中根據(jù)流體力學(xué)理論以及傳熱學(xué)習(xí)理論為基礎(chǔ)，融合二維流動的案例，讓學(xué)生了解掌握建模與計算機的框架以及操作步驟；拓展問題，在三維流動數(shù)值模擬角度進行分析，引導(dǎo)學(xué)生進行實踐操作，在鞏固數(shù)值仿真操作流程基礎(chǔ)之上，加強對后處理方法的介紹，讓學(xué)生在操作中掌握CFD軟件的模擬方法與手段。

（一）建立計算模型。傳熱學(xué)以及流體力學(xué)均屬于實驗科學(xué)，就是通過總結(jié)前人的實驗結(jié)果，基于規(guī)律性了基礎(chǔ)之上，利用CFD數(shù)值模擬，通過計算機進行仿真實驗，解決在工程中存在的流體力學(xué)以及傳熱學(xué)的問題。在解決問題的中必須要具有扎實的數(shù)學(xué)以及物力基本知識，可以將實際的抽象的問題轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)學(xué)模型，要根據(jù)實際的流體以及傳熱物理場進行建模處理，根據(jù)后續(xù)計算機數(shù)值進行求解，分析結(jié)果。例如，可以通過流體力學(xué)基本物理現(xiàn)象演示。CFD軟件通過分析獲得不同初、邊值條件直線流體控制方程進行求解，通過控制方程達到控制物流運動特征的目的，可以真實反映流體運動的物理規(guī)律特征。對此，在流體力學(xué)教學(xué)中一些關(guān)鍵的物理現(xiàn)象可以利用CFD技術(shù)進行分析處理，通過可視化的方式展示。在流體粘性作用之下，繞流物體他表面一般都會緊貼在物面較薄的區(qū)域，此層區(qū)域則稱之為邊界層。通過這種建模的方式，可以讓學(xué)生了解各種關(guān)鍵的物理現(xiàn)象。

在建模中通過GAMBIT模擬建立，通過軟件建模的方式讓學(xué)生熟練了解各個環(huán)節(jié)的面板操作，可以掌握建模關(guān)鍵技術(shù)。

（二）通過求解器進行求解處理。進行基礎(chǔ)理論知識處理，對研究的對象通過微分方程的方式進行描述，通過將高階方程轉(zhuǎn)化為可以求解的線性方程組方可進行計算。在推導(dǎo)過程中設(shè)計的工程量較大，在推導(dǎo)中根據(jù)假設(shè)進行簡化處理，整體上來說，理論求解過程過于復(fù)雜，學(xué)生缺乏主觀的積極性。而通過FLUENT進行軟件方程求解處理，通過計算機的方式進行過程處理，學(xué)生通過軟件進行處理，確定流體材料、物理屬性以及具體的邊界條件，選擇符合流體的方程、確定求解器，對其進行簡單直觀的處理，進而便于理解以及操作。

（三）計算結(jié)果后處理。FLUENT軟件具有較為強大的后處理功能，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化處理，具有直觀的功能，可以根據(jù)定義顯示面直接給出計算結(jié)果，通過不同顏色可以表示速度矢量圖、壓力場以及溫度場的具體流動參數(shù)。通過軟件可以實現(xiàn)對某一時刻的穩(wěn)態(tài)場進行直觀的顯示分析，通過流線進行動畫顯示，進而充分的了解在問題中流體流動的具體狀況。

通過計算流體力學(xué)軟件在流體力學(xué)專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用，通過計算機進行數(shù)值模擬你分析，有效的提升了學(xué)生的實踐能力以及應(yīng)用能力。利用直觀的方式開展教學(xué)有效的增強了學(xué)生的積極性。在課堂教學(xué)中合理利用計算流體力學(xué)軟件可以有效的拓展教學(xué)模式與手段，在多媒體等技術(shù)手段的支持之下實現(xiàn)了教學(xué)內(nèi)容的模擬，通過可視化的方式為學(xué)生的學(xué)習(xí)研究提供了參考與支持。學(xué)生在實踐中根據(jù)實際問題進行物理模型的提取，確定流體傳動以及傳熱的方程，分析了解流動以及傳熱的各項流動性參數(shù)，利用數(shù)值模擬的方式可以掌握理論知識解決實際工程的方式。利用分析、建模以及數(shù)值模擬的方式可以有效的發(fā)現(xiàn)問題，在實踐探究中通過物理模型修改的方式可以完善解決方案，這樣可以有效的加深理論知識，達到提升教學(xué)質(zhì)量的目的。

結(jié)束語：通過計算流體力學(xué)軟件在流體力學(xué)專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用可以有效的提升學(xué)生的實踐操作能力，有利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合素養(yǎng)。在教學(xué)中，教師要根據(jù)實際狀況以及需求，整合現(xiàn)有教學(xué)資源，通過現(xiàn)代化的方式開展，這樣才可以達到提升教學(xué)質(zhì)量的目的。