Fluent模擬解決中學(xué)物理中流體壓強(qiáng)的相關(guān)問題

關(guān)善超

(蘇州市陽山實(shí)驗(yàn)初級中學(xué)校 江蘇 蘇州 215151)

流體壓強(qiáng)相關(guān)內(nèi)容的教學(xué)在中學(xué)物理教學(xué)中是個(gè)難點(diǎn).因?yàn)槠潆y以直接測量和觀察的特點(diǎn)，常規(guī)的教學(xué)及實(shí)驗(yàn)存在著一些難以處理的問題.如學(xué)生對流體內(nèi)部壓強(qiáng)分布只能通過對定性實(shí)驗(yàn)的觀察作出想象，限于中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)條件，很難定量研究.而流體流速和壓強(qiáng)的關(guān)系也是單單通過幾個(gè)簡單的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象得出結(jié)論，并沒有實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.實(shí)驗(yàn)條件不足的客觀事實(shí)造成教師只能是巧婦難為無米之炊，學(xué)生只能似懂非懂，強(qiáng)記結(jié)論.

在著眼提升學(xué)生物理核心素養(yǎng)的大背景下，讓學(xué)生更加全面地理解、掌握和應(yīng)用所學(xué)的知識，從不同角度激發(fā)學(xué)生的內(nèi)在學(xué)習(xí)潛能和學(xué)習(xí)興趣，是一線教師所必須解決的問題[1].在中學(xué)實(shí)驗(yàn)條件相對落后，經(jīng)費(fèi)不足的條件下，對于一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象難以觀察的實(shí)驗(yàn)，數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)不失為一種非常好的方法，這極大地豐富了中學(xué)物理教學(xué)的技術(shù)手段[2,3].模擬結(jié)果通過圖片和動畫的方式直觀呈現(xiàn)，即節(jié)省了實(shí)驗(yàn)成本，又得到了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，為突破中學(xué)物理教學(xué)中的重難點(diǎn)和非常規(guī)實(shí)驗(yàn)，提供了一種有效的新選擇[4,5].本文運(yùn)用Fluent軟件對流體壓強(qiáng)教學(xué)中遇到的兩個(gè)問題進(jìn)行模擬，將模擬過程具體呈現(xiàn)，以期對一線教學(xué)有所幫助.

1 液體內(nèi)部壓強(qiáng)模擬

建立一個(gè)左右直徑不相同的連通器，通過觀察連通器中水最終的平衡狀態(tài)，幫助學(xué)生理解液體內(nèi)部壓強(qiáng)的相關(guān)知識，突破錯誤前概念.

1.1 導(dǎo)入模型

打開Fluent軟件，導(dǎo)入用Gambit建好的連通器模型.如圖1所示，左側(cè)圓管直徑2 cm，右側(cè)圓管直徑1 cm，高30 cm的連通器.

圖1 連通器模型

1.2 過程設(shè)置

在general中設(shè)置時(shí)間為瞬態(tài)，引力系數(shù)為-9.8.

在models中設(shè)置多相流模型為VOF，湍流模型為k-epsilon.

在Materals中添加材料，添加兩種材料分別為液態(tài)水和空氣.

在Phases中設(shè)置主相為空氣，第二相為液態(tài)水.

1.3 求解器設(shè)置

進(jìn)入Solution Methods設(shè)置求解器.設(shè)置壓強(qiáng)速度耦合求解模式為SIMPLE.進(jìn)入Solution Initialization，選擇從所有區(qū)域進(jìn)行計(jì)算，點(diǎn)擊進(jìn)行初始化.接著設(shè)置液態(tài)水區(qū)域.用Patch把液態(tài)水添加在定義好的區(qū)域中.最后，進(jìn)入Run Calculation，定義每個(gè)時(shí)間步為0.01 s，計(jì)算400步.點(diǎn)擊Calculate進(jìn)行求解計(jì)算，耐心等待計(jì)算結(jié)果.

1.4 結(jié)果分析

計(jì)算結(jié)果在Results中進(jìn)行查看，可以在Graphics and Animations中查看計(jì)算結(jié)果云圖(圖2和圖3)和生成動畫視頻.

(a)

(b)

圖3 壓強(qiáng)云圖

通過觀察水和空氣分布云圖可知，水在容器中最終穩(wěn)定后左右兩邊高低相同，并非學(xué)生所想的直徑大的水面低，直徑小的水面高.進(jìn)一步觀察壓強(qiáng)云圖，可直觀地發(fā)現(xiàn)深度越深，壓強(qiáng)越大.壓強(qiáng)云圖呈現(xiàn)層狀分布，同一深度，壓強(qiáng)相等，與管子直徑無關(guān)，只和深度有關(guān).

2 流體流速與壓強(qiáng)關(guān)系模擬

建立一個(gè)粗細(xì)變化的流管，水從左側(cè)流入，右側(cè)流出.通過比較管內(nèi)流體流速和壓強(qiáng)的大小，加深理解流體流速與壓強(qiáng)的關(guān)系.

2.1 導(dǎo)入模型

導(dǎo)入建好的模型并劃分網(wǎng)格，入口直徑10 cm，管長70 cm，如圖4所示.

圖4 建立模型

2.2 過程設(shè)置

在general中設(shè)置時(shí)間為穩(wěn)態(tài).

在models中設(shè)置湍流模型為k-epsilon.

在Materals中添加材料液態(tài)水.

在Boundary conditions中設(shè)置邊界條件，入口上施加一個(gè)大氣壓的壓強(qiáng)，出口設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓出口.

2.3 求解器設(shè)置

求解器設(shè)置過程同1.3所示.設(shè)置完畢，進(jìn)入Run Calculation，計(jì)算1 000步，點(diǎn)擊Calculate進(jìn)行求解計(jì)算.

2.4 結(jié)果分析

在Results中查看速度云圖(圖5)和壓力云圖(圖6).

圖5 速度云圖

圖6 壓力云圖

通過云圖可以發(fā)現(xiàn)，流管直徑變窄處流速明顯增大.同時(shí)對比壓力云圖可知流速越快則壓強(qiáng)越小.為了更清楚地得出結(jié)論，可選擇流管中相同位置坐標(biāo)的一組數(shù)據(jù)，并畫出其速度-位置關(guān)系圖(圖7)和壓強(qiáng)-位置關(guān)系圖(圖8).

圖7 速度-位置關(guān)系圖

圖8 壓強(qiáng)-位置關(guān)系圖

下面對圖7和圖8作對比分析，它們分別是流體速度與位置的關(guān)系，和流體內(nèi)壓強(qiáng)與位置的關(guān)系.由圖7和圖8可直觀發(fā)現(xiàn)，速度小的位置對應(yīng)的壓強(qiáng)就大，速度大的位置對應(yīng)的壓強(qiáng)就小，進(jìn)而得出穩(wěn)定流體遵從的規(guī)律：流體流速越大的位置其壓強(qiáng)越小，流速越小的位置其壓強(qiáng)越大.

3 結(jié)束語

使用Fluent模擬解決流體內(nèi)部壓強(qiáng)問題和流體流速與壓強(qiáng)的關(guān)系兩個(gè)問題有其獨(dú)特的優(yōu)勢，在所繪制的速度-位置關(guān)系圖和壓強(qiáng)-位置圖上可直觀得出某位置的流速和壓強(qiáng)，不但彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)器材不足的缺點(diǎn)，更能做到自主設(shè)計(jì)所需實(shí)驗(yàn).讓學(xué)生更加直觀生動地觀察實(shí)驗(yàn)，內(nèi)化所學(xué)知識.從定性分析上升到定量分析，提高學(xué)生通過分析圖像和數(shù)據(jù)得出結(jié)論的能力，全面提高學(xué)生的物理核心素養(yǎng)，為攻克流體壓強(qiáng)教學(xué)重難點(diǎn)提供一種新的教學(xué)思路.