Fluent軟件在能源與動(dòng)力工程專(zhuān)業(yè)課教學(xué)中的應(yīng)用探索

趙麗娟 賈培英 楊賀緒

摘??要：能源與動(dòng)力工程專(zhuān)業(yè)課理論性強(qiáng)、難度大、學(xué)生學(xué)習(xí)起來(lái)困難。本文將Fluent軟件引入能源與動(dòng)力工程專(zhuān)業(yè)課教學(xué)中，分析了Fluent軟件與專(zhuān)業(yè)課結(jié)合的現(xiàn)狀，提出了Fluent軟件在專(zhuān)業(yè)課中應(yīng)用的步驟，并結(jié)合案例說(shuō)明了Fluent軟件在專(zhuān)業(yè)課中應(yīng)用的可行性。將Fluent軟件引入能源與動(dòng)力工程專(zhuān)業(yè)課的教學(xué)中，不僅可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，還可以培養(yǎng)學(xué)生解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力，為我們推進(jìn)教學(xué)改革提供了一定的思路。

關(guān)鍵詞：Fluent軟件;專(zhuān)業(yè)課;教學(xué)

隨著高等教育教學(xué)應(yīng)用型改革和發(fā)展的需要，我校能源與動(dòng)力工程專(zhuān)業(yè)開(kāi)始致力于培養(yǎng)立足于社會(huì)，服務(wù)于地方經(jīng)濟(jì)，面向全國(guó)的應(yīng)用型人才，要求學(xué)生不僅要有非常扎實(shí)的基本知識(shí)，還要具備利用自己所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。傳熱學(xué)、流體力學(xué)、汽輪機(jī)原理、鍋爐原理與構(gòu)造、泵與風(fēng)機(jī)等課程是能源與動(dòng)力工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生必修的課程，這些課程理論性較強(qiáng)，內(nèi)容難度較大，集理論性、抽象性和實(shí)踐性為一體，具有理論抽象、實(shí)踐操作技能性強(qiáng)的特點(diǎn)。在實(shí)際教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，由于學(xué)生缺乏實(shí)踐經(jīng)歷，僅僅停留在理論理解層面上，難以與工程實(shí)際結(jié)合起來(lái)，學(xué)生普遍學(xué)習(xí)興趣不高。另外有些實(shí)踐環(huán)節(jié)流于形式，學(xué)生走馬觀花，未能真正掌握和理解實(shí)踐課的內(nèi)容，不利于學(xué)生實(shí)踐應(yīng)用能力的提高。

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)水平的不斷提高，將計(jì)算機(jī)模擬與傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式結(jié)合起來(lái)，將Fluent軟件數(shù)值模擬仿真運(yùn)用在能源與動(dòng)力工程多門(mén)課程的教學(xué)中，將能源與動(dòng)力工程各專(zhuān)業(yè)課程緊密結(jié)合起來(lái)，通過(guò)這樣的教學(xué)改革，調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，提升學(xué)生解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力。

1?Fluent軟件與專(zhuān)業(yè)課教學(xué)結(jié)合的現(xiàn)狀分析

Fluent軟件用來(lái)模擬求解具有復(fù)雜外形的流體流動(dòng)、熱傳導(dǎo)、熱傳遞、化學(xué)反應(yīng)等相關(guān)問(wèn)題。Fluent軟件以其在非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的基礎(chǔ)上提供豐富的物理模型而著稱(chēng)，提供了豐富的湍流模型;一系列對(duì)流、熱傳導(dǎo)及輻射的模型;與其他傳熱緊密聯(lián)系的汽蝕模型、可壓縮流體模型、熱交換器模型、濕蒸汽模型;復(fù)雜的多項(xiàng)流模型及化學(xué)反應(yīng)模型等，應(yīng)用范圍及其廣泛。

由于能源與動(dòng)力工程專(zhuān)業(yè)課難度較大，專(zhuān)業(yè)性較強(qiáng)，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高，教學(xué)效果不理想。將Fluent軟件引入專(zhuān)業(yè)課教學(xué)中，能夠生動(dòng)、形象的展示各種數(shù)值方法的計(jì)算結(jié)果，將抽象的概念、理論變成形象的畫(huà)面，并結(jié)合基礎(chǔ)理論進(jìn)行對(duì)比講解，加深學(xué)生對(duì)相應(yīng)知識(shí)的理解，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。于萍等[1]將Fluent軟件引入到工程流體力學(xué)教學(xué)中，更直觀的顯示流體的粘性效應(yīng)，教學(xué)效果較好。向夏楠[2]將Fluent軟件引入傳熱學(xué)的教學(xué)中，引入案例，提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。劉競(jìng)之[3]將Fluent軟件引入水利機(jī)械課程教學(xué)中，展示水利機(jī)械內(nèi)部工作狀態(tài)，提升學(xué)生學(xué)習(xí)效果。陳善群等[4]將Fluent軟件引入土建類(lèi)流體力學(xué)課程中，對(duì)一些典型流動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行數(shù)值模擬，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。黃茜等[5]將Fluent軟件引入油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專(zhuān)業(yè)課程教學(xué)中，借助圖形顯示功能，使學(xué)生直觀的觀察管道和設(shè)備內(nèi)的流動(dòng)情況，提升教學(xué)效果。楊秀萍等[6]將Fluent軟件引入液壓傳動(dòng)教學(xué)中，直觀展示了流體在元件內(nèi)部的流動(dòng)情況，加強(qiáng)了教學(xué)與工程應(yīng)用之間的有機(jī)結(jié)合。

近年來(lái)，F(xiàn)luent軟件廣泛的應(yīng)用于本科教學(xué)中，直觀的反應(yīng)流場(chǎng)流動(dòng)的情況，清晰的展示流體機(jī)械內(nèi)部的流體流動(dòng)，達(dá)到提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效果的目的。能源與動(dòng)力工程各門(mén)專(zhuān)業(yè)課緊密相連，引入Fluent軟件，不僅可以模擬單一知識(shí)點(diǎn)，還可以將各門(mén)課程知識(shí)串聯(lián)起來(lái)，使學(xué)生更深層次的掌握所學(xué)內(nèi)容。

2?Fluent軟件與能動(dòng)專(zhuān)業(yè)課結(jié)合的步驟

能源與動(dòng)力工程專(zhuān)業(yè)課程聯(lián)系密切，從熱力學(xué)、流體力學(xué)，傳熱學(xué)這些專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課到汽輪機(jī)原理、鍋爐原理與構(gòu)造、泵與風(fēng)機(jī)、換熱器原理與設(shè)計(jì)等專(zhuān)業(yè)課、環(huán)環(huán)相扣、息息相關(guān)，在專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課教學(xué)時(shí)，學(xué)生對(duì)整個(gè)專(zhuān)業(yè)知識(shí)比較缺乏，教師根據(jù)教學(xué)內(nèi)容可以采用教師上課展示或者可以指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行初步的模擬。沈冬梅等[7]在教學(xué)中講解流場(chǎng)等基本概念時(shí)，引入Fluent軟件，讓學(xué)生清晰的觀察到流場(chǎng)的速度場(chǎng)，教學(xué)效果較好。在專(zhuān)業(yè)課的教學(xué)中，學(xué)生已經(jīng)有了一定的積累，對(duì)軟件也有了一定的熟悉，教師可以引導(dǎo)，讓學(xué)生獨(dú)立完成。劉競(jìng)之[3]等運(yùn)用Fluent軟件模擬流體機(jī)械內(nèi)部流場(chǎng)，加深學(xué)生對(duì)流體機(jī)械的認(rèn)識(shí)，教學(xué)效果較好。

在教學(xué)過(guò)程中引入Fluent軟件，教師在教學(xué)過(guò)程中，給學(xué)生布置模塊任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生完成教學(xué)任務(wù)，圖1呈現(xiàn)了采用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)的步驟。將數(shù)值模擬過(guò)程分為前處理和后處理，前處理過(guò)程需要學(xué)生在課下完成。學(xué)生根據(jù)教師提供的教學(xué)任務(wù)，明確所涉及的知識(shí)點(diǎn)，初步確定幾何模型，確定模擬過(guò)程中需要哪些邊界條件，并采用相關(guān)軟件建模及劃分網(wǎng)格。后處理過(guò)程需要教師和學(xué)生共同在課上完成，課上經(jīng)過(guò)教師的分析講解，學(xué)生在課上設(shè)置邊界條件，設(shè)置求解參數(shù)，運(yùn)行處理，分析結(jié)果，學(xué)生課下完成分析報(bào)告。

將Fluent軟件引入到教學(xué)過(guò)程中，存在的最大問(wèn)題是學(xué)生對(duì)軟件學(xué)習(xí)困難，不熟練，模擬時(shí)間長(zhǎng)，占用課堂時(shí)間。為了方便在教學(xué)過(guò)程中學(xué)生能盡快熟悉軟件，學(xué)會(huì)初步的使用，我們編寫(xiě)了仿真實(shí)例指導(dǎo)書(shū)，并將操作過(guò)程錄制視頻，供學(xué)生課下學(xué)習(xí)。同時(shí)，

由于時(shí)間限制，教師發(fā)布教學(xué)任務(wù)時(shí)要考慮模擬求解所用的時(shí)間，盡量都采用二維簡(jiǎn)單的模型，網(wǎng)格數(shù)量少，盡量在課堂完成。對(duì)于不同工況的模擬，教師可以將學(xué)生分組，分項(xiàng)目進(jìn)行模擬，最終匯總對(duì)比結(jié)果。

3?案例分析

Fluent軟件在能源與動(dòng)力工程多門(mén)專(zhuān)業(yè)課中都得到了應(yīng)用，本文以泵與風(fēng)機(jī)課程為例，講解關(guān)于離心泵內(nèi)部的流場(chǎng)速度壓力的變化情況。

在上課之前，布置教學(xué)任務(wù)。需要模擬離心泵內(nèi)部的流場(chǎng)變化情況，需要分析離心泵工作時(shí)內(nèi)部流場(chǎng)速度和壓力的變化規(guī)律。已知離心泵的流量、轉(zhuǎn)速、葉輪直徑、輪轂直徑、葉片數(shù)，通過(guò)計(jì)算得到幾何模型，并完成建模，并導(dǎo)入Fluent軟件，課前將學(xué)生進(jìn)行分組，學(xué)生通過(guò)小組合作，共同完成作業(yè)，每組學(xué)生的數(shù)據(jù)都不一樣，學(xué)生根據(jù)自己小組的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，教師將提前關(guān)于離心泵建模的相關(guān)視頻錄制好，發(fā)給學(xué)生提前學(xué)習(xí)。學(xué)生課下完成的作業(yè)如圖2所示。