CFD模擬技術(shù)在“流體力學(xué)”實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中的應(yīng)用

摘 要：隨著CFD模擬技術(shù)的不斷成熟與發(fā)展，其在“工程流體力學(xué)泵與風(fēng)機(jī)”實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中的應(yīng)用逐漸受到關(guān)注。本文通過(guò)揭示傳統(tǒng)教學(xué)程序的不足，搭建了基于虛擬仿真技術(shù)現(xiàn)代化背景的教學(xué)模式。從CFD模擬技術(shù)的相關(guān)理論出發(fā)，再到工程實(shí)例的列舉演示，最后形成完整系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，通過(guò)CFD模擬技術(shù)在實(shí)際工程中的應(yīng)用，直觀呈現(xiàn)了流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律和現(xiàn)象，提高了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。CFD模擬技術(shù)在“工程流體力學(xué)泵與風(fēng)機(jī)”實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中具有至關(guān)重要的作用，并為未來(lái)該技術(shù)在流體力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用提供了有益參考。

關(guān)鍵詞：CFD模擬技術(shù)；流體力學(xué)；泵與風(fēng)機(jī)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

“工程流體力學(xué)泵與風(fēng)機(jī)”作為高校中能源動(dòng)力、土木工程、石油化工、航空航天等專(zhuān)業(yè)的一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，理論知識(shí)抽象復(fù)雜，概念原理晦澀難懂；而“計(jì)算流體力學(xué)”則被更加廣泛地列入了農(nóng)業(yè)工程、水利工程、環(huán)境工程、生物醫(yī)學(xué)工程等學(xué)科的研究生課程中，因此作為各專(zhuān)業(yè)最重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課之一，“流體力學(xué)”是一門(mén)不可忽視的重要課程。在“流體力學(xué)”實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中，傳統(tǒng)的教學(xué)方法往往以理論知識(shí)的講授和實(shí)驗(yàn)操作的演示為主。這種方法雖然能夠?yàn)閷W(xué)生提供一定的理論與實(shí)踐基礎(chǔ)，但由于受到實(shí)驗(yàn)條件、設(shè)備以及時(shí)間的限制，其效果并不盡如人意。隨著近年來(lái)科技飛速發(fā)展、高新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)也需要注入新穎獨(dú)創(chuàng)的精神去推進(jìn)高等教育現(xiàn)代化的腳步，培養(yǎng)具有舉一反三、觸類(lèi)旁通、創(chuàng)造力豐富的新時(shí)代創(chuàng)新人才［12］。

CFD（計(jì)算流體力學(xué)）模擬技術(shù)起源于20世紀(jì)60年代，是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展而興起的一門(mén)學(xué)科。它通過(guò)數(shù)值方法求解流體動(dòng)力學(xué)方程組，以模擬和分析流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)流體現(xiàn)象的深入理解和預(yù)測(cè)。CFD模擬技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面展現(xiàn)出了顯著優(yōu)勢(shì)，在傳統(tǒng)的“工程流體力學(xué)泵與風(fēng)機(jī)”實(shí)驗(yàn)課程中，學(xué)生通常只能通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)備觀察流體流動(dòng)的宏觀現(xiàn)象，難以深入探究其內(nèi)在機(jī)理。而引入CFD模擬技術(shù)后，學(xué)生可以在計(jì)算機(jī)上模擬各種復(fù)雜的流體流動(dòng)場(chǎng)景，直觀地觀察并分析流體的微觀行為。這種教學(xué)方式不僅增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的趣味性和互動(dòng)性，還大大提高了學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力［3］。同時(shí)，CFD模擬技術(shù)的引入也為“工程流體力學(xué)泵與風(fēng)機(jī)”課程的教學(xué)改革提供了新的思路，通過(guò)結(jié)合CFD模擬技術(shù)與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，教師可以設(shè)計(jì)出更加豐富多樣的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，從而更好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性。因此，本文將CFD模擬技術(shù)引入該實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中，是一種富有成效的教學(xué)改革嘗試，值得進(jìn)一步推廣和實(shí)踐。

1 CFD模擬技術(shù)的相關(guān)理論

CFD模擬技術(shù)的基本原理在于通過(guò)數(shù)值方法求解流體運(yùn)動(dòng)的基本方程，這些方程包括連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程以及能量守恒方程，這些方程精確描述了流體在時(shí)間和空間上的動(dòng)態(tài)行為。借助先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，通過(guò)方程的求解，從而得到流體在各個(gè)位置和時(shí)間的速度、壓力和溫度等關(guān)鍵物理量的分布情況。CFD模擬技術(shù)的精確性在很大程度上依賴(lài)于所使用的數(shù)值方法和計(jì)算網(wǎng)格的精細(xì)度。例如，在模擬固體/液體懸浮液中的流體流動(dòng)時(shí)，需要使用高網(wǎng)格分辨率和先進(jìn)的湍流模型，以確保模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。這也反映了CFD模擬技術(shù)的復(fù)雜性和專(zhuān)業(yè)性，要求使用者需要具備扎實(shí)的理論基礎(chǔ)和計(jì)算能力。

在CFD模擬技術(shù)中，數(shù)值模擬方法與算法占據(jù)著核心地位。這些方法不僅決定了模擬的精度和效率，還直接影響到模擬結(jié)果的可靠性和實(shí)用性。常用的數(shù)值模擬方法主要包括有限體積法（Finite Volume Method，F(xiàn)VM）、有限差分法（Finite Difference Method，F(xiàn)DM）和有限元法（Finite Element Method，F(xiàn)EM）。然而，流體動(dòng)力學(xué)的基本方程在CFD模擬技術(shù)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，它們不僅為CFD模擬技術(shù)提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，還使得我們能夠更加深入地理解和分析流體流動(dòng)現(xiàn)象。通過(guò)求解這些方程，CFD模擬技術(shù)能夠準(zhǔn)確地模擬出流體在各種復(fù)雜環(huán)境下的流動(dòng)狀態(tài)，為工程實(shí)踐提供有力的支持。

在實(shí)際應(yīng)用中，CFD模擬技術(shù)已被廣泛用于航空航天、汽車(chē)工程、能源與環(huán)境等領(lǐng)域。例如，在航空航天領(lǐng)域，CFD模擬技術(shù)可用于研究飛機(jī)機(jī)翼附近的流場(chǎng)特性，以?xún)?yōu)化機(jī)翼設(shè)計(jì)并提高飛行性能。在汽車(chē)工程領(lǐng)域，CFD模擬技術(shù)則可用于分析汽車(chē)車(chē)身周?chē)目諝饬鲃?dòng)情況，以降低風(fēng)阻并提高燃油經(jīng)濟(jì)性。這些應(yīng)用實(shí)例充分展示了流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)在CFD模擬技術(shù)中的重要性和實(shí)用價(jià)值。

2 CFD模擬技術(shù)在“工程流體力學(xué)泵與風(fēng)機(jī)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

2.1 CFD模擬技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的引入

在“工程流體力學(xué)泵與風(fēng)機(jī)”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，我們不可否認(rèn)的是，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)對(duì)于學(xué)生理解和掌握課程知識(shí)至關(guān)重要。然而，在實(shí)際的教學(xué)過(guò)程中，我們面臨著諸多挑戰(zhàn)，實(shí)驗(yàn)設(shè)備臺(tái)套數(shù)的不足、傳統(tǒng)講授演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的局限性、實(shí)驗(yàn)過(guò)程中存在的安全風(fēng)險(xiǎn)等，這些問(wèn)題都迫使我們急需尋找一種新的教學(xué)方法來(lái)改進(jìn)“工程流體力學(xué)泵與風(fēng)機(jī)”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)［4］。而CFD模擬技術(shù)的引入，便為我們提供了一個(gè)可行的解決方案。在“工程流體力學(xué)泵與風(fēng)機(jī)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，引入CFD模擬技術(shù)是一項(xiàng)富有創(chuàng)新性和實(shí)用性的舉措，我們可以在計(jì)算機(jī)上模擬出流體在泵與風(fēng)機(jī)等設(shè)備中的流動(dòng)情況，通過(guò)色彩豐富的流線(xiàn)圖、速度云圖等直觀表達(dá)，學(xué)生可以更加清晰地觀察到流體流動(dòng)的細(xì)節(jié)和變化規(guī)律，從而更深入地理解實(shí)驗(yàn)原理，提升對(duì)流體動(dòng)力學(xué)的認(rèn)知層次。這不僅可以解決實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足的問(wèn)題，還能幫助學(xué)生更深入地理解流體流動(dòng)的原理，提升他們的學(xué)習(xí)效果。同時(shí)，CFD模擬技術(shù)還能減輕教師的教學(xué)負(fù)擔(dān)，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率和質(zhì)量。隨著這一技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，我們有理由相信，它將在未來(lái)的工程教育領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用。

2.2 CFD模擬技術(shù)的應(yīng)用案例

2.2.1 泵的性能模擬與分析

泵作為流體力學(xué)課程重要的工程實(shí)例設(shè)備之一，在大部分生產(chǎn)、生活、科研領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，而CFD模擬技術(shù)就可以應(yīng)用于泵的性能分析中，通過(guò)選取某型號(hào)離心泵作為具體研究對(duì)象，旨在展示CFD模擬技術(shù)在模擬和分析復(fù)雜流體設(shè)備性能方面的強(qiáng)大能力。當(dāng)泵的葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)輸送流體時(shí)，內(nèi)部流動(dòng)極為復(fù)雜，表現(xiàn)出高速量級(jí)、轉(zhuǎn)置流動(dòng)方向和湍流強(qiáng)度。因此，闡明泵的流體動(dòng)力學(xué)特性，特別是瞬態(tài)特性曲線(xiàn)是很困難的研究，如何調(diào)整流動(dòng)條件或表面改性對(duì)于減輕泵的壁蝕和節(jié)能至關(guān)重要。然而，CFD數(shù)值模擬技術(shù)被廣泛應(yīng)用于流體在泵中的輸運(yùn)研究中，揭示了輸運(yùn)系統(tǒng)中復(fù)雜的流體動(dòng)力學(xué)和顆粒運(yùn)動(dòng)學(xué)，近期尤其在紊流模型方面取得了進(jìn)展。CFD模擬技術(shù)還可以用于預(yù)測(cè)離心泵在不同工況下的性能表現(xiàn)。通過(guò)改變?nèi)肟诹髁?、轉(zhuǎn)速等參數(shù)，我們可以模擬出離心泵在不同工況下的內(nèi)部流動(dòng)情況，并預(yù)測(cè)其性能曲線(xiàn)，這對(duì)于離心泵的選型和使用具有重要的指導(dǎo)意義。

CFD在模擬復(fù)雜現(xiàn)象方面得到了廣泛的應(yīng)用，龐大的泵機(jī)系統(tǒng)及其眾多分支領(lǐng)域都是CFD的重點(diǎn)研究對(duì)象，由于在這些機(jī)械內(nèi)發(fā)生了復(fù)雜的物理現(xiàn)象，CFD發(fā)展到現(xiàn)在也使用了各種方法去解決這些問(wèn)題，結(jié)果的精度更高，也最具有挑戰(zhàn)性。然而，目前還不能采用一種單一的方法來(lái)對(duì)這些應(yīng)用進(jìn)行CFD模擬，這主要是由于各種機(jī)器的內(nèi)在差異，內(nèi)在物理現(xiàn)象就是對(duì)CFD模擬的一個(gè)挑戰(zhàn)。高速旋轉(zhuǎn)的泵的空化現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致氣相的形成，蒸汽的形成不僅大大降低了容積效率，而且還造成了部件的磨損，導(dǎo)致機(jī)器的工作壽命縮短，這對(duì)泵的正常運(yùn)行是非常不利的，而對(duì)這一物理現(xiàn)象的CFD模擬則改進(jìn)了工業(yè)泵的發(fā)展。

總的來(lái)說(shuō)，通過(guò)選取離心泵內(nèi)部流場(chǎng)模擬作為工程案例，我們成功地展示了CFD技術(shù)與工程實(shí)踐的結(jié)合。這一技術(shù)不僅可以幫助我們深入了解離心泵的內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律和性能特點(diǎn)，還可以為泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)和性能改進(jìn)提供有力的支持。同時(shí)，這也為“工程流體力學(xué)泵與風(fēng)機(jī)”課程的教學(xué)提供了生動(dòng)的實(shí)例和有力的輔助手段。

2.2.2 風(fēng)機(jī)的流場(chǎng)模擬與優(yōu)化

風(fēng)機(jī)也是“流體力學(xué)”課程涉及的一個(gè)重要工業(yè)機(jī)械，應(yīng)用于諸多領(lǐng)域，如工業(yè)領(lǐng)域的冷卻散熱、物料輸送；建筑領(lǐng)域的通風(fēng)系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)；農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的作物干燥、溫室通風(fēng)；交通領(lǐng)域的車(chē)輛船舶、隧道通風(fēng)；以及消防排煙等眾多應(yīng)用實(shí)例。CFD模擬技術(shù)通過(guò)數(shù)值模擬，可以在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行性能預(yù)測(cè)和優(yōu)化，從而減少昂貴的實(shí)體實(shí)驗(yàn)次數(shù)，節(jié)省時(shí)間和成本。例如，在地鐵軸流風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)中，CFD模擬技術(shù)可以模擬不同轉(zhuǎn)速和安裝角度下的風(fēng)機(jī)性能，幫助設(shè)計(jì)師優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。地鐵軸流風(fēng)機(jī)因流量大、壓頭高和功率大等特點(diǎn)，試驗(yàn)成為設(shè)計(jì)檢驗(yàn)的一般途徑，但成本高昂。采用CFD模擬技術(shù)，可以對(duì)地鐵軸流風(fēng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速和安裝角度進(jìn)行模擬，通過(guò)模擬結(jié)果指導(dǎo)設(shè)計(jì)方案，并與廠家試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，優(yōu)化風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)效率和經(jīng)濟(jì)效益。

CFD模擬技術(shù)不僅可以應(yīng)用于傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)，還能在風(fēng)力發(fā)電、航空航天等復(fù)雜環(huán)境中進(jìn)行高精度的流場(chǎng)分析。隨著技術(shù)進(jìn)步，CFD模擬技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)、納米技術(shù)等新興領(lǐng)域的應(yīng)用前景也逐步展開(kāi)，對(duì)風(fēng)機(jī)模擬的精度和復(fù)雜度要求不斷提高。在航空航天界，CFD模擬技術(shù)最早是在20世紀(jì)70年代因模擬跨聲速流動(dòng)而引起人們的注意。20世紀(jì)80年代中期，CFD模擬技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用再次引起人們的關(guān)注，因?yàn)樗M了包括再入飛行器在內(nèi)的航天運(yùn)輸系統(tǒng)發(fā)展中的高超聲速流動(dòng)。在航空航天領(lǐng)域，CFD模擬技術(shù)幫助工程師預(yù)測(cè)飛行器在各種飛行條件下的氣動(dòng)性能，優(yōu)化飛行器設(shè)計(jì)。

CFD在“工程流體力學(xué)泵與風(fēng)機(jī)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中的應(yīng)用，不僅提升了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量和效率，還拓展了風(fēng)機(jī)模擬的應(yīng)用范圍和深度。通過(guò)CFD模擬技術(shù)，學(xué)生可以更加深入地理解風(fēng)機(jī)的工作原理和性能優(yōu)化方法，提高實(shí)際應(yīng)用能力和解決問(wèn)題的能力。隨著技術(shù)的進(jìn)步和跨學(xué)科應(yīng)用的擴(kuò)大，CFD模擬技術(shù)在風(fēng)機(jī)模擬中的應(yīng)用前景將更加廣闊，對(duì)風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)、風(fēng)力發(fā)電、航空航天等領(lǐng)域的發(fā)展起到重要推動(dòng)作用。

2.2.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施

2.2.3.1 理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合

在理論課堂上，教師詳細(xì)闡釋流體動(dòng)力學(xué)的核心概念以及CFD模擬技術(shù)的基本原理，為學(xué)生構(gòu)建堅(jiān)實(shí)的知識(shí)基礎(chǔ)。隨后，在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中，學(xué)生將運(yùn)用所學(xué)的理論知識(shí)，通過(guò)CFD模擬軟件對(duì)泵與風(fēng)機(jī)的性能進(jìn)行模擬和分析。這種教學(xué)模式不僅加深了學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，還培養(yǎng)了他們將理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐的能力。

2.2.3.2 分組實(shí)驗(yàn)與自主學(xué)習(xí)相結(jié)合

在這種模式下，學(xué)生被分成若干小組，每組都配備有計(jì)算機(jī)和相應(yīng)的CFD模擬軟件。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生需要在小組內(nèi)展開(kāi)討論，共同解決實(shí)驗(yàn)中遇到的問(wèn)題，并完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)。這種教學(xué)方式有助于培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和自主學(xué)習(xí)能力，同時(shí)也使得教師能夠更有效地進(jìn)行個(gè)別指導(dǎo)和答疑。

2.2.3.3 實(shí)驗(yàn)值與模擬值對(duì)比分析相結(jié)合

在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，學(xué)生需要將CFD模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析二者之間的差異及其產(chǎn)生的原因。這一過(guò)程不僅有助于驗(yàn)證CFD模擬技術(shù)的準(zhǔn)確性和可靠性，還能幫助學(xué)生更深入地理解實(shí)驗(yàn)原理和方法，從而提升他們的實(shí)驗(yàn)技能和科學(xué)素養(yǎng)。

結(jié)語(yǔ)

在對(duì)CFD模擬技術(shù)在“工程流體力學(xué)泵與風(fēng)機(jī)”課程中的應(yīng)用進(jìn)行深入探討后，不難發(fā)現(xiàn)其蘊(yùn)含的巨大推廣價(jià)值。這種價(jià)值不僅體現(xiàn)在對(duì)“流體力學(xué)”課程教學(xué)方法的革新，更體現(xiàn)在對(duì)學(xué)生能力培養(yǎng)的實(shí)質(zhì)性提升。通過(guò)引入這一技術(shù)，不僅能夠豐富教學(xué)方法和手段，提高教學(xué)效果和質(zhì)量，還能夠?yàn)閷W(xué)生的全面發(fā)展提供有力支持。CFD模擬技術(shù)的引入為傳統(tǒng)的“工程流體力學(xué)泵與風(fēng)機(jī)”教學(xué)注入了新的活力，其強(qiáng)大的模擬功能使得復(fù)雜的流體現(xiàn)象得以直觀展現(xiàn)，從而大幅提高了學(xué)生對(duì)抽象概念的理解程度。此外，CFD模擬技術(shù)的互動(dòng)性也極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，使他們?cè)谥鲃?dòng)探索與實(shí)踐中深化對(duì)流體力學(xué)原理的掌握。更為重要的是，CFD模擬技術(shù)不僅在教學(xué)層面發(fā)揮了積極作用，更在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新與實(shí)踐能力方面展現(xiàn)了顯著效果。通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生參與模擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與操作，本研究發(fā)現(xiàn)學(xué)生在解決實(shí)際問(wèn)題、分析復(fù)雜現(xiàn)象以及創(chuàng)新思維方面均取得了顯著提升。因此，有必要在更廣泛的范圍內(nèi)推廣和應(yīng)用這一技術(shù)，以推動(dòng)“流體力學(xué)”課程教學(xué)的持續(xù)改進(jìn)和學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量的全面提升。

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基金項(xiàng)目：2024年哈爾濱商業(yè)大學(xué)教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目“新工科背景下《工程流體力學(xué)泵與風(fēng)機(jī)》實(shí)驗(yàn)教材架構(gòu)及創(chuàng)新模式探索與實(shí)踐”（HSDJY202457）；2023年黑龍江省高等教育教學(xué)高等教育研究課題“‘中國(guó)式高等教育現(xiàn)代化’龍江探索背景下的流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐”（23GJYBJ043）；2024年產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目“基于虛擬VR技術(shù)《工程流體力學(xué)泵與風(fēng)機(jī)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革體系改革項(xiàng)目”（2410230615）

作者簡(jiǎn)介：李立（1989— ），女，漢族，黑龍江哈爾濱人，博士研究生，講師，研究方向：低溫制冷新技術(shù)。