环境工程专业CFD课程教学的应用初探

2010-02-15邓保庆上海理工大学环境与建筑学院200093

中国科技信息 2010年7期

邓保庆上海理工大学环境与建筑学院 200093

引言

环境工程专业是一个多学科交叉的专业。在环境工程领域，存在大量复杂的环境过程，如城市大气污染物扩散和光化学反应、河流和地下水中的污染物迁移以及室内颗粒物和有机物扩散等。在工程实践中，也发展了许多环境设备用于去除污染物，如旋风除尘器、电除尘器、布袋除尘器、光催化反应器、生物反应器、气浮反应器等。这些环境过程和设备都涉及复杂的流动和传质。简单的研究和设计方法不足以很好地对其进行描述，也就不能产生最优化的设计。

目前计算流体力学（CFD，computational fluid dynamics）已经在航空、动力等领域获得了广泛的应用[1]。国内外已经有很多公司采用计算流体力学进行环境设备的产品研发，例如紫外线消毒反应器和沉淀池等[2,3]。国外很多高校的环境工程本科专业也都开设了计算流体力学和传质计算等方面的课程。国内而言，动力等专业都或多或少开设有相关课程，环境工程尚没有此类课程的开设。本文即探讨环境工程本科专业开设计算流体力学学课程的可行性和可能的课程设置。

一、CFD介绍

CFD是上世界60年代以后发展起来的交叉学科，涉及流体力学、计算数学和计算机技术。在上世纪70年代，CFD的算法已经取得了突破性的进展，但受制于计算机硬件，仅仅在少数领域获得应用，如航空、传热等领域。随着计算机硬件的飞速发展，CFD从上世纪90年代以来得到了广泛的应用。CFD的基础是流体流动的连续方程、动量方程（Navier-Stokes方程）、能量方程和组分输运方程，其中组分输运方程即可用于模拟环境工程中污染物的迁移、产生和降解。CFD模拟的步骤包括前处理、求解和后处理三个步骤。首先针对物理问题确定计算区域，然后把计算区域进行离散生成互不重叠并覆盖整个计算区域的网格，即所谓的区域离散化，一般两维问题的网格是三角形网格和四边形网格，三维问题的网格主要是四面体和六面体网格。其次，在网格内对所求解物理问题的控制方程进行积分，并通过引入网格边界上的差分格式得到离散的代数方程组。由于流动问题压力和速度耦合的特殊性，早期由于计算机内存的限制，一般采用分离式迭代解法，近年已经开始采用直接求解的方法。由于流动问题的非线性，上述代数方程组的系数需要不断地修正直至最后系数与整个方程组的解完全协调一致。最后，利用后处理软件把海量计算数据转换成工程师所需要的直观形式[4]。

CFD算法需要通过计算机软件实现，目前常用的CFD软件主要包含各个研究组的内部软件和商用软件。内部软件是以源代码的形式存在，使用者可以直接更改源代码，使用时需要利用编译器进行编译和连接。从更改源代码而言是方便的，但是从软件维护而言工作量非常大，因此，一般只有专业的CFD人员才使用内部软件，并且只用于CFD算法的发展和湍流理论的发展等。商用软件版权属于开发公司，开发公司提供许可证给使用者，使用者不能看到软件的源代码，软件以黑盒子的方式存在。但正因为使用者不能擅自更改源代码，软件容易维护的工作量小。近年来，商用CFD软件日趋流行。商用CFD软件种类繁多，考虑到环境工程使用的可行性以及环境工程所涉及问题的多物理场特性，以下介绍几个通用软件。

（1）Ansys CFD

Ansys CFD包括前处理软件ICEM CFD、求解器Fluent和CFX以及后处理软件CFD-post。实际上，Ansys CFD本来是多个公司独立开发的，上述4个软件分属于ICEM公司、Fluent公司和CFX公司和Ansys公司，由Ansys公司通过并购形成了今天的Ansys CFD。ICEM CFD是公认生成计算网格的最优秀的软件，生成的网格可以用于计算固体力学和计算流体力学。Fluent是目前市场占有率最高的CFD软件，是基于有限体积方法发展的CFD软件，可求解流动、传热、两相流、湍流和污染物输运等物理现象，采用非结构网格，使用C语言编写，提供C语言形式的用户自定义变量。CFX是业界另一款优秀的CFD软件，在算法上处于技术领先地位，在某些领域有非常优异的表现，如汽车领域。

（2） ESI CFD

ESI的CFD软件包括前处理软件CFD-GEOM、求解器CFD-ACE+和后处理软件CFD-VIEW。ESI CFD是由CFD RC公司开发的，也是基于有限体积方法发展的CFD软件，后被ESI集团并购。CFD-ACE+的功能类似于Fluent，但多出一个电化学模块，并提供Fortran语言形式的用户自定义变量。从界面而言，ESI CFD更加统一。当从技术手册而言，文档的可读性不如Fluent。

（3）COMSOL Multiphysics

COMSOL Multiphysics是基于有限元发展的任意多物理场直接耦合分析软件，可模拟科学和工程领域的各种物理过程，例如流动、传热、化学反应等，采用统一的界面进行网格划分、求解和后处理等各个步骤。该软件允许任意添加不同领域的用户自定义方程并进行组合求解。由于采用有限元，该软件具备强大的网格剖分能力。

上述商用CFD软件都具备一个共同的特征，即可以从专业CAD软件导入图形，如AUTO CAD、Pro E和UG等，从而充分利用专业CAD软件强大的三维造型能力。后处理方面，出去各个软件自带的后处理系统，所有软件的数据都可为专业后处理软件使用，其中以Tecplot最为著名。该公司旗下的Tecplot 360是一个功能强大的科学绘图软件，是CFD领域一个主流后处理软件，提供了丰富的绘图格式，包括多种格式的的2-D和3-D面绘图，和3-D体绘图格式。Tecplot 360易学易用，界面友好，有专门的Fluent数据接口，可以直接读入Fluent软件的*.cas和*.dat文件。

二、环境工程专业CFD课程设置

环境工程专业是CFD的使用者，不是CFD的发展者。因此，在设置课程时应把握以下原则：（1）环境工程专业的CFD教学应该着重于CFD的应用而不是CFD基础理论。差分格式的推导和发展、湍流理论、代数方程迭代求解方法等偏重于理论的知识不必列入环境工程专业的CFD教学内容，学生需要明确的是在什么情况下应该选用什么差分格式和什么湍流模型；（2）选择商用CFD软件作为工具，避免繁重的维护内部软件的工作量；（3）一定的用户自定义变量的使用能力。实际问题千差万别，有些边界条件和初始条件无法采用商用CFD软件内嵌的方式予以描述，只能采用用户自定义变量和函数的方式来描述；（4）强调完整的CFD模拟的流程。通过学习这门课，学生使用CFD的能力可能会有差异，但可以在日后的研究生学习阶段予以改善。但是错误的计算流程一经养成将很难纠正，为以后的进一步学习制造障碍；（5）选择典型的环境过程和环境设备进行教学。根据这些原则，环境工程本科专业可以进行以下CFD的教学内容：

（1） CFD控制方程的推导

（2） CFD控制方程的离散及差分格式的选择

（3）湍流模型的选择

（4）环境问题CFD模拟的基本流程（以Fluent为例进行）

（5） Fluent中用户自定义变量

（6）城市街道峡谷的模拟

（7）光催化反应器的模拟

（8）气浮的模拟

（9）生物反应器的模拟

（10）紫外线消毒反应器的模拟

上述过程或者设备都是环境工程专业中的典型过程或者设备，在自然界和工程上有广泛的应用。学生通过学习这些过程和设备的CFD模拟，有助于培养CFD的应用能力，并培养起基本的采用CFD解决问题的素养。结论

在国外CFD技术已经逐步在环境领域得到推广。在环境工程专业的本科阶段开设CFD相关课程，引导学生初步掌握计算机模拟的方法，学会分析流场、污染物浓度场，有助于学生走上工作岗位时具备一定的技术基础和增强竞争力，对于继续深造攻读研究生的学生也有助于增强其研究能力和拓宽研究视野。