流体数值实验系统的构建及在教学中的应用

蒋光彪 阳 杰 殷水平 何永森

1. 中南林业科技大学土木工程与力学学院工程流变学湖南省重点实验室 湖南长沙 410004

2.湘潭大学数学与计算学院 湖南湘潭 411105

现代教育技术与装备

流体数值实验系统的构建及在教学中的应用

蒋光彪1阳 杰1殷水平1何永森2

1. 中南林业科技大学土木工程与力学学院工程流变学湖南省重点实验室 湖南长沙 410004

2.湘潭大学数学与计算学院 湖南湘潭 411105

针对流体力学课程概念抽象、流动现象复杂和理论理解困难等特点，利用高性能集群，探讨了基于源程序及商业软件的CFD数值实验系统的构建及在教学中的应用，与传统的物理实验互补。通过利用数值模拟系统进行数值实验这一环节，变枯燥的理论公式计算为生动且可视化的计算机数值模拟，虚拟现实中的典型流动，增强学生的感性认识、理性认识和解决实际问题的能力。实践表明，数值实验系统的构建可提高学生的动手能力、实践创新能力、科研能力。

流体力学；源程序；CFD商业软件；数值实验系统

本科生和研究生开设的流体力学课程知识点容量大，概念与原理抽象复杂［1-4］，且与工程实际现象紧密结合，很多学生在学习该门专业课程时，普遍反映理论知识比较抽象，流体的运动规律难于理解，且不能与具体流动现象相结合。［5］因此，实验在流体力学教学中有着非常重要的作用，但由于条件限制，传统的物理实验常存在一些弊端和局限性。随着远程教育的不断发展，物理实验的局限性更加突现。数值实验或数值模拟具有低成本、不受时空限制等优点可以弥补传统物理实验的缺陷，作为传统实验教学的扩展和补充。

构建数值实验仿真系统，建立相关数值实验算例数据库，有利于提高学生的动手能力，数值实验有利于学生进行自主探究和独立学习，学生可根据自己的兴趣自行选择实验内容、自行制定实验时间和进度，自己发现问题、解决问题，学生由被动的知识受体转变为知识的主动探究者和学习的主体。在流体力学课程教学实践中，采用以“学生为主体、教师为主导”的任务式实验教学模式，把通过数值模拟演示能够更好地了解和掌握的内容抽取出来，基于数值实验系统平台给学生布置若干数值模拟任务，通过在计算机上的自主实践，在教师的指导下学生在完成相应任务的同时，总结学习相关知识。

可以通过对接科研成果将研究的数值模拟程序应用于数值仿真平台建设，促进研究流体力学数值实验内容体系，确定数值实验系统的经典实验项目。教师可将课程教学内容与任务式实验结合，加深学生对教学内容的理解和掌握。通过流体力学课程数值实验系统的建设，可促进该课程实验教学内容重新组织，形成新的实验教学与实践授课计划。根据学历层次及专业的不同，形成适应不同专业的任务型实验和实践项目。可探索理论教学考核与实验教学考核结合模式下的学生成绩考核方法。基于数值实验系统形成的教学模式及方法也均有推广意义。鉴于此，构建流体数值实验系统，搭建数值实验软硬件平台十分有益于流体力学课程教学。

1 数值实验系统的结构和功能

根据流体力学教学要求和安排，该数值实验系统结合流体力学的基本知识点，设置典型算例问题，有针对性地选择包含作者研发及部分开源的CFD源程序和CFD商业软件构建该数值实验系统。构建该系统旨在将流体力学的重要知识点理论与实践有机地结合起来，通过该虚拟实验系统，加深学生对流体力学基本知识的理解，通过动画模拟过程增强其对实验现象的认知，让其内容更加生动形象化，更能调动学生的学习兴趣和积极性，从而充分提高学生的动手能力、实践能力和创新思维能力，进而培养学生的科研能力。数值实验仿真系统满足学生的不同需求数值实验具有无限量复制特性，学生可以根据自己的需求，编译运行程序，调用数值实验数据库中的文件，对经典算例进行数值实验，并对计算结果进行可视化图形图像输出，并做相应的动画输出，虚拟现实中的流动，建立对该种流动的直观认识，并对数值实验结果与物理实验结果对比验证。框架结构根据上述设计思想，该数值实验仿真平台分为两大系统，其主要结构功能如图1所示。

图1 数值仿真实验系统结构

该流体数值仿真系统包括源程序数值仿真系统和软件数值仿真系统两大子系统。各子系统均包含前处理功能模块、数值计算功能模块、后处理功能模块。源程序数值仿真子系统为作者研发的源程序和国外部分开源代码组成。其中前处理模块包括BFC网格程序［6］、二维网格生成程序［7，8］、三维结构网格生成程序［9，10］。数值计算模块包括国外学者研发的源代码Dolfyn［11］，CAFFA 2D&3D［8］，CAFFA3D.MB及并行版本［10］等以及笔者研发的DLRŸBFC程序［6，12］。这些程序可在POWERSTATION 或INTEL VISUAL FORTRAN编译环境中运行计算，并行版本程序可在高性能计算集群的LINUX系统中编译运行。源程序数值仿真子系统中的源程序可供FORTRAN程序设计语言掌握很好的本科生或研究生学习及用其针对相关流场算例进行数值模拟实验研究。软件数值仿真子系统由当前流行的商业CFD软件FLUENT，CFX，PHOENICS，STARCD，TECPLOT，ORIGIN等软件组成，该子系统亦包括前处理模块、数值计算模块和后处理模块，三大模块结合完成整个流体数值仿真过程。

通过该流体数值仿真系统，能自动设置边界条件并划分网格，读取网格数据求解，很好地进行多算例工况数值实验，尤其在系列化设计方案对比中。还可将计算结果与实验结果进行对比，验证数值计算的准确性。利用系统的后处理模块，将计算结果数据后处理可得到各种图形和动画，展示计算结果，评估设计方案，让那些不熟悉软件的工程设计人员直观地看到计算结果。从而提高学生对流体力学问题的感性认识和激发学习兴趣的角度出发，满足教学和实验手段的灵活性和内容的全面性要求。

2 构建数值实验算例数据库

为了帮助学生加深对流体力学课程中涉及的一些常见流动现象的认识，根据课程教学内容体系，基于数值实验系统平台构建几种常见流动的数值模拟教学算例库，其中既有基于源程序的算例，也有基于商业软件的算例。建立数值实验前处理、数值模拟和后处理数据文件。笔者在本科生及研究生的流体力学课程教学实践中，尝试设置了二维及三维顶盖驱动方腔流动、圆管层流和紊流、锥形渐扩管路层流和紊流、后台阶流动、正弦波壁流动、圆柱绕流、单体建筑风场等简单且有代表性的算例，其中每个算例给出流体基本参数和边界条件设置情况。并对数值计算结果进行了可视化图形图像处理，形成相关格式文件，可用于学生数值实验时参考和在流体力学多媒体教学中应用。

3 流体数值实验系统在实际教学中的应用

笔者将构建的流体数值仿真实验系统在实际教学工作中加以利用，取得了一定的效果，主要应用体现以下3个方面。一是用于辅助流体力学课程教学。工程流体力学具有较强的理论性及涉及宽广的知识点，使这门课的教与学都存在较大的困难。笔者结合多年来的教学实践，基于流体数值实验系统对流体力学课程教学内容之圆管中的层流与紊流、锥形渐扩管路系统内部流及后台阶流等典型流动进行了数值模拟，并对计算结果后处理成图片和动画，在多媒体课件中展示，增强了学生对相关流动的感性认识和理性认识。二是用于指导工程力学专业本科毕业论文工作。笔者利用流体数值仿真实验系统设置顶盖驱动方腔流、突扩管路流、建筑风场并行计算等选题，连续5年指导工程力学专业本科毕业论文10余名，获得了较好的效果，毕业论文等级均在良好以上。三是基于高性能集群和流体数值仿真实验系统面向力学专业本科生及工程流变学方向研究生指导开展创新课题研究，其中指导大学生实践创新课题1项，研究生课题2项，相关课题研究顺利。

4 流体数值实验系统在教学中的应用建议

4.1 数值实验教学地点与时间的选择

数值实验教学地点最好选择在机房，与此同时，允许学生使用自带的笔记本电脑同步进行求解。也可将数值实验教学地点选择在教室，基于高性能计算工作站和CFD并行版源程序或CFD软件，通过互联网PBS作业提交系统在线提交作业完成数值模拟任务。在流场数值模拟演示教学时，依计算机性能不同和算例问题的难易程度，计算机求解运算的时间将有不同，因此如何掌握与合理应用好这段时间尤为重要，可采取背景知识介绍和对计算结果的预测这两种方法解决。具体教学实践中可由任课教师针对某一具体的流体力学问题，采用数值实验系统中的源程序或软件演示从网格生成和边界条件设置到数值模拟整个求解过程，讲解所采用的理论以及结果分析。

4.2 精选算例 建设数值实验算例数据库

精选数值模拟仿真算例安排教学，将所选数值模拟算例系统整理分类，完善相关数据文件构成算例数据库，可为今后教学参考借鉴。流体力学数值实验课堂教学演示算例的选取可遵循简单与有代表性两个原则。算例简单既能够减少计算机的运行时间，有利于教学时间的紧凑性，又能让学生易操作，方便学生将书本理论与数值实验结果对比；而有代表性的算例密切书本知识，贴近生活或工程实际，则有利于提高教学趣味性，同时开阔学生的视野。

4.3 结合创新课题 培养学生创新能力

由于课堂教学时间有限，因此应在简单的教学演示算例的基础上，精心布置较为复杂或略有提高的课外任务。例如变换几何模型、改变边界条件及各种参数等，可结合本科生的毕业设计，研究生的课题任务，根据学生的编程基础合理选择CFD源程序或软件，将教师的部分科研任务交给一些学有余力并对科研感兴趣的学生完成。布置数值实验研究算例，既可以巩固课堂所学，又利于培养学生独立创新科研能力，后者非常符合目前教育界提出的加强本科生参与教师科研的精神。

4.4 数值实验与物理实验的选择及验证

数值实验也存在一些如无法获得操作技能、无法全面考虑物理实验中出现的各种影响因素等缺点，数值计算结果需要用实验结果验证。在教学中，怎样发挥它们各自的特点，如何取长补短，是值得我们深入研究的。在教学中我们要明确以下几点：一是物理实验有其不可替代性，学生具体操作技能的形成必须通过物理实验获得；二是虚实互补，将数值实验和物理实验有机地结合起来，数值实验结果可以用物理实验结果相互验证，充分发挥各自的优势；三是因材施教，教师应根据算例流动的特点、目的、学生已有的知识和能力水平以及两个实验的特点等因素来采用物理实验还是采用数值实验。

5 结束语

通过对接科研成果，借助于个人计算机或高性能计算工作站硬件设备，基于开源CFD程序及CFD软件搭建流体数值仿真实验平台，在流体力学课堂教学中引入数值实验教学这一环节，模拟各种工况实际流场的流动状态，将流体力学理论教学与数值模拟教学有机结合在一起，与物理实验互补，拓宽了现有的传统意义上的课堂教学手段，它丰富了流体力学课程教学内容。流体数值实验系统具有无限复制功能，不受时空限制。利用数值实验系统，有助于学生掌握和理解教师在语言上难以表达，变化过程复杂或肉眼观察不到的流动现象；由于参数设置比较贴近实际，可以对一些工程流动问题进行定量分析，因此有效地调动了学生学习的兴趣和热情。同时制作一些辅助流体力学课程理论教学的数值实验内容和素材，实现高校该课程多媒体教学有很好的推广和借鉴意义。

［1］张也影.流体力学［M］.第二版.高等教育出版社，2009.

［2］章梓雄，董曾南.粘性流体力学［M］.北京：清华大学出版社，1998.

［3］王献孚，熊鳌魁.高等流体力学［M］.武汉：华中科技大学出版社，2003.

［4］郑捷庆，邹锋，张军.CFD软件在工程流体力学教学中的应用［J］.中国现代教育装备，2007（10）：119-121.

［5］李国威，董金玲.CFD技术在无环量圆柱绕流多媒体教学中的应用研究［J］.中国现代教育装备，2011（7）：64-67.

［6］何永森，刘邵英.机械管内流体数值预测［M］.北京：国防工业出版社，1999.

［7］Ferziger J.H，Peric M. Computational Method for Fluid Dynamics［M］. Germany： Springer， 2002.

［8］Peric M. open source code［DB/OL］.ftp：//ftp.springer.de/ pub/technik/peric/.

［9］Usera G，Vernet A，Ferre J. A. A parael block-structure Finite Volume Method for Flows in Complex Geometry with sliding Interfaces［J］. Flow Turblulence Combust，2008（81）： 471-495.

［10］Uersa G.，Caffa3d.MB User manual［DB/OL］.http：//www. fing.edu.uy/imfia/caffa3d.MB/.

［11］Dolfyn INput guide［EB/OL］.http：//www.dolfyn.net/ .

［12］何永森，舒适，蒋光彪，肖映雄.管路内流体数值计算与仿真［M］.湘潭：湘潭大学出版社，2011.

The Construct and Application of Numerical Simulation System
about Fluid Dynamics Experiment Teaching

Jiang Guangbiao1， Yang Jie1， Yin Shuipin1， He Yongsen2
1. Hunan Province Key Laboratory of Engineering Rheology， Central South University of Forestry and Technology，
Changsha， 410004， China
2. Xiangtan University， Xiangtan， 411105， China

For the questions appeared in the teaching of fuid dynamics which is not easily understand abstract and complex theories，the present paper attempts to probe into the construction of numerical simulation system about fuid dynamics based on the CFD code & CFD software and its application into the teaching of fuid dynamics as well. The numerical experiment is complement with the traditional physical experiment. Boring theoretical formula and computation can be understand by means of numerical simulation. The typical fow in reality can be simulation in virtual. The numerical simualtion system will help students to integrate theory with practice and enhance the agility and ability to solve practical problems. Good results have been achieved in the aspect of development of operative ability and practical ability and scientifc research capacity.

fuid dynamics； source code； CFD commercial software； numerical experiment system

2015-04-19

蒋光彪，博士，副教授。

中南林业科技大学校级教改项目（2012）。