Fluent软件在流体机械原理课程教学中应用

2016-05-30许静钱昆李斌孙珺倪敬

科技风 2016年12期

关键词：教学

许静钱昆李斌孙珺倪敬

摘要：基于流体机械原理的教学内容及特点，在叶片式离心泵结构优化问题教学过程中，引人Fluent软件，通过其计算后展示出的可视化的流场，学生可以直观地看到流体在离心泵流道内的流动情况，该方法扩宽了现有的教学方式，极大程度地将理论的教学内容形象化，有助于提升学生的设计能力、增强学生的学习积极性、激发学生的创新能力，对学生快速掌握专业知识有着巨大的帮助。

关键词：Fluent软件；流体机械原理；教学

《流体机械原理》是流体机械专业学生的专业必修课程，也是热能与动力工程、过程装备与控制等相关专业的必修或选修课程。它要求学生掌握叶片式流体机械的基本工作原理、结构型式、能力转换、设计计算、特性曲线、选型等知识点，培养学生运用流体机械专业知识，引导学生分析流体机械性能的能力与设计能力，并最终启发学生在流体机械上的创新意识。

近年来，随着世界经济和技术的快速发展，Fluent商业仿真软件已成为国际上比较流行的商用CFD软件包，在美国的市场占有率为60%，它以其丰富的物理模型、先进的数值方法和强大的前后处理功能，以及适用面广、高效省时、稳定性好精度高等优点很好的融入于各个行业领域，如航天航空、机械制造业等行业，并已在各个行业领域内发挥着自身强大的计算作用。

在课堂教学和专业课程设计中，引入Fluent商业仿真软件，用数值和动画描述流体在流体机械中的流场情况，定量的展现流道中压力、速度等参数的分布规律，并根据流动特性分析其对流体机械性能的影响，这极大的加深学生理解抽象的流体力学理论，以及加深学生对流体机械基本工作原理的掌握，丰富教学资源，拓展现有的教学方式[ 1 ]。

与此同时，Fluent商业仿真软件已广泛应用于工程设计，这使得良好的产学研结合，能够提供多元化的特色教学素材。它要求教师努力探索理论与工程实践相结合同时，需要能将个人科研与教学相融合，将自己最新科研成果能够有效转变成教学内容，培养学生创新意识。

通过引入Fluent软件进行教学，将实际解决流体机械领域的科研案例，有机融合到教学过程中，使学生掌握专业软件和现代设计方法，拓宽知识面，加强教学与工程应用之间的有机结合。

1 Fluent软件实例

在流体机械原理课程教学过程中，利用Fluent软件讲解叶片式流体机械元件和内部流道间的流体力学计算，元件及系统的性能分析和优化设计等内容。

离心泵（centrifugal pump）是叶片式流体机械主要的型式之一，约占生产用泵的 80～90%，它是利用叶轮旋转而使液体发生离心运动来工作的[ 2 ] [ 3 ]。而叶轮是离心泵的核心部分，离心泵在启动前，必须使泵壳和吸水管内充满液体，然后启动电机，使泵轴带动叶轮和液体做高速旋转运动，液体发生离心运动，被甩向叶轮外缘，经蜗形泵壳的流道流入离心泵的压水管路，因此离心泵流道流体的流动情况直接影響其运行性能。

笔者以流体流经主油泵（离心泵）流道的流动特性为例，应用ANSYS FLUENT 14.0，针对实例主油泵在全工况下内部流动进行流场数值模拟，分析从小流量到大流量工况下流场的变化并绘制特性曲线，从而找出适合离心泵优化设计方法，将其计算过程展示给学生，以此说明仿真技术在教学中的应用。

如图1所示单级离心泵有限元计算模型。该主油泵参数：流量Q=60m3/h，出口表压P=0.98Mp（g），转速n=2989r/min，叶轮外径D=300mm。

从图2计算结果可以看出如下流动特征：

1）在全体计算域范围内，总体上静压沿径向呈均匀增长趋势。

2）采用周期性对称的导流环结构，使得导流环出口处压力分布均匀化，从压力云图上看明显减轻了非周期性的压力变化，有利于减小振动及噪声。

综上所述，从动轮进口至导流环的出口，流动设计符合流体动力学的规律，结构设计合理，可以得到稳定的运转特性、良好的吸入性能。

2 结语

将Fluent商业计算软件应用于流体机械原理课程教学中，扩宽了现有的教学方式，极大程度地将理论的教学内容形象化，激发学生的学习兴趣，加强对叶片式离心泵基础理论及设计的掌握，有助于提升学生的设计能力、增强学生的学习积极性、激发学生的创新能力，对学生快速掌握专业知识有着巨大的帮助。

参考文献：

[1] 杨秀萍，陈炜，郭津津等. Fluent软件在液压传动教学中的应用[J].中国现代教育装备，2013，15（175）： 4-5.

[2] 张克危.流体机械原理上册[M].机械工业出版社， 2010.

[3] 潘刚. Fluent软件在本科传热学教学中的应用①[J].创新教育， 2015， 25： 144-145.