计算流体力学在工程流体力学课程中的应用与实践

谢翠丽 倪玲英

(中国石油大学(华东)石工学院，山东青岛266555)

计算流体力学在工程流体力学课程中的应用与实践

谢翠丽1)倪玲英

(中国石油大学(华东)石工学院，山东青岛266555)

随着时代发展，适应大学生特点的教学改革在不断进行，要求教师培养学生的学习能力而不是单纯的传授知识.针对本科生工程流体力学课程的教学模式进行改革，将计算流体力学引入到工程流体力学课堂.5年的教学实践，证明其对学生们的工程流体力学课程和后续专业课的学习有很大帮助.文中以实例的形式介绍了将计算流体力学与本科生流体力学课程结合的方法与实践，深入探讨了教学改革.该实践是提高教学质量的有价值的尝试.

流体力学,教学改革,数值模拟,计算流体力学

工程流体力学是大部分工科专业学生的必修基础课程，它与许多专业的专业课程息息相关，主要涉及的专业有石油工程、能源与动力工程、化工、环保、石油储运、建筑与环境、力学、船舶与海洋工程等，是一门重要的课程.为全面构建新型人才培养新体系，流体力学课程需不断创新改革，本文介绍了将计算流体力学技术应用在流体力学教学过程中的应用与实践经验.通过让学生自己动手利用软件对基本流动现象进行数值分析，可以将课堂所讲授的抽象概念、理论变成形象的可视化流场及动画演示，大大促进学生对基础理论的深入理解和应用，同时也可以将流体力学的知识应用于与专业相关的实际问题分析和简单设计中，激发了学生主动学习的兴趣，培养了学生思考、创新的科研能力，同时也达到了改善教学效果的目的.

1 FLUENT软件与课程教学的结合

1.1 编制上机指导手册

Fluent软件的简单应用并不复杂，但为了在课时有限的情况下使学生尽快熟悉并利用计算流体软件 Fluent和前处理软件 Gambit进行简单模拟计算，我们编制了上机模拟手册.它包含与专业背景相关的模拟计算算例，模拟过程描述详细，可根据步骤建模、划分网格、进行计算以及后处理.比如，对于石油工程专业，我们设置了三维圆管和环空内的流动模拟，旨在学习非牛顿流体模拟的设置，并将模拟的结果与理论课中所学的结论进行对比；对于热能与动力工程专业则设置冷热水混合器内的三维流动与换热上机模拟；对于船舶与海洋工程专业和海洋油气专业，则设置了船舶行驶阻力特性的模拟；对于油气储运专业，则上机完成某输油管道工程90◦水平弯管内油水两相流动.

同时手册包含基本方程、差分格式、湍流模型的简单介绍，让学生明白对于所有流动，Fluent都求解质量和动量守恒方程.对于包含传热或可压性流动，还需要增加能量守恒方程.对于有组分混合或者化学反应的流动问题则要增加组分守恒方程.如果是湍流问题，还有相应的输运方程需要求解.

1.2 熟悉上机模拟的流程

为让学生快速熟悉上机模拟的前处理、核心求解和数据生成、后处理流程，我们为所有专业的学生提供了二维障碍通道内的流动，利用1课时的时间，让学生在此过程中，理解了几何建模、网格构造、边界条件设定、网格输出、求解计算设定和查看计算结果的简单过程，很短的时间内，学生就看到了流体由左侧入口流入带障碍物的通道后，从右侧流出流场的速度矢量分布(图1).

通过此过程，学生直观的看到了可视化的流动，理解了伯努利方程的原理，流线不能转折、旋涡的产生与能量的耗散等知识，同时学生也尝试将设计的障碍物尺寸增大，或将位置调整，观察它们对流体的扰动，观察压力云图和速度矢量场图的变化，过程非常直观生动.通过动手模拟,学生们体验了计算机软件带来的学习兴趣和对流动研究的便捷.

图1 二维有障碍通道内的流动

1.3 将计算流体力学用于流体力学课程中原理性知识验证

在流体力学理论课上推导了充分发展的圆管层流的基本理论公式，包括了速度抛物线分布公式，圆管层流存在入口段流动等概念.作为验证，我们指导学生模拟了圆管层流的流动，如图2.应用Fluent求解后，可以得到管道中心线速度沿流动方向的变化情况.

图2 圆管层流

由图3可以看出，距入口一定距离以后，速度达到稳定，进入充分发展段.从图4中也看出，圆管充分发展的层流流动速度分布是抛物线，最大速度在管轴中心线处.在靠近壁面处，网格划分足够细密，可以看到边界层内速度的快速增长.

图3 管道中心线速度沿流动方向的变化

图4 圆管层流速度抛物线分布

课堂所学的理论就这样可以通过图片及动画演示方式等得到直观的验证，使学生易于理解和接受理论知识.

1.4 将计算流体力学用于课程里的拓展性思考

流体力学课堂上讲到局部阻力时涵盖了突扩管与突缩管局部阻力的成因与对比，通过计算流体力学上机模拟，我们提出拓展思考即怎样减小局部阻力损失？

学生们通过软件的模拟并绘制了速度矢量图和流线图，可以分析局部阻力产生机理.由图5可以明显看出突扩管与突缩管局部损失的原理是不同的，产生旋涡的位置也不同.突扩管旋涡主要产生在进入突扩段以后，而突缩管则由于流线不能转折，分别在突缩段前和刚入突缩管的位置，它们局部阻力产生的原因是管径突变处流体形成大小不一的漩涡区.漩涡区域中水质点的无规则运动和激烈的紊动消耗了部分水体的能量；涡流区恢复到正常流动时，这部分低能流体被主流的高能流体带走要克服摩擦力；在进行动能交换，达到流速的重新组合时还会有一些局部阻力产生.

在明白了局部阻力产生的机理后，课后的作业是自拓展试验--怎样减小局部阻力损失？

图5 突扩管与突缩管局部损失的产生

结果学生们以突缩管为例，采用控制变量法，一组把管径扩大一倍，另一组把管长扩大一倍，可以对比各个情况下，突缩管的局部阻力情况.经过模拟试验学生们得出结论：为了减小局部阻力损失可以采取的措施是减小管径比，将管道几何边界设计为流线型，或把突缩进口的直角改为圆角.

这样的拓展性思考试验打开了学生的视野和兴趣，许多同学表示，虽然课后花了不少时间做作业，但获得了很大的学习兴趣和成就感，而且上机模拟直观地表现了流动改变的效果，比室内试验更省时省力.

1.5 将计算流体力学用于专业学习中的初步设计实践

新形势下的专业基础课授课要求，能将理论与工程或实际相结合，培养学生的创新能力和科研能力，为此需要提出与专业知识结合的题目.以能源与动力工程专业为例，我们提出了冷热水混合器自行设计的题目，给出了一个初步设计的上方为热水进口，下方为冷水进口和混合水出口的冷热水混合器，让学生自行模拟，将流动与传热学结合考虑，并根据模拟情况优化设计混合器，使出口水温均匀.

实际上设计过程是一个不断修正改进的过程，学生们首先通过上机模拟分析了温度场后总结了原型的缺点：出口的温度梯度大；容器左边全都是冷水，右边全是热水，左右受热不平衡会使容器左侧膨胀，右侧收缩，容器变形不协调，对容器有损害.所以设计时要解决的问题是首先使出口温度均匀，其次要设计出使容器变形协调的方案.对此，学生们提出了自己的各种各样的设计思路和理由，例如根据初始方案的经验，欲使温度混合得好，冷热水入口不应该离得太近，这样使冷热水射流有足够的流动空间来混合，管嘴还应该设计成对称倾斜，出口离入口也应该尽量远，根据这些原则，学生设计出图6(b)方案，它的优势在于：(1)温度混合均匀，出口温度稳定且适中；(2)对容器的伤害小，容器中右壁全是混合好的温度，所以右壁不会过度膨胀或收缩；观察左壁可以发现虽然温度差大，但是我们知道金属的导热很好比水好，这样同样的一块金属板温度很快就均匀了，不会出现上面收缩下面膨胀而变形不协调的问题.

图6 冷热水混合器初步设计

上交的总结报告表明，学生们虽然认为这种实验难度较大，但这充分要求同学们发挥想象力与创造力，对他们建立独立思维，应用所学知识有很大帮助.

通过上述事例可以说明，应用计算流体力学技术在流体力学教学过程中确实能起到非常好的教学效果，在实际教学中，通过对学生学习情况的调研，学生反映普遍较好.

2 结束语

将计算流体力学引入到工程流体力学课堂的5年教学实践，证明其对学生们的工程流体力学课程和后续的专业课的学习有很大帮助，文中以实例形式介绍了将计算流体力学与本科生工程流体力学课堂结合的方法，它创新了流体力学课程的教学模式，同时深入探讨了高等教育教学改革.但这种教学方式对专业教师提出了新的要求，教师必须有计算流体力学的理论基础及熟练操作使用数值计算软件的能力，希望本文能为这一方向的教师提供参考和思路.

1谢翠丽,倪玲英.《工程流体力学》本科课程引入 CFD教学的探讨.力学与实践,2013,35(3):91-93

2王东屏，贾颖，栾志博.计算流体动力学(CFD)在流体力学教学中的应用.教育现代化,2016,34:146-148

O351

A

10.6052/1000-0879-17-160

2017-05-16收到第1稿，2017-06-03收到修改稿.

1)谢翠丽,博士，副教授，主要研究方向为海洋油气工程、流体力学.E-mail:xiecl@upc.edu.cn

谢翠丽,倪玲英.计算流体力学在工程流体力学课程中的应用与实践.力学与实践,2017,39(5):503-505

Xie Cuili,Ni Lingying.Application of CFD in engineering fluid mechanics class and practice.Mechanics in Engineering,2017,39(5):503-505

(责任编辑:胡 漫)