FLUENT软件在工程流体力学教学中的应用

于萍 郭华锋

摘要：工程流体力学涉及多门学科知识，内容抽象、复杂，本文提出将FLUENT软件融入到工程流体力学的教学当中，该软件可以直观形象的展示流体的流动状态，帮助学生理解并掌握工程流体力学中抽象的概念。学生通过FLUENT软件对具体实例的模拟计算过程，就是学习相关工程流体力学相关知识点的过程，学生由被动变为主动学习，既锻炼了他们的动手能力，又提高了学习的效率。

关键词：工程流体力学；FLUENT软件；教学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）16-0271-02

《工程流体力学》是机械设计制造及其自动化专业的一门专业基础课，属于力学的一个分支，和实际工程应用联系紧密。该课程主要研究流体的平衡和运动的基本规律以及流体和固体之间的相互作用，用于分析解决实际工程应用中遇到的问题，同时培养学生的逻辑思维能力[1]。课堂上，教师大多采用多媒体技术（电子课件、图片、视频等）进行课堂教学，同学被动地接受知识，由于工程流体力学内容抽象、概念性强，大部分内容都是数学公式的推导，并涉及到高等数学、大学物理、工程力学等多门课程，学生难于理解；另一方面，由于手机和网络的普及，学生课堂上不听课而使用手机的现象越发严重，时间长了，学生开小差不听课，对课程产生厌恶感，教师在不同程度上变为放映师、播音员[2]。因此本文提出将FLUENT软件融入工程流体力学本科教学中，用图像化的方式展现书本上难以理解的概念和抽象化的问题，从而调动学生学习的积极性，主动探索新知识。

一、FLUENT软件与教学的结合

除了常规的理论分析和实验研究，数值计算也是工程流体力学研究方法中很重要的一种。常用的计算流体动力学（CFD）软件有ANSYS（FLUENT），COMSOL Multiphysics，CFX，PHOENICS，CD-STAR，FLOW3D等，其中以FLUENT最为成熟，应用广泛。由于涵盖了Ployflow和Fluent Dynamic International（FDI）的全部计算资源，FLUENT软件有丰富且先进的物理模型和强大的后处理功能，如层流和湍流，定常流和非定常流，以及无粘性流等[3，4]。學生在数值模拟具体问题时，可以根据具体情况选用不同的模型、计算方法和离散格式，求出数值解，再用图像或者动画显示计算结果，在这个过程中，学生需要对软件中的命令、参数进行设置，每个环节都涵盖了工程流体力学的知识，所以学生在用软件进行数值模拟的过程，就是对该课程进行学习的过程。学生使用FLUENT软件解决具体实例，可以主动地学习工程流体力学书本上相关的知识点。教师在讲解实例时，将FLUENT软件中的命令和工程流体力学书本上的知识点联系起来，这样使该课程有一定的立体感，帮助学生理解并加深概念。另外，FLUENT软件的应用可以和毕业设计题目联系起来。学生在大三上学期接触工程流体力学课程，在课程进行到中期时，可以布置相关的模拟题目，作为课程的一个大作业，择优进行整理保存，每年对优秀作品拍照和录视频，记录学生模拟过程中的心得体会，供下一届学生参考和实践。最后，在大三下学期期末学生开始选择毕业设计方向时，提供与工程流体力学数值模拟相关的方向选题，为毕业设计的选题和开展提供依据。不仅保证了后期毕业设计有充裕的时间，还在内容上有一定的基础，提高毕业设计质量。

二、教学案例

在教学过程中，可以将包含知识点的现象让学生用FLUENT软件数值模拟出来，学生数值模拟的过程，就是对知识点学习和掌握的过程。学生在使用FLUENT数值模拟之前，首先要掌握Gambit软件或者ANSYS中Geometry和Mesh模块，对研究的过程建模、预处理并进行网格划分，其次要掌握FLUENT软件里命令按钮所代表的含义，以及能独立地进行实际问题的模拟计算，并对计算结果进行后处理。

1.粘性流体和理想流体。在讲述粘性流体和理想流体时，我们知道流体是由大量分子组成，当相邻两层流体相对滑动或剪切变形时，由于流体分子之间的相互作用力，会在相反方向上产生阻止流体相对滑动或剪切变形的剪应力，称为粘性应力，不可忽略粘性效应的流体为粘性流体，可忽略粘性效应的流体称为理想流体[5]。如果只是文字上的灌输，学生可能会不能很好的理解流体是具有粘性的，但是如果采用软件模拟的方法，用具体的实例来进行说明，学生会印象深刻，容易理解。课堂上，采用了顶盖驱动流的经典计算模型来说明实际流体是具有粘性的。在一个方腔内充满空气，顶板以一定的速度向右移动，由于流体的粘性效应，顶板的移动会同时带动方腔内流体的流动，流体中心形成漩涡，如图1所示。如果给学生一定的时间用FLUENT软件将计算模型模拟出来，同学不仅理解了该知识点并且会记忆深刻。这种教学方法能让学生主动学习，教学效果要比传统的被动接受知识要好。

2.外部绕流。外部绕流是流体力学中的经典问题，在实际工程应用中经常遇到，如水利工程和船舶工程等。课堂上，采用了圆柱绕流的例子，在粘性流体绕流圆柱的过程中会出现边界层分离的现象，边界层的分离会出现旋涡，在主流流体的带动下，圆柱的背面会出现交替出现和消失的尾涡区，如图2所示。如果仅仅是书本上知识的讲解，学生很难理解边界层的分离过程。如果通过FLUENT软件将边界层分离的过程以及旋涡产生和消灭的过程数值模拟展现出来，学生能够直观地看到流体流动过程中流场的变化，对问题的理解和掌握要比听和看深刻很多。

三、总结

工程流体力学涉及多门学科知识，理论性强，公式推导复杂、内容枯燥，又和实际工程应用联系紧密，所以提出将FLUENT软件融入到该课程的教学当中，该软件可以直观形象的展示流体的流动状态和规律，以及压力场、速度场和温度场等，帮助学生理解并掌握工程流体力学中抽象的概念。通过FLUENT软件对具体实例的模拟计算，可以锻炼学生运用知识解决问题的能力，提高学习的主动性和积极性，培养严谨钻研的学习态度。

参考文献：

[1]李国珍，薛梅.工程流体力学教学中的机电体会[J].中国校外教育，2013：94.

[2]郑捷庆，邹锋，张军，罗惕乾.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.

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

[4]周洋，李玫.工程流体力学中引入FLUENT软件的教学改革实践研究[J].广东化工，2017，44（3）：166-177.

[5]侯国祥，孙江龙.工程流体力学[M].北京：机械工业出版社，2016.