Fluent模拟解决中学物理中流体压强的相关问题

关善超

(苏州市阳山实验初级中学校 江苏 苏州 215151)

流体压强相关内容的教学在中学物理教学中是个难点.因为其难以直接测量和观察的特点，常规的教学及实验存在着一些难以处理的问题.如学生对流体内部压强分布只能通过对定性实验的观察作出想象，限于中学物理实验条件，很难定量研究.而流体流速和压强的关系也是单单通过几个简单的实验现象得出结论，并没有实验验证.实验条件不足的客观事实造成教师只能是巧妇难为无米之炊，学生只能似懂非懂，强记结论.

在着眼提升学生物理核心素养的大背景下，让学生更加全面地理解、掌握和应用所学的知识，从不同角度激发学生的内在学习潜能和学习兴趣，是一线教师所必须解决的问题[1].在中学实验条件相对落后，经费不足的条件下，对于一些实验现象难以观察的实验，数值模拟实验不失为一种非常好的方法，这极大地丰富了中学物理教学的技术手段[2,3].模拟结果通过图片和动画的方式直观呈现，即节省了实验成本，又得到了准确的数据，为突破中学物理教学中的重难点和非常规实验，提供了一种有效的新选择[4,5].本文运用Fluent软件对流体压强教学中遇到的两个问题进行模拟，将模拟过程具体呈现，以期对一线教学有所帮助.

1 液体内部压强模拟

建立一个左右直径不相同的连通器，通过观察连通器中水最终的平衡状态，帮助学生理解液体内部压强的相关知识，突破错误前概念.

1.1 导入模型

打开Fluent软件，导入用Gambit建好的连通器模型.如图1所示，左侧圆管直径2 cm，右侧圆管直径1 cm，高30 cm的连通器.

图1 连通器模型

1.2 过程设置

在general中设置时间为瞬态，引力系数为-9.8.

在models中设置多相流模型为VOF，湍流模型为k-epsilon.

在Materals中添加材料，添加两种材料分别为液态水和空气.

在Phases中设置主相为空气，第二相为液态水.

1.3 求解器设置

进入Solution Methods设置求解器.设置压强速度耦合求解模式为SIMPLE.进入Solution Initialization，选择从所有区域进行计算，点击进行初始化.接着设置液态水区域.用Patch把液态水添加在定义好的区域中.最后，进入Run Calculation，定义每个时间步为0.01 s，计算400步.点击Calculate进行求解计算，耐心等待计算结果.

1.4 结果分析

计算结果在Results中进行查看，可以在Graphics and Animations中查看计算结果云图(图2和图3)和生成动画视频.

(a)

(b)

图3 压强云图

通过观察水和空气分布云图可知，水在容器中最终稳定后左右两边高低相同，并非学生所想的直径大的水面低，直径小的水面高.进一步观察压强云图，可直观地发现深度越深，压强越大.压强云图呈现层状分布，同一深度，压强相等，与管子直径无关，只和深度有关.

2 流体流速与压强关系模拟

建立一个粗细变化的流管，水从左侧流入，右侧流出.通过比较管内流体流速和压强的大小，加深理解流体流速与压强的关系.

2.1 导入模型

导入建好的模型并划分网格，入口直径10 cm，管长70 cm，如图4所示.

图4 建立模型

2.2 过程设置

在general中设置时间为稳态.

在models中设置湍流模型为k-epsilon.

在Materals中添加材料液态水.

在Boundary conditions中设置边界条件，入口上施加一个大气压的压强，出口设置为标准大气压出口.

2.3 求解器设置

求解器设置过程同1.3所示.设置完毕，进入Run Calculation，计算1 000步，点击Calculate进行求解计算.

2.4 结果分析

在Results中查看速度云图(图5)和压力云图(图6).

图5 速度云图

图6 压力云图

通过云图可以发现，流管直径变窄处流速明显增大.同时对比压力云图可知流速越快则压强越小.为了更清楚地得出结论，可选择流管中相同位置坐标的一组数据，并画出其速度-位置关系图(图7)和压强-位置关系图(图8).

图7 速度-位置关系图

图8 压强-位置关系图

下面对图7和图8作对比分析，它们分别是流体速度与位置的关系，和流体内压强与位置的关系.由图7和图8可直观发现，速度小的位置对应的压强就大，速度大的位置对应的压强就小，进而得出稳定流体遵从的规律：流体流速越大的位置其压强越小，流速越小的位置其压强越大.

3 结束语

使用Fluent模拟解决流体内部压强问题和流体流速与压强的关系两个问题有其独特的优势，在所绘制的速度-位置关系图和压强-位置图上可直观得出某位置的流速和压强，不但弥补了实验器材不足的缺点，更能做到自主设计所需实验.让学生更加直观生动地观察实验，内化所学知识.从定性分析上升到定量分析，提高学生通过分析图像和数据得出结论的能力，全面提高学生的物理核心素养，为攻克流体压强教学重难点提供一种新的教学思路.