将CFD技术融入船舶与海洋工程专业基础教学的设想

孙士艳 陈林烽

摘  要：随着计算机技术的不断进步，计算流体力学技术（CFD）飞速发展，在CFD技术浪潮下，许多科研人员对CFD技术开展研究，CFD技术已成为船舶工业的重要组成部分。在此背景下，文章提出将CFD技术融入船舶与海洋工程专业基础类课程，加深学生对船舶与海洋工程专业基础知识的理解，激发学生对本专业的学习兴趣，培养学生的动手能力和创新能力。

关键词：船舶与海洋工程;教学;计算流体力学技术;专业基础课程

作者简介：孙士艳，江苏科技大学船舶与海洋工程学院讲师，研究方向为水动力学、砰击、波物相互作用;陈林烽，江苏科技大学副教授，研究方向为粘性流体力学、大涡模拟。（江苏 镇江 212003）

中图分类号：G642      文献标识码：A      文章编号：1671-0568（2019）21-0039-02

实践教学是高校教学中的一种重要教学手段，有效的实践教学不仅能够巩固深化理论知识，还能够激发学生的探索热情，从实践中发现并解决问题。船舶与海洋工程作为一门专业性较强的学科，要求学生既具有一定的专业水平，又具有较强的实践能力，因此，实践教学模式的设计和丰富在船舶与海洋工程专业教学建设中发挥了重大作用。[1]与船舶与海洋工程专业结合最紧密的基础理论学科为流体力学，流体可分为液体和气体，在船舶与海洋工程专业中，液体主要指水，因此很多船舶与海洋工程专业的从业人员开展船舶水动力学方向的基础研究和应用研究。计算流体力学技术（CFD）是开展船舶水动力学研究的重要方法之一，然而，在本科生专业教学方面，CFD技术与本科生几乎没有联系，学生对水动力学的理解仅限于课本知识。此外，水动力学与固体力学不同，水动力学是以连续介质假设为基础，涵盖以流体质点为基本单位的运动学和动力学，理论性强，难以理解。因此，大部分本科学生毕业后，对本专业的认识仍然非常模糊。CFD技术引入成本低，容易入手，对学生的学习有一定的启发作用。因此，将CFD技术融入本科专业基础教学是非常有必要的。

一、计算流体力学（CFD）技术

CFD是计算流体力学（Computational Fluid Dynamics）的简称，是流体力学和计算机科学相互融合的新兴交叉学科。CFD兴起于20世纪60年代，受计算机技术和成本限制，CFD技术并未得到广泛发展。20世纪90年代以后，计算机硬件工业迅猛发展，为CFD的发展提供了坚实的物质基础，CFD飞速发展，与实验流体力学共同成为产品开发中的重要技术。

目前主流的CFD软件有CFX、Fluent、star-ccm+、flow-3D、AUTODESK CFD等。这些软件具有良好的人机交互界面，让使用者无须精通CFD相关理论就能够解决实际问题。在CFD之前，水动力学的研究方法主要为理论分析或模型实验方法，这两种方法都有较大的局限性，前者通常只适用于一些简单流场或模型，后者则成本昂贵，这两者对本科生的引导和启发非常有限。相比之下，CFD技术具有易操作、可视化、可重复性、成本低廉等诸多优点，将其与水动力相关的本科生课程紧密联系起来，能取得较好的教学效果。CFD的教学应用不仅可以加深学生对基础理论的理解，还有助于开发学生的创新思维。

二、将CFD技术融入船舶与海洋工程专业教学的思路

CFD虽属于一种边缘学科，但其在数学领域和计算机领域均具有强大的生命力，没有任何一项技术能够取代CFD。在现实工作中，任何运动都遵循一定的自然规律，因此，利用 CFD 技术对流体力学进行研究时，也要遵循一定的自然规律。常用的自然规律包括：能量守恒定律、质量守恒定律、动量守恒定律等。此外，外界因素容易干扰流体的运动，并且流体运动会因此发生一系列的变化，CFD 技术的出现克服了外界因素对流体运动的干扰。CFD 技术的基础是数学计算和流体力学，首先通过先进的科学计算机程序对数据进行研究分析，然后根据研究结果建立离散型数字模型，最后通过对离散型数学模型的分析来达到计算的目的。[2]

1.CFD在“船舶流体力学”课程中的应用实例。“船舶流体力学”是船舶与海洋工程专业的一门专业基础课程。学习船舶流体力学的前提条件是掌握高等数学、张量分析和力学等基础学科知识，学生在高中阶段并未涉及前两者，本科阶段仅涉及到后者的静力学部分，而对于更加难以理解的动力学部分，并未学习过，这使得船舶流体力学几乎成为船舶与海洋工程专业最难的一门专业课。在一般情况下，学生学习完这门课程以后，只能达到会做题或考试的程度，而对问题背后的物理机理几乎不理解。例如，如何用亥姆赫兹速度分解定理描述流体微团的运动，平动、线变形运动、角变形运动、旋转分别对应什么样的流体微团运动现象，如何用数学方式将这些分解后的运动清楚表达出来等问题。若想理解这些抽象的概念，学生需要在头脑中对其进行形象加工，还有另外一种方法把抽象的問题形象化地表达出来，加深对物理问题本质属性的理解。例如，在学习波浪理论时，最开始介绍的是波浪满足的边界条件，其中最重要的是自由液面边界条件，自由液面边界条件包括运动学边界条件和动力学条件，运动学边界条件本质上是在势流理论范围内建立关于流体质点的运动学表达式，流体质点的运动决定了波形的变化，因此可以通过波形的变化曲线推导出流体质点的运动速度，这是从理论角度考虑波浪问题的方法。为了让理论问题更加形象化，可以采用CFD软件将波浪中的运动描绘出来，图1采用OpenFOAM模拟的波物相互作用流场，上课时以动画形式展示此算例，可以加深学生对波面变化情况的理解。

2.CFD在“船舶阻力和推进”课程中的应用实例。“船舶阻力与推进”是集理论、实践于一体的一门综合性课程，要求学生具有一定的理论功底，因此“船舶流体力学”通常是这门课的先修课程。这门课程具有非常强烈的实践性，实践教学是此课程的重要教学方法之一灵活多变。例如，开展企业实践教学，参加海洋航行器大赛和互联网大赛等国内外重要比赛项目。其核心思想是以教材为主体，以课程大纲为指导，注重教学质量的提高和学生能力的培养，最大限度地调动学生的学习兴趣，变被动学习为主动听讲，增强学生对知识的掌握和运用能力。[3]通过前面的分析，理解实践教学对于“船舶阻力和推进”课程的重要性，但是实践教学也有其局限性，例如，航行器大赛等比赛项目并不是所有学生都会参加，因此，在课堂上增设基于CFD技术的动画演示，有助于增强学生对此课程的理解。若鼓励学生采用一些CFD软件对螺旋桨影响的流场进行数值模拟，学生将有更多的收获。

三、结语

CFD技术在工业领域大量应用，在船舶领域也占据着重要的地位。CFD技术飞速发展，船舶与海洋工程专业也进入了迅猛发展的时期。目前在船舶与海洋工程水动力问题的分析中，大部分专业人员均采用CFD软件进行数值模拟和物理现象分析。因此，将CFD技术融入专业基础类学科的课堂教学，不仅会加深学生对理论知识的理解，还可以激发学生的学习兴趣，拓宽学生的学术视野，提高学生的创新意识。

参考文献：

[1] 赵珂，雷林，赵藤，袁培银.船舶与海洋工程专业实践教学模式探索[J].科技经济导刊，2018，26（27）： 168+151.

[2] 梁孟.试论流体机械中CFD技术的应用进展与趋势[J].建材与装饰，2018，（51）：196.

[3] 张宝吉，周晖.卓越工程师培养计划的“船舶阻力与推进”课程的教学改革与实践[J].船海工程，2016，45（6）：158-160.

责任编辑  陈  佩