基于Fluent案例的工程流体力学课程教学研究

殷金英 王丽杰 孙超 刘月婵 王博 郭抗抗

摘  要：工程流体力学是大多数高等学校工程类专业必修的学科基础课程，典型特点是抽象、逻辑性强。为使学生深刻理解工程流体力学关键问题，该文基于Fluent软件在理论教学中同步阐述弯管、缩放型圆管、斜三通管路流体力学问题数值模拟，在课堂教学过程中穿插数值计算结果，并让学生理解流动问题发生本质，从而激发学生学习兴趣，提高教学效果，培养学生分析问题的实践能力。

关键词：教学方法；数值模拟；Fluent；管道；速度；压强

中图分类号：G640        文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）02-0119-04

Abstract： Engineering Fluid Mechanics is a professional basic course for many engineering majors in colleges. The typical characteristics of the course are abstract and complex logic. In order to give students a deeper understanding of the key knowledge of engineering fluid mechanics， this paper carries out course teaching based on Fluent software. In the theoretical teaching， the numerical simulation of fluid mechanics problems such as elbows， zoom tubes， and inclined three-way pipes is described simultaneously. The numerical calculation results are interspersed in the classroom theoretical teaching process. This approach facilitates students to understand the nature of flow problems， improve their learning interests， and enable the capabilities to solve problems in practice.

Keywords： teaching method; numerical simulation; Fluent; pipeline; speed; intensity of pressure

工程流体力学是热能工程、安全工程、建筑工程等专业基础课，与工程实际有着紧密联系。课程主要内容为流体平衡与运动规律，流体与物体间相互作用和能量转换基本规律，实际工程问题，培养学生分析问题和解决问题的能力及创新思维能力[1-2]。工程流体力学内容涉及较多复杂流动现象，课上老师仅语言讲解，不能展现实际流动过程，而学生也很难明白流动的实质。让学生先看到流动的过程，使学生获得对流动与传热现象的感性认识[3-4]。图片和动画是描述流动与传热的最简单方式，多数学生最初是通过管道截面上速度剖面线图、绕流物体周围的流线图与温度场云图，才建立起流场、温度场概念。Fluent 软件是计算流体力学领域的主要数值软件，应用范围广泛，流动、热传递、化学反应等相关问题均可使用。在工程中，可以模拟流体机械内流体流动、炉膛内煤粉燃烧、电子器件的热控制和制冷装置等[5-6]。本文采用Fluent软件，对工程流体力学教学相关工程问题进行数值模拟。结合各种工程案例的Fluent仿真软件数值模拟结果图像，讲解书本中抽象较难理解的问题，把真实案例模拟的动画图片插入课件和网络课程上，通过教学内容与动态文本、图像、动画结合，将抽象的概念形象化、枯燥的方程式清晰化、晦涩的物理过程机理生动化，调动学生的积极性和创新思维，与传统教学模式融合为流体力学教学服务。

一  工程流体力学教学内容与Fluent软件数值结合

流体力学研究方法主要包括理论分析、实验研究、数值计算。实验数据准确度高，但成本往往也高，且不是所有问题都能给出理论微分方程的解析解，数值计算方法仅需要计算机便可解决工程问题，成本低且耗时短。目前工程中通常使用的数值计算软件有Fluent、Flow3d、Comsol-Multiphysics 等，能够处理实际流体与理想流体、可压缩流体和不可压缩流体、层流和湍流、定常和非定常流动问题等[7]。采用Fluent数值模拟软件进行计算时，根据不同的流动问题选择相应计算模型、计算方法和离散方法，获得数值模拟结果后，采用后处理软件给出相应参数图形、曲线及动画。模拟过程中学生需要学习理解软件的各项功能，以及各项功能的命令和参数设置，这些参数与工程流体力学知识相关联。学生在学习软件和数值计算时，需要翻阅工程流体力学课本，进一步加深记忆相应知识点。课堂讲解工程实例时，教师将Fluent软件中参数与工程流体力学知识点关联讲解，如方程选取项对应工程流体力学的动量方程与能量方程，即方程选择，时间项关联着定常或非定常流动工程流体力学问题，求解参数对应工程流体力学各种流体的基本物理性质，如密度、压强、黏性等。通过课堂讲解加深学生的理解，使得学生深刻体会知识点的实际意义。在教学方案中工程流体力学课程设置在大二下学期，教学过程中安排本课程过程考核大作业为相应流动知识点问题数值模拟题目，可以在进行毕业设计出题时，给出与工程流体力学数值模拟相关题目。因此，工程流体力学课程设置的这一环节，为大四学生课程设计和毕业设计夯实了基础，进而提高课程设计与毕业设计质量，提升了学生工程實践能力。

二  基于工程案例知识点讲解

（一）  弯管

在讲述流体流经弯管时，流动遇到流道形状、大小或方向突然改变等局部阻碍时，流体中将产生涡流、液流变形、速度重新分布的加速或减速，进而引起压力变化，以及流体质点间的剧烈碰撞的动量交换，由此引起局部阻力及能量损失。课堂上只是文字讲解，学生的理解可能会有不同程度的差别，也会出现有同学一头雾水，根本不知道是什么情况的现象。为向学生形象解释流体弯道处发生情况，及弯管处局部能量损失产生的主要原因，用具体工程实例进行讲解说明，会使学生容易理解。在讲课过程中，本文以90°弯管为例进行计算，管径300 mm，入口管长2 400 mm，弯道半径400 mm，出口管长1 200 mm，其他弯管均只改变角度，管内流动液体为水，黏性为1.0×10-6 m2/s，入口速度为20 m/s，入口压强为当地大气压。

通过流动流线图（图1）与速度云图（图2）、压力云图（图3）讲解产生原因，在弯管内液流的完整的流动状况，液流与壁面碰撞并与离心力作用下被迫在转弯处流线发生方向改变，并且在惯性力作用下液流转弯后压向外壁，因此在弯道上方内壁产生非常完整的边界层，流速先增大又减小，压强先减小又增大，在此处产生逆向压差，在逆向压差与摩擦阻力共同作用下，流体脱离壁面形成旋涡区，造成弯管处局部能量损失。在3种不同角度弯管边界层内均出现不同程度的涡流，其中120°弯管上方处的涡流最明显，而150°弯管在弯道处受到湍流的影响最小。结合速度云图（图2）及压力云图（图3）讲解，在离心力作用下液流压向内侧，弯管处内侧的流体速度增大，弯管后惯性力作用下液流压向外侧，弯道上方边界层出现的位置速度减小，并且管道在弯道外侧受到的压力值最大，内侧小。通过该现象结合伯努利方程z+p/ρg+v2/2g=C教学讲解，压力能与动能是两个相互转化的项，即速度减小压力增大、速度增大压力减小。结合压力与速度变化讲解涡流产生的原因，在弯管内侧流速先增大，压强减小，而后流速又减小，压强随后增大，即在此处产生逆向压差，在逆向压差与摩擦阻力共同作用下，在此处产生流体脱离壁面形成涡流。由数值模拟计算能给出3种角度弯道处的最大压力值及最大速度值为122 205.6、140 350.2、138 279.6 Pa，28.2、28.4、28.5 m/s，由此向学生展示3种不同角度的弯管中，90°彎管在弯道处受到的压力最小，120°弯管受到压力最大。而三者在弯道处最大的速度值均稳定在28 m/s左右，转弯角度对弯管压力影响较大，对速度影响较小。这样可以结合案例将弯管处压力与速度变化制作成图片与动画，从而给出涡流产生的原因，教学讲解清楚局部阻力产生的原因，及定量计算出弯管处压力大小，使学生形象理解弯管处压力大小和速度与压力转化关系，这种方式能调动学生学习的主动性，改善教学效果。

（二）  缩放型圆管

在长输管道中缩放型管道很常见，在缩放型圆管内液流速度、压力变化的讲解涉及到流体流动的质量守恒定律和能量守恒定律，在管道缩放处液体流动参数（压力、速度）将随管道截面发生剧烈变化，为让学生清楚明白此种结构内液流的压力和速度参数变化，及如何遵循质量和能量守恒规律，为此采用Fluent软件实例模拟，学生更能够印象深刻，充分理解。该模型均由100 mm的管径组成，共分为3段，每段长度分别为200、200 和350 mm，弯道半径400 mm。入口初始速度为10 m/s，水的黏性系数为1 mPa·s。

由图4—6缩放型圆管中不同位置处的轴向压力、速度分布向学生讲解，液流进入突缩截面之前，压力稳定，经过突缩截面后，压力骤降，并在管径最小处达到最小值，随着截面的扩大又增加。从液流进入管内，未达突然扩大管截面之前，其速度流动特性并未发生较大变化，主要是速度在突缩截面速度增大，而到达突然扩大管道截面时，速度又开始减小。这一变化完全可以由质量守恒定律连续性方程q=AV直接解释，流量固定时速度与截面成反比关系，截面变小速度增大，反之截面变大速度减小，可以直接通过图片和动画向学生讲解连续性方程的原理及实质。结合速度、压力云图（图4—6）讲解：液流在进入突变截面之前，一直可以保持稳定的流动，液流在突缩管道中流动时，在刚经过时，液流可以保持更加稳定的流动，并且随着流速的增加，压力减小，由能量方程可解释，速度能与压力能相互转化，速度增大压力减小，反之同理。而当液流经过突缩管道到达放大截面时，速度减缓，压力增加，两侧压差与液流在管道内壁摩擦力作用下，在管道壁上形成回流，导致流动特性立即失稳。突然扩大截面存在二次回流，在二次回流的作用下，部分液流被推向管道中心，形成环状流，导致流动特性改变。利用图片及视频可以在课上向学生形象解释速度和压力间变化关系和能量方程实质性规律：速度能与压力能可相互转化，即速度增大压力减小，反之速度减小压力增大。

（三）  斜三通管

在实际管道输水工程中，水流流过三通管路夹角时，内部流场发生强烈变化，紊流形成水头损失、管道系统运行不稳定等问题，液流遇截面形状、大小、方向突变等障碍时，流动中产生涡流，液流变形、速度重分及碰撞形成局部阻力。利用Fluent实例数值计算45°斜三通内部流场，并直观向学生展示管道内部水流形态、流速、压强分布，及实际局部阻力系数计算。进水主管为800 mm，出水管主管和支管长为600 mm，管半径为100 mm，黏性为1.003×10-6 m2/s，进口速度为1 m/s。ΔP1及ΔP2为进水管至出水管和进水管至支管之间局部水头损失，ζ1=ΔP1/2ρv2，ζ2=ΔP2/2ρv2，为局部阻力系数。在讲课过程中可以向学生展示支管速度（图7）、流线（图8）、压力（图9）分布，给出进水管流速与压强均匀分布、出水管与支管内流速变低、出水管压强增大的流动状态。并可以详细给学生解释，在水流分流入支管过程中流线转弯，由于流体具有易流动性质，流动水流的抵抗剪切变形能力，在垂直于流动方向上产生速度梯度，在主路下侧、分管外侧壁面形成了速度边界层，边界层内靠近壁面水流速度明显小于远离壁面值。在边界层内离心力与壁面剪切力作用下产生回流，形成涡旋范围越大，所消耗能量就越多，局部损失就越大。结合图8讲解释，从进水管流向支管的过程中，随着夹角的增大水流湍流状态增强。结合图9讲解，夹角逐渐增大的过程中，进水管处压强有降低的趋势，支管处压强一直处于均匀分布状态，夹角的改变对于支管压强分布影响不大。在主管与支管的交界处出现负压，随着夹角的改变，在支管中靠近主管侧边界层内出现不断扩展的低压区，使该支管内水流出现剧烈的回流现象，使支管内的水流流动不稳定，且夹角增大也会增大主管水流的压力梯度，不利于主管内水流的流动。由模拟的图和动画形象向学生展示管道内部水流形态、流速和压强分布。

同时向学生展示计算得出的局部阻力系数，在相同入口速度下，随着支管夹角的增大进口管与主管出口部阻力系数ζ12逐渐减小，进口管与支管局部阻力系数ζ13增大。进口管与主管出口部阻力系数ζ12，在30°至60°范围内基本保持在0.05至0.3范围内。进口管与支管局部阻力系数ζ13，在30°至60°范围内基本保持在0.5左右，两者数值均符合流体力学书上斜角分叉的实验数据[8]。仅凭书上文字知识讲解，学生很难理解边界层概念，通过三通管实例模拟分析讲解流动，学生能直观看到流动过程中速度、压力变化，以及边界层和涡流形成过程，通过计算阻力损失值能使学生对书上的图表进一步理解。

三  结束语

本文给出了弯管、缩放型圆管、斜三通3个工程问题数值模拟结果和压力、速度参数在流动过程中遵循的能量守恒变化关系，速度与管道截面间遵循的质量守恒关系，以及管道局部损失产生的原因及机理分析3个知识点的讲解过程。基于以上问题，采用fluent流場数值模拟技术，结合工程案例，在理论教学中阐述流体力学问题的数学方程及参数间的关系，并结合数值计算结果，在课堂理论教学过程中穿插数值模拟的云图，让学生明白问题发生的本质内涵，使学生对知识理解的完整性和深入性有所提高。既实现了教学过程中实践与理论的相互验证，又获得了从理论到实践过程的深入认知。提高学生学习兴趣，提升理论知识的掌握和思辨能力的培养等，从而激发学生的发散思维、创新意识，培养学生分析问题、解决问题的工程实践创新能力。

参考文献：

[1] 沈昱明.工程流体力学基础（Ⅰ）[J].流体测量与控制，2023，4（1）：95-101.

[2] 陆新晓，李峰，薛雪，等.安全工程流体力学创新实践教学模式探究[J].力学与实践，2021，43（1）：120-127.

[3] 王雁冰，张瑶瑶，王宝珠.线上线下相结合的工程流体力学教学模式探索[J].高教学刊，2022（19）：119-122.

[4] 钱晨，郭艳磊，王晓晖.基于“互联网+”的流体力学实验课程改革与探索[J].教育现代化，2021，8（39）：38-41.

[5] 冉均均，袁磊，慈佳祥.基于新工科的工程流体力学课程教学创新实践[J].电子技术，2021，50（12）：224-225.

[6] 刘荣，陶乐仁.Fluent数值模拟在制冷与空调领域中的应用[J].低温与超导，2010（10）：77-80.

[7] 于萍，郭华锋.Fluent软件在流体力学中的应用[J].教育教学论坛，2018，16（4）：271-272.

[8] 陈卓如，王洪杰，刘全忠，等.工程流体力学[M].北京：高等教育出版社，2013.