孙泽 陈杭 许妍霞 刘程琳 宋兴福 于建国

摘 要：工程流体力学是资源循环科学与工程的核心课程之一，在课堂教学中除了讲授流体力学知识，教会学生使用先进的流场测试手段以及数值模拟工具也是极其重要的一个环节。结合科研实践，将目前先进的三维激光粒子测速技术（V3V）讲授给学生，同时将计算流体力学（CFD）数值软件Fluent的相关使用和操作教授给学生，使学生在理论学习的基础上，进行良好的实践，加深理论学习效果，同时培养了相关技能，对学生将来工作和继续深造都有重要作用。

关键词：工程流体力学；CFD；三维粒子测速技术；资源循环科学与工程

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：2096-000X（2018）20-0076-03

Abstract： Engineering fluid mechanics is one of the core courses of Resource Recycling Science and Engineering. In addition to teaching fluid mechanics knowledge， teaching students to use advanced flow field testing methods and numerical simulation tools is also an extremely important part. In combination with scientific research practice， the current advanced Volumetric 3-Component Velocimetry （V3V） is taught to students， and the related use and operation of Computational Fluid Dynamics （CFD） numerical software， which is known as Fluent， is taught to students. Thus， students can combine the theoretical study and practical application， as well as develop their related skills， which will play an important role in students' future work and further education.

Keywords： Engineering Fluid Mechanics； CFD； Volumetric 3-Component Velocimetry； Resource Recycling Science and Engineering

华东理工大学资源循环科学与工程是国家级特色专业，类属化学工程与技术一级学科，是全国首批设置的十个资源循环科学与工程专业之一。该专业依托学校化学工程与技术、环境科学与工程两个一级学科，以化学工程联合国家重点实验室、国家盐湖资源综合利用工程技术中心、大型工业反应器教育部工程研究中心、资源过程工程教育部工程研究中心、能源经济与环境管理研究所等科研基地，构建了教学与科研、理论与实践教学、教学与科研基地建设、产学研合作与工程能力培养密切结合的一体化教学体系。

工程流体力学是资源循环科学与工程专业的核心课程之一，主要通过课程学习使学生获得工程流体力学的基本理论和技术方法，并能运用所学的方程和方法去解决工程实际中的有关流体力学问题，同时培养学生分析问题、解决问题以及创新思维能力。课程既具有理论性，又具有实践性，所以在理论讲授的基础上，增强实践内容，是课程内在的需求。

现代流体力学研究方法包括理论分析，数值计算和试验研究三个方面。这些方法针对不同的角度进行研究，相互补充。理论分析为数值计算和试验研究提供有效的指导；试验是认识客观现实的有效手段，验证理论分析和数值计算的正确性；计算流体力学CFD是數值计算的重要表达方式，用来补充理论及试验的空缺。

计算流体力学CFD是解决流体力学问题的有效手段，同时通过电脑的可视化操作，可以增加流体流动现象的直观认识，所以在流体力学课程讲授基础理论的过程中，教会学生使用数值模拟软件，解决实际流体力学问题，是工程流体力学课程必要的环节。

三维激光粒子测速技术（V3V）是基于两维激光粒子测速发展而成，是目前三维流场测量的最先进的手段之一。资源循环科学与工程专业的学生在学习工程流体力学课程之前，已经完成了专业实验“圆柱绕流尾涡流场的PIV可视化测量”，学生已经掌握了激光粒子测速的基本原理和基本操作。所以在工程流体力学课程讲授过程中，可以增加三维激光粒子测速仪（V3V）的相关原理和操作，拓宽学生的视野，同时激发学生对科研的兴趣。

一、CFD和V3V辅助教学

学生刚开始学习工程流体力学时对一些公式、原理没有直观认知，学习起来比较吃力。使用CFD软件辅助工程流体力学教学，使得学生既可以直观的学习一些流体力学基础知识，又可以对CFD软件有所认识，为下一步的教学奠定基础。常用的CFD 计算软件有FLUENT 、CFX、Phoenix 等。Fluent是目前国际上比较通用的商用CFD软件包，凡是和流体、热传递和化学反应等有关的流体问题均可使用。它具有丰富的物理模型、先进的数值方法和强大的前后处理功能，在航空航天、汽车设计、石油天然气和涡轮机设计等方面都有着广泛的应用。

由于社会的进步，高校学生目前基本都配备有笔记本电脑，笔记本电脑虽然无法运行大型的流体案例，但是作为课堂教学，运用笔记本电脑运算两维的简单案例，完全可以实现，所以在目前的CFD软件教学中，不需要另外配置运算资源，使得CFD教学易于实现。在工程流体力学课堂教学的同时，安排学生在课外安装Fluent软件，课堂上对Fluent的基本操作进行讲解，同时安排若干两维平面的经典流动，学生进行实际操作，实现学生对软件的掌握。

例如课程进行到管流时，可以利用CFD软件直接进行求解，获得管流的相关特征参数，并实现可视化，这样学生会更加的牢固的掌握流体知识。讲授到边界层时，两维的卡门涡阶是最好的案例，同时学生在做案例的时候，也学会了大型CFD软件的使用，以后学生无论是读研究生还是直接工作，都掌握了数值模拟工具，对其将来的发展具有积极意义。

除了讲授数值计算知识和软件求解，工程流体力学还开展了实验测量辅助课堂教学。目前，流体研究领域最先进的流场测试为无接触测量，激光粒子测速仪（PIV）是无接触测量的代表：1. 由于它以非接触方式测量流体的瞬时速度场，测量装置对流体的干扰几乎可以不计，因此测量结果精度高；2. 可以将整个流场成像并将流场的全部速度矢量进行细致的描述，因此人们可以获得对整个流场的全面认识，这一特点是其它流体测量技术不可比拟的。

在PIV发展的基础上，美国TSI公司又开发了三维流场测试技术V3V。V3V原理和PIV技术一样，都是测量示踪粒子在？驻t时间内的位移，再通过计算机计算获得的示踪粒子的运行速度，通过示踪粒子的速度来计算流场的速度分布，但是PIV只能测量片状激光照亮的平面区域，缺乏对流场三维空间的分析，而V3V技术利用三个相机镜头，通过小孔成像原理，实现了流场三维空间的测量和分析。目前这样的三维无接触流场测量技术还属于流场测量领域的前沿。在工程流体力学教学过程中，将无接触测量技术融入课堂教学，同时讲解最新的进展，组织学生参观V3V的拍摄过程，增强学生对先进流场测量技术的认识，同时加深学生对流体知识的掌握。

二、具有专业特色的内容，因材施教

虽然课程教学中引入了CFD软件和三维流体测量设备，但是，由于学生人数较多，同时学生兴趣不一，所以在基础教学的基础上，进行因材施教的扩展。

工程流体力学是资源循环科学与工程专业的核心课程之一，所以教学过程中，V3V的实验演示、CFD的算例，都是和本专业密切相关的实验和项目，由国家盐湖资源综合利用工程技术研究中心博士生执行。主要的实验和计算：电解镁多相流场实验测量、氯化镁直接热解获得高纯氧化镁颗粒的喷雾流场数值模拟，如图2、图3所示。教学班学生分为2-4组进行实验参观，有兴趣的学生还可以在其他时间和博士生继续进行实验和计算，拓展知识面。

CFD的教学则在基本案例的前提下，对于愿意进一步深入的学生，进行单独的教学，国家盐湖资源综合利用工程技术研究中心提供计算资源，由任课教师对这些学生进行进一步的案例讲授，同时进行上机实习。由于计算资源已实现远程操作，所以学生在非上课时间都可以进行上机练习，培养了对流体有浓厚兴趣学生的能力，同时一部分保送研究生的学生也加强了数值计算的能力。

三、良好的教学效果

经过几年的探索，CFD和高级先进流体测量技术进课堂的尝试已经有了一定的经验，但是由于CFD和先进测量技术的复杂性，这一部分的探索还在继续，以达到逐步完善，臻于完美的境界。

通过因材施教的教学，流体知识掌握较好的学生在班级中形成了学习流体知识的核心，围绕这些学生，其他同学也在积极的进行流体知识探索，而这些学习领先的學生又可以对其他学生进行辅导，形成了教师讲授、优秀学生学习消化、同时进行知识扩散的良性循环，实现了资源循环科学与工程专业学生对流体力学知识的良好掌握，教学取得了良好效果。

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