周大庆　钟淋涓　刘卫东　郑源

摘要：本文提出將先进的CFD数值试验方法引入工程流体力学的教学中，生动、形象地展示了弯管流动以及翼型绕流两种典型的流动现象，将抽象的概念与理论转为可视化的流动图像，直观地揭示了流场特性，并结合理论公式进行讲授，促进了学生对所学知识点的深入理解，对工程流体力学理论教学形成有益补充，从而达到激发学生的学习兴趣，改善教学效果的目的。

关键词：工程流体力学；CFD数值试验；教学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）30-0194-03

一、工程流体力学课程的特点

不同学科往往具有共同的理论基础，“工程流体力学”已经成为工业自动化专业、热动专业、制冷专业以及化工、石油、冶金等专业必修的一门专业基础课，它是继理论力学、材料力学之后，又一门概念众多、理论体系严密的力学课程。该课程有些知识点涉及推导方程式、一些则涉及不易理解的概念，师生难以互动，课堂气氛不活跃，教与学都存在很大的难度，导致“工程流体力学”的教学效果不佳。同时，该课程试验较多，其中不少是演示性试验，如雷诺试验、卡门涡街、静压力特性、动量方程、伯努利方程、水击、局部损失等。这些水力学试验可以激发学生的学习兴趣，但有限的试验无法涵盖所有的知识点。如何利用科技进步条件，使学生在有限的学时内掌握流体力学的基本理论与流动现象的本质，是亟待解决的一个问题。

二、CFD的简介及其应用

近来年，随着计算机软硬件技术的进步，计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）作为流体力学的一个分支，发展迅速，日益得到广泛的应用[1]。CFD技术是通过流体力学的基本理论，结合计算机技术和图像显示，对包含有流体流动和传热等相关物理现象的系统所做的分析。CFD方法可以看作是利用计算机进行各种数值试验，同传统的物理模型试验相比较，CFD不受场地、仪器、环境、资金等多因素限制，因而有较多的灵活性，很容易模拟特殊尺寸、高温、有毒、易燃等真实条件和物理模型试验只能接近而无法达到的理想条件[2]。随着CFD数值模拟方法的不断发展，对于工程中常见的流动现象，过去只能靠试验手段才能得到的某些结果，现在已经完全可以借助于CFD技术的数值模拟来准确获取[3-6]。因此，可以考虑在工程流体力学的教学中，将某些流动问题通过CFD模拟，直观展示流动现象，从而将抽象的概念、理论变成形象的画面，便于学生对所学内容地深入理解，也利于提高学生的学习兴趣。

三、CFD模拟在工程流体力学中的应用实例

教材中流线的定义为：“流线是指某一时刻流场中的一条空间曲线，曲线上所有流体质点的速度矢量都与这条流线相切”，“在流场中绘出的一系列流线，称为流线簇”。在讲授了速度场、流线与迹线基本理论之后，学生反映概念比较抽象，不容易理解。为了加强学生对基本理论的理解，分别对在工程计算中比较典型的两个问题：弯管流动、翼型绕流进行数值模拟。

1.弯管流动。图1为讲授流体弯管流动问题所采用的教学案例。设计一90°圆形截面弯管，尺寸如图1所示。管路里充满水，设定进口流度v0=0.2m/s。需要求解弯管内的流速和压力分布以及流态的变化趋势。图2表示弯管流动计算的三维模型及其网格示意图。

对“场”概念的讲解，关键在于能给开始学习流体力学的学生对有一个直观而且深刻的印象的。图3则能很生动表明迹线就是流体质点在运动过程中所经历的路径，在接下来讲解流线与迹线的异同点时，学生可以对比分析加深理解。图4、5为利用CFD求解弯管流动时，将典型截面的速度矢量图与压强分布图一起输出，那么整个弯管流动过程中压强及速度的变化过程就非常直观了。可以看到当引水流道中水流流经弯管时，由于离心力的作用，水流对外侧壁面施加正向的压力，对弯管内侧则有负向的牵引力，沿离心力方向压力增加而流速减小，流速分布从外侧向内侧递增而压力分布则从外侧向内侧递减明显，相对于教科书理想化的表示，CFD数值模拟的结果能够更加真实地反映弯管流动的特点。还可以让学生调节入口流速、边壁粗糙度以及模型尺寸等参数，查看这些参数的变化对弯管流动的影响。

2.翼形绕流。图6为讲解流体翼型绕流问题所采用的教学案例。该案例中流体介质为空气。

图7至图9分别显示了在来流攻角为0°、30°和-30°时，翼型周围的空气流速分布和尾部旋涡区。当攻角为±30°时气体均在翼型表面发生了脱流，形成了旋涡。由于流动分离，减小翼型上下表面的压力差导致了升力下降，能量在旋涡区耗散，即产生了所谓的失速现象。通过有限的课堂教学案例，激发起学生的兴趣，引导学生动手修改模型尺寸和安放角度，改变来流速度等边界条件，探索和思考失速的原因和避免方法，从而理解和掌握课堂知识。对于能力突出的学生，可以提供给他们与工程实际相近的复杂模型用于模拟计算，以提高他们独立科研与分析解决问题的能力。

四、结论及展望

正如钱学森先生所说，“展望21世纪，力学加计算机将成为工程设计的主要手段”。因此，对于一些流体运动现象及规律采用CFD方法进行可视化后应用于课堂教学当中，进一步拓展了现有的多媒体技术教学手段，有利于学生加深对流场的理解，拓宽知识面，提高学习能力、创新能力与工程素养，是工程流体力学课程建设的需要和发展趋势。

参考文献：

[1]王福军.计算流体动力学分析—CFD软件原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004.

[2]魏新利，李慧，张军.计算流体动力学（CFD）在化工领域的应用[J].化工时刊，2006，20（2）：63-65.

[3]张金亚.基于CAD与CFD软件的泵和压缩机课程教学改革实践[J].教育教学论坛，2016，（12）：105-107.

[4]李国威，董金玲.CFD技术在无环量圆柱绕流多媒体教学中的应用研究[J].中国现代教育装备，2011，（7）：64-67.

[5]邓权威，刘欣华.CFD在本科教学中的应用—以传热学为例[J].当代教育论坛，2009，（10）.

[6]赵琴，杨小林，严敬.CFD技术在工程流体力学教学中的应用[J].高等教育研究，2008，25（1）：28-29.