CFD数值模拟在计算流体力学项目驱动实践教学中的应用

王莹+孙晓晶

摘要：计算流体力学是热能动力工程等相关专业的学科基础课。结合计算流体力学课程的教学内容与特点，探讨了将CFD数值模拟技术引入到项目驱动实践教学中的教学方法，并以Fluent仿真软件为例，描述了CFD数值模拟技术在计算流体力学项目驱动实践教学中的具体应用案例。

关键词：计算流体力学;CFD数值模拟;项目驱动;实践教学

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2016）06-0141-02

计算流体力学CFD是流体力学的一个分支，是能源与动力工程类专业的重要基础课。课程讲授CFD数值模拟的基本思想、基本方法以及常用CFD数值模拟工具的使用，通过教学使学生了解、掌握CFD数值模拟的基本知识，为将来在涉及流体流动问题的研究和设计工作中应用CFD数值模拟打下基础。在计算流体力学教学中，可将仿真技术以项目驱动的方式加入到实践教学环节，以加深对概念、公式以及数值方法的理解，进而激发学生探索性学习能力。如何利用好仿真软件的专业优势，将其引入到计算流体力学实践教学中来，提高教学效果是本文要探讨的主要问题。

一、CFD数值模拟在项目驱动实践教学中的优势

根据课程教学任务及其特点，选择适用的教学方式是提高教学效果的关键。传统的教学模式以教师授课为中心，注重基础理论知识的传授与讲解。在教学过程中，教师往往花费大量的时间和精力介绍计算流体力学的基本原理并进行相关理论公式的推导，学生并不能理解计算流体力学的工程应用背景和意义，学生所接受的理论知识绝大部分来源于授课教师的灌输。

由于计算流体力学课程涉及内容的复杂性，传统的教学方法与手段，使得教师和学生在此课程的讲授和学习中都遇到一定的困难和问题。涉及基本方程和数值方法公式推导的部分，传统的板书教学方式可使学生对推导过程进行逻辑思维，对推导得到的公式和结果也会更加印象深刻。对于比较复杂、抽象的教学内容以及公式的应用，则可借助计算机仿真平台的方式进行辅助教学，让学生直观地了解不同公式的应用过程和数值模拟结果。由于流体力学控制方程一般是非线性的，只有极少数情况下才能得到解析解，与工程相关的复杂流体力学问题几乎不能得到解析解，而实验研究一般是在模拟条件下完成的，几乎所有的地面实验设备都不能完全满足所有参数和相似定理的要求。通过CFD数值模拟技术，可以设计一些虚拟的实验，过程中可选用不同公式模型和数值方法，数值模拟所得的结果直观，弥补了理论教学内容的不足。

项目驱动教学，或称项目驱动下的学习、基于项目的学习，是一种以学生为中心的教育方式。要求学生通过一系列个人或合作完成的任务，借助他人（包括教师和学习伙伴）的帮助，利用必要的学习资料，解决现实中的问题，获取知识和技能[1]。在项目驱动实践教学中，借助CFD数值模拟形象的模型分析与演示，既便于教师对计算流体力学应用于工程问题的知识讲述，又使学生对计算流体力学理论知识有更加深刻的理解。

二、CFD数值模拟在项目驱动实践教学应用中的关键问题

1.根据计算流体力学教材，结合学生的具体学习情况，对某些重点、难点以及不宜课堂讲解的地方，考虑能否应用CFD数值模拟进行辅助教学。在教学过程中，需要根据具体的教学内容选择恰当的项目案例，结合传统教学方法与现代教学方法，使其发挥各自优势才能获得更好的教学效果。

2.在教学过程中，向学生展示CFD数值模拟在计算流体力学领域的前沿应用、经典案例。在课程教学中可以随时调用视频录像或仿真软件，将计算流体力学的一些前处理、流场计算和后处理等复杂问题进行动态仿真演示。这样可以激发学生利用相关数值模拟软件对理论知识进行进一步的学习的积极性和主动性，为后续课程设计、毕业设计乃至展开创新创业项目打下基础。

3.选取若干具体案例为“项目”任务以达到对前一阶段课堂讲授知识、技能传授的总结与升华;项目内容中含有学生从来未遇到的问题，需要具备有一定难度。应用CFD数值模拟软件建立计算流体力学仿真分析实例库，这样老师就可以方便地进行讲解，并给学生提供直观、形象的过程与结论，学生理解起来会更容易。

三、CFD数值模拟在项目驱动实践教学的应用案例

1.概念设计。气力输送过程非常复杂，过去和现在多依靠试验数据、经验数据来解决问题。对一般粉体材料，在经验数据充分时，可以得到比较可靠的结果。传统方式靠人工计算过于费时间，现在可以利用计算机进行数值模拟，能较快地得到计算结果。计算机能在较短的时间内绘出初步的图纸，因此在粉体的气力输送过程中能做更多的方案比较，使设计更加合理。数值模拟可以提供一些实验测量中无法提供的数据。在概念设计阶段，老师和学生进行项目的讨论。教师起初先不必框定具体的设计内容，而是要引导学生根据工程应用的实际情况进行头脑风暴，获得设计的大方向，进而指导学生进一步通过阅读文献和资料收集，确立实施思路和初步的方案，获取可借鉴的工程案例。

2.详细设计。在详细设计阶段，教师需要预先讲授CFD数值模拟工具的使用，以Fluent为例，该软件是目前国际上比较流行的商用CFD软件包，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。在这个阶段，学生通过对现场气力输送过程的调研资料和文献资料，结合气力输送设备工艺特点，利用计算流体力学仿真软件Fluent建立可靠的气力输送三维数学模型。对所建立的数值模拟模型进行网格划分，如图1所示，在此过程中，教师可以为学生讲解计算域离散成网格点的过程。在此基础上，利用所建立的气力输送三维数学模型对飞灰的气力输送进行数值模拟，将数值模拟结果和实验测量值进行对比，由此对所建立的数学模型的可靠性和适用性进行验证。

3.发现问题。项目驱动的教学中教师需要着重引导学校在工程应用中发现问题，挖掘导致问题产生的根源，在CFD模拟过程中，要确定边界条件、数学模型和求解方法。气力输送属于大型工业输送物料设备，虽然输送管道几何形状简单，但是总长度较长，并且管道内的输送过程涉及到固相和气相相互作用、物料颗粒湍动粘度以及颗粒间的相互碰撞，过程非常复杂。在此过程中，老师可以为学生讲解各种边界条件的优缺点以及选择依据、数学模型的原理和应用范围、求解格式的选择及相应的计算方法和方程。

4.改进设计。将模型预测结果与实验测量值进行分析和比较，分析边界条件、数学模型和求解方法对结果产生的影响，通过查阅文献了解最新CFD数值模拟技术和方法，并尝试应用到项目驱动实践教学中，提高数值模拟预测结果的准确性。可以利用该数值模拟数据研究气力输送旁管道内压降随着颗粒直径、颗粒密度的变化规律，并通过改变旁通管几何比以及壁面粗糙度的大小，研究管道结构和管道特性对压降的影响。

从“概念设计”、“详细设计”、“发现问题”和“改进设计”这几个项目驱动的实践教学环节可以看到，项目驱动式教学的最主要的特征就是教师引导学生通过寻找完成工作任务的途径与方法，围绕工作项目完成调查研究、网络信息搜集、文献查阅、个人独立思考、讨论答辩、团队合作学习等各项相关的实践与创造活动[2]。

在实施过程中，教师应引导学生查阅资料获取类似项目的技术路线、解决方案与相关专业知识点，对错误明显的方案做适当的引导、纠正，使方案尽量集中在合理的范围之内[3]。需要选择贴近实践的项目案例，将CFD数值模拟软件融入到分组学习和应用指导的整个过程，使学生在项目学习及完成过程中加深对理论知识的理解及实际应用，提升学生分析问题、解决问题的能力。

四、结束语

项目驱动教学在实施的过程中，表现出以项目为本位、以学生为主体的重要特征。教师教授和引导的是项目实施所需的技能、系统知识和应用知识，最终考核的是学生对知识的理解、应用、创新和总结。将CFD数值模拟技术应用到计算流体力学理论教学，可以使教学质量得到明显提高，可以帮助克服客观实际条件对理论教学的制约，加深学生对理论知识的理解，并激发学习和研究的兴趣。

参考文献：

[1]马玲玲.项目驱动教学法培养学生自主学习能力研究[J].山西广播电视大学学报，2010，（3）.

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

[3][美]约翰D.安德森（John D. Anderson）.计算流体力学基础及其应用[M].吴颂平，刘赵淼，译.北京：机械工业出版社，2007.

[4]俞国燕，王贵，刘焕牢，安芬菊，赵娟.机械类专业项目驱动式实践教学模式的探索与实践[J].中国大学教学，2014，（12）.

[5]吕汝金，魏德强，刘建伟，王喜社.模块化项目驱动模式下工程训练研究探索[J].实验技术与管理，2014，（01）.