流体动力学模拟（精选12篇）
流体动力学模拟 篇1
引言
随着各国环境保护意识的增强和世界能源结构在逐渐变化, 天然气成为最受欢迎的能源之一。换热器中预冷和深冷液化液化天然气重要的一个环节。这是一个涉及能量、热量和质量传递的相变过程以及气液两相间界面的追踪的过程。1981年, Hirts和Nichols[1]提出了VOF (Volume of Fluid) 方法, 并使用该方法对溃坝问题进行数值模拟, 论证方法的可行性。该方法的相界面构造基本思想为运动界面追踪问题的数值模拟起到了开创性的作用;1998年, Boris Halasz[2]从热力学角度, 以能量、动量、质量平衡为基础, 通过分析蒸发式冷凝器内传热传质及流动阻力, 总结出了当时所有类型的蒸发式冷却装置通用的数学模型。1988年, Osher和Sethian[3]提出Level Set (水平集) 方法, 较精确计算相界面曲率及相关的物理量。2015年, Li S[4]等人通过引入热平衡模型, 对亚音速蒸汽注入过冷池直接接触冷凝进行数值模拟, 结果表明在管出口轴向温度随轴向速度降低而升高和压力震荡主要受蒸汽流速、蒸汽冷凝和低温冷却水的静压力影响。
本文的主要目的对天然气在换热器管程中进行深冷液化的问题进行研究, 分析在低温环境下甲烷深冷液化的主要影响因素。本文采用CFX中多相流混合模型, 模拟低温环境下天然气深冷液化的相变传热传质过程, 分析了不同因素对液化的影响及液化后的流型。
1 数值方法
1.1 几何模型
由于在换热器中管程通常为弯管结构, 本文几何模型采用“S”型弯管 (如图1所示) 。模拟计算过程中, 入口通入高温甲烷气体;气体与管道壁面换热, 使管道中甲烷遇冷液化;出口处则为甲烷的气液混合物。
1.2 控制方程
混合物模型[5] (Mixture) 是一种简化的多相流模型, 它用平均速度的概念来模拟多相流中各相具有不同速度的情况。该模型能够求解混合相的能量、动量和连续性方程, 以及各相的体积分数、温度、压力等物理量。
对上述模型, 通过建立动量守恒方程、连续性方程、体积守恒方程以及相间热传递方程。再进行数值模型的稳态求解, 不考虑控制方程在时间上的连续性, 控制方程如下:
(1) 动量守恒方程
式中, ρ和分别表示混合相的平均密度和速度, 表示体积力。uF
(2) 连续性方程
式中, SM描述用户指定的质量源, Γab指从β相到α相的单位体积质量流量
(3) 体积守恒方程
式中, rα表示α相体积比, Np是流体域内所有相的数量。
(4) 相间热传递方程
式中, hα, Tα, λα分别表示α相静焓、温度、热导率, SEα是外部热源, Qα其他相传递到α相的内能。
1.3 网格划分
利用Hypermesh划分模型网格, 流体域采用四面体网格划分, 在壁面添加10层边界层, 第一层厚度0.01mm, 增长率1.2。保持壁面边界层参数不变, 改变网格最小单元尺寸。网格最小单元尺寸:0.5mm、0.7mm、1mm、1.5mm、2mm和2.5mm, 网格数量分别为2605506、1286105、449675、203434、93534和55231。分别对以上5中网格进行模拟计算, 提取管道出口位置温度的平均值与最大值。根据分析可以得出从网格数量449675以后, 网格数量的增加对模拟结果的影响很小。本文选定最小单元尺寸0.7、网格数量1286105作为分析对象。
1.4 边界条件
本节主要针对流体域动力学参数和流体域热力学参数进行分析。由于液化后的液体受重力影响对流动影响较大, 需要考虑重力和浮力的作用;甲烷气相和液相会形成交界面, 因此选用CFX多相流自由液面模型;流体域入口控制参数设置为总压、温度及气态甲烷的体积比;出口设置为静压;所有壁面均为无滑移壁面模型。
流体域内的热力学模型为总能量模型, 相间设置热传递系数1000W/m2k;管程和壳程之间存在热量传递, 为方便计算设定壳程流体温度均为100K, 故管外温度设置为100K, 管的传热系数为20000W/m2k。其入口压强随重力方向而改变。
2 数值结果与讨论
(1) 数值结果的验证。甲烷在换热器管程中深冷液化涉及气液相变及多相流动问题。高温甲烷气体流经壁面, 遇冷液化。同时, 甲烷气体与液化后产生的液体同时在管道中流动。气体液化主要发生在管道表面, 当重力作用可忽略不计时, 将会形成环状的流行 (如图2所示) 。图3展现的为高温甲烷气体从管道入口到管道出口气液百分比, 颜色越深液体比例越高。由图可以看出, 越靠近出口, 甲烷液体越多。与Osher S等实验结果基本符合, 证明了仿真的正确性。
(2) 驱动压力的影响。保持管道壁面的传热系数不变, 设置7组递增驱动压力的计算组, 分别为100Pa、200Pa、300Pa、400Pa、500Pa、600Pa和700Pa。通过仿真模拟计算, 获得管道出口处甲烷的冷凝量。图5为不同驱动压力时, 出口处甲烷冷凝量的变化曲线。由图4可以看出, 在100~300Pa阶段, 冷凝量随着驱动压力的增大成直线增大;300~500Pa阶段, 冷凝量成稳定状态;500~700Pa, 冷凝量又回到直线增长。
(3) 管壁传热系数的影响。保持初始温度和驱动压力不变, 设置9组管道壁面传热系数递增的计算组, 分别为1、2、6、8、10、12、12.5、15、17.5和20k W/m2k。通过模拟计算, 获得管道出口处甲烷的冷凝量。图3-4为不同管道壁面传热系数时, 出口处甲烷冷凝量的变化曲线。由图5可以看出, 随着管道壁面传热系数的增大, 出口处冷凝量呈直线增加。管道壁面传热系数增大, 管壁的热阻减少, 使气体与管壁的传热效率提高, 从而使冷凝的液体增多。
3 结论
本文主要研究驱动压力和管壁传热系数分别对目标参数 (出口处甲烷冷凝量) 的影响。通过简化管道模型, 并采用流体动力学混合物模型结合自由液面模型 (VOF) 对其进行数值模拟, 得到以下结论:
(1) 数值模拟结果与文献中的流型一致性较好, 从而证明了本文所建模型的合理性。
(2) 在优化的范围内, 若要提高甲烷的冷凝量, 可通过提高驱动压力和使用传热系数较高的管道材料。
参考文献
[1]Hirt CW, Nichols BD.Volume of Fluid (Vof) Method for the Dynamics of Free Boundaries.J Comput Phys.1981;39 (1) :201-25.doi:10.1016/0021-9991 (81) 90145-5.
[2]Halasz B.A general mathematical model of evaporative cooling devices.Rev Gen Therm.1998;37 (4) :245-55.doi:10.1016/S0035-3159 (98) 80092-5.
[3]Osher S, Sethian JA.Fronts Propagating with Curvature-Dependent Speed-Algorithms Based on Hamilton-Jacobi Formulations.J Comput Phys.1988;79 (1) :12-49.doi:10.1016/0021-9991 (88) 90002-2.
[4]Li SQ, Wang P, Lu T.Numerical simulation of direct contact condensation of subsonic steam injected in a water pool using VOF method and LES turbulence model.Prog Nucl Energ.2015;78:201-15.doi:10.1016/j.pnucene.2014.10.002.
[5]江帆, 黄鹏.Fluent高级应用.2008.
[6]Garimella S.Condensation flow mechanisms in microchannels:Basis for pressure drop and heat transfer models.Heat Transfer Eng.2004;25 (3) :104-16.doi:10.1080/01457630490280489.
流体动力学模拟 篇2
摘要：用数值模拟的方法准确描述城市污水处理厂二沉池中的流态及固相分布对保证其稳定运行和出水水质达标至关重要,与其他常用于对二沉池进行数值模拟的经验模型、固体通量模型等相比,计算流体力学(CFD)模型在精度上具有明显优势.以基于计算流体力学的商用软件FLUENT为工具,用欧拉-拉格朗日和欧拉-欧拉方法对辐流式二沉池的流态,尤其是固相行为和分布进行了模拟研究.结果表明,固相颗粒在二沉池中的`行为和分布受颗粒的粒径、密度等自身属性以及漩涡等特殊流动现象的影响,呈现出不同于理想沉降理论的轨迹;颗粒粒径及密度越小,颗粒则越易受漩涡等的影响,沉淀池的泥水分离效果也就越差.将模拟结果与实际污水处理厂的数据对比,表明该模拟结果可靠,对工程实际具有一定的指导意义.作 者：肖尧 施汉昌 范茏 XIAO Yao SHI Han-chang FAN Long 作者单位：清华大学,环境模拟与污染控制国家重点联合实验室,北京,100084期 刊：中国给水排水 ISTICPKU Journal：CHINA WATER & WASTEWATER年，卷(期)：,22(19)分类号：X703.1关键词：二沉池 计算流体力学 FLUENT软件 固相行为及分布
投身计算流体力学 篇3
在这里，他投身于计算流体力学的研究及教学中，并对湍流这一百年难题进行了深入探索。
致力于计算流体力学软件开发
计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD），是采用数值计算的方法研究流动问题的一门学科。该学科在工程及科研中发挥了重要作用，尤其是航空航天领域。
飞机、导弹等飞行器设计中需要解决大量的空气动力学问题，早期主要依赖风洞试验，随着计算流体力学及超级计算机的产生及发展，采用数值计算的方法解决这些气动问题成为可能，这就是计算流体力学（CFD）。如今，CFD已在飞行器设计中发挥巨大的作用，很多飞行器设计仅需要少量风洞试验即可完成定型。CFD计算需对软件需求强劲，目前国际上已经有了很多较为成熟的商业CFD软件，而像波音公司这样的大型企业也有自己的内部CFD软件。与国外比，我国在CFD软件开发及推广方面仍有一定差距。
面向应用中的强劲需求，李新亮在CFD算法、模型及软件方面投入十多年的研究，开发了一套开源的计算流体力学软件Open CFD。该软件包含了有限差分及有限体积两个求解器。
有限差分求解器的最大特点是具有非常高的精度，最高精度可达十阶。该软的差分库包含了其自行开发的多种高精度差分格式，以及目前流行的高精度差分格式。主要用于直接数值模拟及大涡模拟等复杂流动的机理研究。有限体积求解器采用多块结构网格，集成了目前常用的数值方法及湍流模型，可用于像整架飞机这样的复杂外形流动的数值模拟。
该软件的另外一个特点是，具有很强的并行可扩展性。测试结果显示，该软件在常规CPU体系上实现了五万余CPU核心的高性能并行计算；而使用众核系统测试时，并行规模达到近百万CPU核心。该软件获得了中科院网络中心2011年度的“计算规模奖”和2013年度“最佳应用奖”。
该软件向国内外开放源代码，二维代码可在流体中文网下载（http：//www.cfluid.com/bbs/forumdisplay.php？fid=2），目前下载量达到上万余次。三维代码也被国内外20多家单位使用。
专注CFD研究和教学
李新亮及其团队在CFD算法，特别是在高精度激波捕捉格式方面取得了丰富的研究成果，先后开发了优化保单调差分格式、加权群速度控制格式等一系列高精度激波捕捉方法。与国际上流行的高精度方法相比，这些方法在尺度分辨率及计算效率方面具有突出表现。
李新亮的精力不仅花在科研上，在教学方面，他更是以自己的一言一行深深影响周围的每一位学生，他教导学生就像一个农民侍弄自己的庄稼一样，用爱心，用耐心，教他们为学、为人。
爱因斯坦曾说，对一切来说，只有兴趣才是最好的老师。兴趣的培养和激发是老师的责任和义务。在这方面，李新亮很用心。每年春季，他在力学所开设计算流体力学的课程，总是吸引了周围高校和研究所的很多学生前来旁听，外校听课学生的比例甚至超过了本单位的学生。他的课件和录像在“流体中文网”等网站被下载上万次，成为学习《计算流体力学》的主流课件。
探索湍流百年难题
湍流是流体的一种多尺度复杂运动状态，自然界和工程中的流动多为湍流状态。湍流是自然科学中的百年难题。到目前为止，湍流的形成、发展机理及其数学模型仍未完全明确，该问题的研究一直是流通力学的学科前沿。飞机、导弹等飞行器设计过程中，无论是气动外形还是发动机设计都会遇到大量与湍流（包括转捩）有关的问题。这些湍流问题是飞行器设计中的“卡脖子”问题，也是工程关注的重点问题。
面向湍流难题，李新亮利用自主开发软件结合大规模并行计算，采用直接数值模拟（DNS）手段进行了深入研究。直接数值模拟是采用密集的计算网格计算出湍流全部尺度流动细节。该方法不依赖湍流模型，因而可以准确地计算湍流，且可以给出湍流的全部信息。是研究湍流机理、实现控制及及建立和改进湍流模型的有效手段。由于湍流的多尺度性，分辨湍流的全部细节需要非常密度的计算网格（网格点数动辄数亿，甚至更多）因而计算量非常巨大，对计算资源及计算软件要求苛刻。而飞行器湍流属于可压缩湍流、包含了湍流与激波等多种复杂因素，其直接数值模拟难度更大。国际上该流动的DNS研究也是近20年内的事情。
面向飞行器可压缩湍流的难题，李新亮及其团队先后对可压缩槽道、平板、钝锥、压缩折角、激波—湍流边界层干扰等复杂问题进行了直接数值模拟研究。在此基础上建立了可压缩湍流数据库，该湍流数据库为湍流机理及湍流模型研究奠定了条件。到目前为止，该湍流数据库为国内外多个科研小组提供了研究可压缩湍流的第一手数据。
钝锥体是火箭及导弹等高速飞行器的典型头部外形，其转捩位置及转捩机理在航天领域倍受关注。直接数值模拟（DNS）是研究该问题的有效手段，但由于计算复杂，国际上尚没有高超声速有攻角钝锥边界层湍流DNS结果报道。面向国家需求，李新亮团队开展了来流马赫数6小攻角球钝锥边界层转捩到湍流的直接数值模拟，得到了整个钝锥边界层转捩过程的全部流场。发现了小攻角情况下，高速钝锥表面上的转捩位置呈现出非单调曲线分布。在此之前，尚没有高超音速钝锥边界层湍流直接数值模拟（DNS）的公开报道，该结果是首个公开报道的高速钝锥边界层湍流DNS算例。该研究为认识小攻角高速钝锥转的捩机理提供了有力依据。
在求索中创新，收获中进步
科学研究是探求未知的工作，贵在求索创新。在投注大量科研精力的领域中，李新亮一路耕耘一路收获。他承担了自然科学基金、“973”“863”等课题以及国防专项等一系列科研项目。获得2000年度中国科学院自然科学奖二等奖、2013年陕西省国防科技进步一等奖等奖项。
除了收获这些荣誉，他还在多项社会活动中发挥所长。现在，李新亮兼任中国空气动力学会物理力学专业委员会副主任委员，中科院超级计算用户委员会委员，“十二五”中科院信息化专题用户组成员，计算物理学会常务理事，《计算物理》杂志编委等众多职务。目前还担任国际知名杂志“Computers & Fluids”的地区编委。
流体动力学模拟 篇4
流体动力学是研究流体平衡的条件及压强分布、流体运动规律、以及流体与固体之间的相互作用等, 研究结果对分析管道的振动及影响因素有重要意义。本文针对新疆某石化公司的10-K-302C离心式甲烷制冷压缩机自开机以来润滑油管线振动较大的问题, 通过对管内流体流动状态进行模拟分析, 得出了流体耦合前后动力特性的变化及管道振动的原因。
2 双向流固耦合分析原理
流固耦合要遵循质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒, 所以在流固耦合交界面处, 应满足流体域固体应力 (σ) 、位移 (d) 、温度 (T) 、热流量 (q) 等变量的相等或守恒, 即满足下面四个方程:
式中:df、ds分别为液体、固体的边界位移。σf、σs分别为液体、固体应力。
3 流体和管道的计算模型
就10-K-302C离心式甲烷制冷压缩机装置的润滑油管线位移较大现象, 通过分析润滑油耦合前后的动力学特性, 找出流体运动特性, 对寻找该管道振动原因有重要指导作用。出口管道的管路图如图1:选取润滑油在弯管中心轴线处的1、、2、、3、、4、点, 及在出口处5、为观测点。
用Workbench有限元分析软件对管道结构进行建模, 并利用workbench自带的填充功能生成润滑油模型。将实际的润滑油简化为不可压缩、无粘性、平均密度和压力在整个流域中均一的流体。分析时设定管道内润滑油的材料属性:质量864Kg/m3, 动力粘度为4.33cp, 比定压热容为2063J/ (Kg.K) 。建立润滑油模型, 为了更好地描述边界层处参数变化情况, 在网格划分时设定膨胀层。
4 流体耦合前后分析对比
4.1 流体耦合前后的压力和速度对比
润滑油耦合前后的速度流线图2和图3, 可以看出耦合前润滑油的最大流速达到了5.168m/s, 耦合后的最大速度为4.555m/s, 较耦合前变小, 但耦合前后流体速度均在弯头处较大,
耦合前后润滑油与管道接触壁面的压力云图4和图5。绝对压力均在入口处较大, 弯头处较其连接处的直管压力较大。耦合前润滑油壁面的最大绝对压力为772KPa, 最小绝对压力为759.9KPa, 压力波动值为1.58%, 压力波动较小。流固耦合后接触壁面的压力大小和分布与耦合前几乎相同。
4.2 耦合前后流体观测点随时间的变化对比
观察观测点在耦合前后轴向速度和压力随时间变化曲线 (图6、7) 。从图6、7可以看出, 润滑油在耦合前后各个弯头处的测试点的速度相差较大, 同时达到稳定的时间不同;耦合前测试点3、4、达到稳定时间较长, 出口处的稳定速度较入口变大;耦合后2、、3、、4、速度波动较大且要达到稳定的时间比较长;耦合前后弯管处的1、、2、、3、、4、的压力同时达到了最值;耦合后除了初始阶段压力值波动较大外, 稳定时间和稳定值都一样。
4.3 耦合前后流体中心轴线处的压力速度对比
耦合前后润滑油从入口到出口的中心轴线处的压力和速度变化情况如图8和9。可以看出耦合前后的流体压力和速度变化情况基本一致, 且都是在管道弯头处压力和速度变化都达到大。
5 结论
(1) 车间提供的出口管路的测试压力波动范围在660-680KPa之间, 软件模拟分析的流体的压力波动范围在660-672KPa之间, 与利用cfx计算结果的差值为1.17%, 说明了可以用双向流固耦合有限元模拟方法进行管道流体的分析研究。
(2) 在润滑油速度为1.93m/s的情况下流体耦合前后的流体压力变化很小, 说明流体的压力能在流固耦合后变化很小, 对管道产生的影响较小;耦合前, 润滑油最大流速为5.168m/s, 耦合后的最大速度为4.555m/s, 流体速度较耦合前减小了11.86%, 由耦合时能量守恒可知, 流体的这部分动能传递给了管道。
(3) 耦合时流体的速度波动比较大, 特别是观测点2、3、4处;耦合时流体速度达到稳定的时间较耦合前达到稳定的时间较长, 这样对管道的影响也会变得较大。耦合后最大速度比设定速度1.93m/s大了136%, 且在弯头处变化最大, 这样会对管道产生很大的冲击力, 造成管道的振动。
参考文献
[1]谢龙汉.ANSYS CFX流体分析及仿真[M].北京:电子工业出版, 2012, 1-20
[2]赵兴艳.CFD方法在流体机械设计中的应用[J].流体机械, 2000, 28 (3) ;22-25
流体力学总结 篇5
2、连续介质假设：把流体当做是由密集质点构成的、内部无空隙的连续体。
3、相对密度：物体质量与同体积4摄氏度蒸馏水质量比
4、体胀系数：压强不变时每增加单位温度时，流体体积的相对变化率（α），温度越高越大。
5、压缩率：当流体温度不变时每增加单位压强时，流体体积的相对变化率，压强越大压缩率越小压缩越难（kt）。
6、体积模量：温度不变，每单位体积变化所需压强变化量，（K），越大越难压缩。
7、不可压缩流体：体胀系数与压缩率均零的流体。
8、粘性：流体运动时内部产生切应力的性质，是流体的内摩擦特性，或者是流体阻抗剪切变形速度的特性，动力黏度μ：单位速度梯度下的切应力，运动黏度:流体的动力黏度与密度的比值。
9、速度梯度:速度沿垂直于速度方向y的变化率。
10、牛顿内摩擦定律：切应力与速度梯度成正比。符合牛顿内摩擦定律的流体；不符合牛顿内摩擦定律的流体。
11、三大模型：连续介质模型、不可压缩模型、理想流体模型。连续介质假设是流体力学中第一个带根本性的假设。连续介质模型：认为液体中充满一定体积时不留任何空隙，其中没有真空，也没有分子间隙，认为液体是连续介质，由此抽象出来的便是连续介质模型。不可压缩流体模型：在忽略液体或气体压缩性和热胀性时，认为其体积保持不变以简化分析，流体密度随压强变化很小，可视为常数的流体。
理想流体模型：连续介质模型和不可压缩模型的总和。
12、质量力与表面力之间的区别：
①作用点不同质量力是作用在流体的每一个质点上表面力是作用在流体表面上； ②质量力与流体的质量成正比（如为均质体与体积成正比）表面力与所取的流体的表面积成正比
③质量力是非接触产生的力,是力场的作用表面力是接触产生的力
13、简述气体和液体粘度随压强和温度的变化趋势及不同的原因。
答：气体的粘度不受压强影响，液体的粘度受压强影响也很小；液体的粘度随温度升高而减小，气体的粘度却随温度升高而增大，其原因是：分子间的引力是液体粘性的主要因素，而分子热运动引起的动量交换是气体粘性的主要因素。
1、质量力与表面力：与流体微团质量相关且集中作用在微团质量中心上的力；大小与表面面积有关且分布作用在流体表面的力（平衡流体无表面切向摩擦力，有流体静压力即内法线压力—静压强是当流体处于绝对静止或相对静止状态时流体中的压强）。
2、流体静压力是流体作用在受压面上的总作用力矢量，大小方向与受压面有关，流体静压强是一点上流体静压力的强度，是无方向标量，各向同性。
3、欧拉平衡方程：质量力与表面力任意方向上平衡（相等相反）；受那方向上质量分力，静压强沿该方向必然变化。
4、有势质量力：质量力所做的功只与起点和终点的位置有关。力的势函数：某函数对相应坐标的偏导数，等于单位质量力在相应坐标轴上的投影。
5、等压面：流体中压强相等的各点所组成的平面或曲面。也是等势面、与单位质量力矢量垂直、两不混合平衡液体交界面必是等压面。
6、静压强基本公式：平衡流体各点位置势能与压强势能一定。
7、绝对压强pabs：以没有气体分子存在的完全真空为基准起算的压强。
相对压强p：以当地大气压pa为基准起算的压强，各种压力表测得的压强为相对压强，相对压强又称为表压强或计示压强。
真空度pv：绝对压强小于当地大气压的数值。
测量压强做常用的仪器有：液柱式测压计和金属测压表。
液柱式测压计包括测压管、U形管测压计、倾斜式微圧计和压差计。
8、阿基米德原理：液体作用于潜体或浮体上的总压力，只有铅垂向上的浮力，大小等于所排开的液体重量，作用线通过潜体的几何中心。
9、流体平衡微分：在静止流体中，各点单位质量流体所受质量力与表面力相平衡。
10、静压强计量单位：应力单位，液柱高单位，大气压单位。
11、静止流体中应力的特性。
（1）方向沿作用面的内法线方向；（2）静压强的大小与作用面的方位无关各向同性。
12、由液体静力学基本方程得到的结论（推论）：（1）静压强的大小与液体的体积无关；
（2）两点的压强差等于两点之间单位面积垂直液柱的重量；
（3）在平衡状态下，液体内任一点压强的变化等值地传递到其他各点。
1、描述流体运动的两种方法：拉格朗日法和欧拉法。除个别质点的运动问题外，都应用欧拉法。
拉格朗日法：是以个别质点为研究对象，观察该质点在空间的运动，然后将每个质点的运动情况汇总，得到整个流体的运动。质点的运动参数是起始坐标和时间变量t的连续函数。欧拉法：是以整个流动空间为研究对象，观察不同时刻各空间点上流体质点的运动，然后将每个时刻的情况汇总起来，描述整个运动。空间点的物理量是空间坐标）和时间变量t的连续函数。
2、定常流动=恒定流：如果流场中物理量的分布与时间变化无关，则称为定常场或定常流动，当地导数为零（与空间坐标无关，则称为均匀场或均匀流动，流线平行迁移导数为零）。
3、控制体：是空间的一个固定不变的区域，是根据问题的需要所选择的固定的空间体积。它的边界面称为控制面。
4、迹线：流体质点运动的轨迹，拉格朗日法。
5、流线：流场中的瞬时光滑曲线，曲线上各点的切线方向与该点瞬时速度方向一致（定常中流线形状不随时间变化且与迹线重合，除了奇点驻点不相交不突然转折），欧拉法。流线构成一管状曲面，称为流管。流线：表示某一瞬时流体各质点运动趋势的曲线，曲线上任一点的切线方向与该点的流速方向重合。（对的描绘）
6、流管流束总流：在垂直于流动方向的平面上，过流场中任意封闭的微小曲线上的点作流线所形成的管状面称为流管。流束：流管以内的流体，称之为流束。总流：由无数多个元流组成的，在一定边界内具有一定大小尺寸的实际流动的流体
7、流量、体积流量、质量流量：单位时间内通过某一过流断面的流体的量；单位时间内通过断面的流体体积；单位时间内通过断面的流体质量。
8、一（二、三）元流：除时间坐标外，流动参数随一（二、三）个空间坐标变化的流动。
9、理想伯努利方程：理想流体总机械能守恒。重力流体的位能、压能、动能叫做位置、压强、速度水头。
10、皮托管：将流体动能转化为压能从而通过测压计测量流体速度的仪器。
11、节流式流量计：通过节流元件前后压差测定流量的仪器。
12、流线迹线相关 流线性质：（1）在恒定流中，流线的形状和位置不随时间变化；（2）在同一时刻，一般情况下流线不能相交或转折。在恒定流中流线与迹线重合，非恒定流中一般情况下两者不重合，但当速度方向不随时间变化只是速度大小随时间变化时，两者仍重合。
差别：迹线是同一流体质点在不同时刻的位移曲线，与拉格朗日观点对应，而流线是同一时刻、不同流体质点速度方向与之相切的曲线，与欧拉观点相对应。
13、流动分类：（1）根据运动参数是否随时间变化，分为恒定流和非恒定流；（2）根据运动参数与空间坐标的关系，分为一元流、二元流和三元流；（3）根据流线是否平行，分为均匀流和非均匀流。
1、力学相似：实物流动与模型流动在对应点上对应物理量有一定的比例关系，包括几何相似（实物流动与模型流动有相似的边界形状，一切对应的线性尺寸成比例）、运动相似（实物流动与模型流动的流线几何相似，对应点速度成比例）、动力相似（实物流动与模型流动受同种外力作用，对应点上对应力成比例）。
2、相似准则：使两个流动动力相似，各项力符合的一定约束关系，包括雷诺准则（相似流动的雷诺数相等，粘滞力相似；雷诺数为惯性力与粘滞力之比）、弗劳德准则（相似流动的弗劳德数相等，重力相似；弗劳德数为惯性力与重力之比）、欧拉准则（相似流动的欧拉数相等，压力相似；欧拉数为压力与惯性力之比）。
3、相似条件：满足几何相似、运动相似、动力相似，以及两个流动的边界条件和起始条件相似。
4、相似关系：几何相似是运动相似和动力相似的前提与依据;动力相似是决定两个流动相似的主导因素;运动相似是几何相似和动力相似的表现。
4、量纲和谐原理：凡正确反映客观规律的物理方程，其各项的量纲必须是一致的。
6、量纲分析：方法是瑞利法和π定理，依据是量纲和谐原理。
7、为什么每个相似准则都是和惯性力做比较？
作用在流体上的力除惯性力是企图维持流体原来运动状态的力外，其他力都是企图改变运动状态的力。如果把作用在流体上的各力组成一个力多边形的话，那么惯性力则是这个力多边形的合力，即牛顿定律F=ma。流动的变化就是惯性力与其他上述各种力相互作用的结果。因此各种力之间的比例关系应以惯性力为一方来相互比较。
1、层流：流速较小时，水沿轴向流动，流体质点没有横向运动，不互相混杂的流动状态。
2、湍流（紊流）：流速较大时，流体质点有剧烈混杂，质点速度在横纵向上均有不规则脉动现象的流动状态。
3、临界：管径与运动粘度一定，从湍流变层流时，平均速度为下临界速度，无量纲数为下临界雷诺数（2320）。
4、水力半径:总流过流断面面积与湿周之比。
5、圆管中层流：只有轴向运动，定常、不可压缩，速度分布的轴对称性，等径管路压强变化的均匀性，管道中质量力不影响流动性能。
6、哈根伯肃叶定律：圆管层流的K型分布得到速度分布，推求流量、粘度。
7、沿程损失：等径管路中由于流体与管壁及流体本身的内部摩擦（沿程阻力），使流体能量沿流动方向逐渐降低，可以用压强损失、水头损失（压强水头差—达西公式）、功率损失（水头损失乘流量pg）表示。
8、尼古拉兹实验：对圆管有压流进行了系统的沿程阻力系数和断面流速分布的测定。层流区（2320），临界区（4000，扎依钦科），光滑管湍流区（布拉休斯100000尼古拉兹），过渡区（柯列布茹克=阿里特苏里用于三个阻力区），粗糙管湍流区（尼古拉兹=希夫林松）
9、局部损失：经过管路附件时产生的压强、水头、能量损失（涡旋区和速度重新分布）。
10、长管短管：水头损失绝大部分为沿程损失，局部损失可忽略的管路；水头损失中沿程损失、局部损失各占一定比例的管路。
11、管路特性：水头与流量的函数关系。
12、串联管路流量等，总水头损失等各段水头损失和；并联管路各段损失等，总流量为和。
13、管中水击（液压冲击）：在有压管道中，由于某种原因，使水流速度突然发生变化，同时引起压强大幅度波动的现象。用间接水击、过载保护、减小管路长度和增加管道弹性防止。
14、雷诺数与粘度、流速、管径（大小）有关。
15、圆管层流流动时,其断面的切应力直线分布、流速抛物面分布。
1、薄壁厚壁孔口区别：厚壁孔口只有内收缩，阻力系数分入口、断面收缩、后半段沿程当量苏力系数三部分。
2、厚壁孔口流速系数小，速度小；流量系数大，流量大。
3、管嘴正常工作条件：长度不能太短，p不能太大。
4、管道：简单管道（沿程直径和流量都不变化的管道）、串联管道（由直径不同的管段顺序连接起来的管道）、并联管道（在两节点之间并联两根或两根以上的管道）。
5、孔口、管嘴出流和有压管流各自的水力特点是：（1）孔口、管嘴出流只有局部水头损失，不计沿程水头损失，；（2）短管的局部水头损失和沿程水头损失都要计入，；（3）长管的局部水头损失和流速水头的总和同沿程水头损失相比很小，按沿程水头损失的某一百分数估算过忽略不计。
《流体力学》教学的探索与实践 篇6
关键词 流体力学 ；有限元仿真 ；实践
中图分类号 C42
Abstract Hydrodynamics is a professional basic course， which is an important branch of mechanics with strong theory. Chinese University has accumulated rich experience in this course for many years. This paper aims at the classroom instruction and the current students accept ability of improving teaching mode， pay attention to the application of software in the actual teaching process， to enhance the teaching quality and efficiency， comprehensive training of students' independent thinking ability. At last to find out a suitable teaching model in the teaching reform of continuous innovation.
Key words hydrodynamics ； finite element simulation ； practice
1 《流体力学》的教学现状
流体力学主要是研究流体（包含气体和液体和离子态）的现象规律和相关力学行为的科学。这门应用面广泛并且实用性强的学科是以物理、数学为基础逐步发展起来的一门专业基础课程，在相关领域占据着特殊的地位，虽然流体力学的发展历经多年，但是在该课程的建设教学中仍然存在着一些问题[1-7]。
目前，国内大多数院校开设的流体力学课程基本内容丰富，综合性比较强，对学生的基础知识掌握要求比较高，同时教学学时紧凑，这种方式使流体力学的理论知识学习相对变得被动，学生的自主动手能力得不到培养，同时创新意识能力也得不到提高。假如不提高教学质量和学习方法，学生很容易出现厌恶学习等负面状态，使得教学的质量难以达到预期的效果。换句话说，相对单一的教学模式已经难以适应当今信息高速化的校园教学环境。因此，开展新型的、多元化的教学模块就成为当下流体力学课程学习的重要改革方式。
2 COMSOL Multiphysics仿真软件在教学中的运用思路
素质教育是以人为本、因材施教，结合当下的流体力学课程的教学现状，笔者在流体力学的课堂教学中率先使用了商用有限元仿真软件包COMSOL Multiphysics。相比较传统的教学方式，课程中相对抽象的疑难点基本能用此仿真软件将知识点以举例或图像的方式展示出来，化抽象为具体，充分发挥学生的主观能动性，最大化地调动学生对流体力学课程学习的积极性，促进了教学和学习的良好循环[2，3]。
由于流体力学内容覆盖面较广，对学生抽象的思维要求和理论的理解能力有着较高的要求。首先，传统的讲授教学模式再穿插以COMSOL Multiphysics仿真软件的图像运用会使流体力学教学质量提高，既保证了教学任务的高水平完成，又为学生的课堂学习予以知识的诱导和启发，让学生们不再是枯燥的消磨时间而是积极地参与到课堂的教学中来；其次，书本和多媒体的结合方式直观地表达出抽象的知识在具体实践中的应用，把复杂的、疑难的问题巧妙地转变为学生容易接受的图形图像，将问题简单化、直观化，让流体力学课程的学习变得既看得见又摸得着，这样方便了学生的理解和记忆，同时把知识牢记和掌握。例如，在流体力学中描述流体一维流动、二维流动和三维流动时，就可以利用COMSOL Multiphysics仿真软件来对不同维度的流体进行图像描述，通过图形来认清这些基本流动性质，对照软件的仿真图形，实现点到平面，平面到立体维度的知识点学习和掌握，帮助学生培养对图像的良好认知，为以后的软件绘图仿真打下较好的基础。
正是通过了这种把知识和多媒体结合的直观教学方法，使得学生更加深刻地理解了课本知识；将抽象的学习内容转化为直观的仿真图形又使得学生在学习的过程中更好地认识实物和理论的关系，达到提升学生空间思维能力的良好教学效果，这样学生在一个相对轻松的教学环境下就能熟练掌握以前的复杂、疑难的理论知识；同时，采用软件仿真的方式可以使教学的疑难点变得生动形象，从而有效地节约教学时间，提高教学质量，增加了学生接受的信息量，拓宽了教学视野，提升了教学效率。通过对不同实例的模拟仿真来对传统书本教材的教学立体化，充分激起学生的学习兴趣并调动积极性，让学生在轻松愉快的教学氛围中不断地汲取知识，提升自己。
3 COMSOL Multiphysics软件的实践分析
流体力学这门课对抽象思维能力的要求较高，学生可能经常会遇到疑难问题，教学的难度在于学生在学习过程中产生的畏难情绪，正是这种负面影响导致学生失去学习流体力学这门课程的兴趣。COMSOL Multiphysics仿真软件很好地解决了教学中遇到的不同问题，它可以较好地避免当学校资金条件不足时导致学生无法在流体力学课程学习后自己实践操作的情况[4]。
学生的实践能力是当今大学生需要重点培养的目标，理论的学习是为了更好地实践，流体力学这门基础课更是实际运用的重点。学生在学习了理论知识后，可以通过COMSOL Multiphysics仿真软件的使用来对掌握的知识学以致用，学生自主地练习一些实际的例子来巩固课堂上的重点内容并加以探讨，既加强了理论知识在实际运用中的可操作性，强化了学生的动手能力，又对学生逻辑思维的能力有所提升，使得学生对教学的理论有了更进一步的理解，达到对所学知识熟练掌握、融会贯通。与此同时，COMSOL Multiphysics软件自身更是提供了许多经典的案例和案例的具体操作步骤，学生通过这些案例可以将学到的知识加以运用到软件的操作上，在相对轻松和自主的环境下将知识加以巩固，这些方式有利于扩大学习的知识面，增加学生对实际问题的分析能力，合理利用有限的教学课程时间，提高学生的课堂学习效率，把理论知识和实际操作结合起来，达到预期的教学效果。
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4 实现教材讲授和软件仿真多元结合
流体力学是当代大学生基础课程学习的重点课程，所以，不仅要加强教材理论的讲授任务，更要将理论联系实际，在课堂上把理论知识运用到软件仿真的实践环节，加强学生的感性认识，同时深化学生对不同知识点的理性思考，真正做到举一反三、学以致用，这是流体力学教改不可缺少的重要部分。教改的目标是将学生的能力培养贯彻落实到优化课堂的高效率讲授中去，这样才能让高校突出素质人才培养的教学宗旨。
随着流体力学课程讲授的逐步深入，理论知识的难度也在不断加大，运用COMSOL Multiphysics 仿真软件能够很好地对讲授知识点拓宽补充，大部分知识点能用此软件得到开展的增强新版本，适应了当代多元化发展的社会带来信息的大量化，在知识点学习之后通过图像及时地加深理解，并且模拟一些具有典型意义的实用案例，抛砖引玉拓宽学生的思路，启发学生对实际问题的深刻思考，通过这种书本教材的讲授和操作软件的结合而带来新的教学方式，能够使学生从听课、模仿、思考、模拟再到创新。例如在讲授一些特定的模型时，教师最好模拟仿真的图像来为学生展示直观的概念，利用COMSOL Multiphysics的辅助功能对分析的图像做出实时的状态分析，根据不同的要求来任意改变模型的物理参数和特定的化学变化，教师通过讲授这些变化过程，让学生有个生动形象的感官体悟并深刻地理解这些理论知识，再通过对COMSOL Multiphysics仿真软件的进一步操作，使得学生在上课过程中理性思考达到强化知识记忆的教学目标，增进师生交流，提高学生主动学习的兴趣。
5 教学案例
在流体力学中，Navier-Stokes方程组是必讲的偏微分方程组。其中，如何能让学生理解用Navier-Stokes方程组描述流场是讲述的难点。笔者在讲述本课程时采用的COMSOL Multiphysics优势是根据偏微分方程自主选择需要的物理场。以二维台阶流、圆柱绕流为例。
首先，利用COMSOL Multiphysics建立教学模型，流程为：选定Navier-Stokes方程组作为模型描述，软件设置如图1-A；建立几何，绘制网格，求解；后处理结果。
其次，根据结果，在后处理模块中，讲述Navier-Stokes方程组各量的含义，并在后处理结果中，分别显示出流场流线图（图1-B）和等压图（图1-C），使学生明白，通过求解Navier-Stokes方程组可获得流场状态。
最后，改变模型几何，选取另一结构进行讲述，加深学生对Navier-Stokes方程组理解。本教学中，第二个模型选择为二维圆柱扰流，得到流场流线图，如图1-D。
6 小结
流体力学教学需要多方位多方式的来实施改革目标，既积极地开展书本教材的理论教授，又创新地将COMSOL Multiphysics仿真软件合理地运用到日常的教学中去。笔者从如何让学生更好地学习流体力学这门课程出发，将教学的效率和质量作为首要目标，从教学的方法和实践方式入手做了一定程度的分析，希望本文内容会对流体力学的教学起到促进作用，通过对教学方式不断的摸索实践，最终能够培养出一批批优秀的高素质人才。
参考文献
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流体动力学模拟 篇7
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
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[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) .
流体动力学模拟 篇8
在传统的旋流器设计工作中, 经验和实验是确定旋流器结构参数及工艺参数的主要依据, 设计的可行与否主要取决于大量的实验, 产品的研发周期长、费用高, 在研发过程中设计人员的经验起着至关重要的作用。CFD软件相对准确地给出了流体流场的分布情况, 可以从流场模拟结果中发现产品或设计中存在的问题, 进而提出改进措施, 并将改进后的产品重新模拟, 便可评估改进是否有效。因此, 应用CFD软件设计旋流器结构参数可减弱对实验和经验的依赖, 从而缩短设计周期, 降低研发成本。
1 FLUENT软件概述及特点
FLUENT用来模拟从不可压缩到高超音速范围内的各种复杂流场。灵活的非结构化网格和基于解的自适应网格技术及成熟的物理模型, 以及强大的前后处理功能, 使FLUENT在转折与湍流、多相流、旋转机械、航空航天、汽车设计、石油天然气、涡轮机设计、环境工程、安全工程等方面有着广泛的应用。FLUENT可以用多种方式显示和输出计算结果, 例如, 显示速度矢量图、压力等值线图、等温线图、压力云图、流线图, 绘制XY散点图、残差图, 生成流场变化的动画, 报告流量、力、界面积分、体积分及离散相的信息等, 使模拟结果可视化。
煤炭科学研究总院唐山研究院是国内最早运用FLUENT研究旋流器内流场分布特性的单位, 在对不同结构参数旋流器选择不同数学模型和边界条件的数值模拟, 并与实验室实验数据进行对比后, 对数学模型参数和边界条件进行改进, 最终得到比较准确的模拟旋流器流场的模型和参数, 为旋流器产品设计和改进提供了依据, 奠定了基础。
2 旋流器流场数值模拟
本文以两产品旋流器为例, 介绍FLUENT在旋流器研究方面的应用, 得出了压力场, 切向、轴向、径向速度场以及密度场的分布情况。
2.1 几何建模及网格划分
本文所模拟的旋流器结构参数如下:旋流器直径450 mm, 入料口为90×90 mm, 溢流口直径190 mm, 底流口直径120 mm, 溢流管插入深度470 mm, 旋流器圆柱段长550 mm, 锥角20°。根据这些参数, 在FLUENT前处理软件GAMBIT中建立三维几何模型, 并划分网格, 如图1所示。
2.2 模拟结果分析
2.2.1 压强分析
旋流器截面压强分布曲线及分布云图见图2和图3, 从图中可以看出, 相同边界条件下, 在相同径向位置上旋流器2压强要高于旋流器1。这说明在相同入口条件和运行条件下, 旋流器2的能量损耗低于旋流器1。从图2可以看出, 旋流器中心存在一个负压区, 即空气柱, 这与传统理论相符。
2.2.2 速度分布
(1) 切向速度分布。旋流器内三维速度运动中, 切向速度具有重要作用。不仅是因为切向速度在数值上要大于其余两向速度, 更重要的是切向速度产生的离心力是旋流器内两相或多相分离的基本前提。图4所示为切向速度分布曲线, 从图中可以看出, 切向速度从旋流器壁面向中心轴线方向上随半径的减小而增大, 在回转半径约等于溢流管内径处达到最大值, 而后随着径向位置的进一步减小, 在靠近中心轴线处随半径的减小急剧降低, 这与理论相符。
(2) 径向速度分布。实验中未测量径向速度分布情况, 从相关文献和理论推导可知, 常规结构的旋流器径向分布如图5所示, 随着位置从器壁趋向轴心, 径向速度逐渐增大, 在空气柱边缘急剧降低。图6所示为旋流器内截面径向速度分布模拟曲线, 从中可以看出, 模拟结果与图5所示分布情况一致。
(3) 轴向速度分布。旋流器内流体的轴向速度从器壁到中心由大变小再变大, 方向由正变负, 即由下向上, 如图7所示。每个断面中间存在一个零速点, 将各断面上轴向分速度为零的点连接起来可得到一个圆锥形包络面, 包络面外部的物料全部向下流动从底流口流出, 内部物料则向上流动从溢流口排出。
2.3 密度分布
图8所示为旋流器内截面密度分布曲线, 从中可看出空气柱的存在, 且旋流器2的空气柱更接近于中心处, 即旋流器内空气柱波动更稳定。空气柱的平稳度决定了旋流器内部能量损耗的大小和分选精度, 空气柱越平稳, 能量损耗越低。
3 结语
由上述分析可以看出, 模拟结果与理论分析相一致, 充分证实了数值模拟的可靠性, 为旋流器的设计提供了可靠的理论依据;并可以一次性评估旋流器改进方案是否可行, 为旋流器的结构优化设计提供技术支持, 缩短了产品的开发周期, 降低了研究成本。
参考文献
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MEMS流速仪流体动力学设计 篇9
综上,国内外常用的测流装置虽然在一定时期和一定程度上对流速检测起到了较大作用,但是仍然存在着设备昂贵、安装复杂、维护困难及精度不高等缺点和不足,加上有些地方的监测点偏远荒芜,不适合人员长期驻守监测。因而,本项目在前人研究的基础上,利用MEMS技术设计低成本、小型化的在线流速测量装置有着巨大而深远的意义,若整个系统推向实际应用更是有着广阔的市场前景。
MEMS技术是随着半导体集成电路微细加工技术和超精密机械加工技术发展起来的,是多学科交叉的新兴领域,具有体积微小、耗能低、微细操作便捷、成本低、传感器对流场的干扰少等优点[3,4,5,6],尤其是微小尺度下流速精确测量问题具有独特的优势。本文提出的一种新型基于MEMS技术的在线测流系统,对于解决河道流速实时在线测量尤其是小微流速的测量具有显著的优势。
1 工作原理
1.1 MEMS流速仪测量原理
热流量传感器的工作原理主要有热损失型X、热温差型Y以及热脉冲型Z。其中热温差型流速传感器利用当流体流过加热体的时候,芯片上游和下游的温度梯度来反映流速,是水流速测量的理想选择。热式流速测量是依据托马斯提出的“气体的放热量或吸热量与该气体的质量流速成正比”的理论,利用流体与热源之间的热量交换关系来测量流速的技术[7]。目前,热式流速传感器主要分为热损失型和热温差型2种类型[8,9,10]。其中,前者通过测量流体流过时加热体的温度变化,测算流体流速,但不能测量流向。后者利用流体流过加热体时,上游的温度下降会比下游快,导致加热体附近热场发生变化,通过测量这个温度差可以同时反映流体流速和流向。即:
式中:T为传感器温度;V和θ分别为流速和流向;s为温差对流速的灵敏度系数。
对于阻值为R、温度系数为α的测温电阻,惠斯通电桥的输出电压分量为:
从而,流速和流向可以表示为:
1.2 系统结构
流速仪测量系统由流速仪探头1、信号线2、信号处理系统3、12V开关电源4、220V电源5、计算机6等部分组成,见图1。
2 流速仪流体动力学设计
2.1 流体动力学模型
流速仪包含传感器芯体、不锈钢管、导热胶体和电位差计式电桥测温模块。本文采用CFD方法建立流速仪的流体动力学模型,对其施加外部复杂对流-传热耦合热边界条件,进行流固耦合传热计算,得到流速仪的温度场分布。
由图2可知,流速计探头由直径为3 mm的不锈钢管、MEMS传感器探头和泡沫密封体组成。传感器探头长10mm,水流垂直流向不锈钢管,钢管中心放置圆柱形传感器,加热功率为2 W,传感器探头上下各安装2节圆柱形泡沫体。流速计探头材料的相关特性参数见表1。
较大的空气域尺寸有利于提高计算精度,但会导致计算变得困难且难以求解;反之,可以使得算法容易实现,但计算误差较大。因此需对空气域尺寸进行优化,通过比较不同空气域尺寸模型的模拟计算情况,从精度和求解的难易程度上考虑,得出低辐射误差温度传感器的合理空气域尺寸为30 mm×100mm×100mm。为获得理想的网格质量,本文采用网格划分软件ICEM CFD对计算模型进行网格划分,采用适应性较强的非结构化四面体网格划分技术生成得到四面体网格。为精确计算流体和固体之间热量交换,对流固交界面进行了边界层网格设计。为验证网格的无关性,对70~150万网格数量模型进行仿真计算。当网格数量从90万变至150万时,随着网格数量的增加,辐射误差变化较小,可认为90万的网格已达到网格无关的要求,因此取数量为90万的网格作为计算网格。
求解时基于压力求解器,并采用非定常流动计算。模型中采用能量方程进行传热计算。湍流模型采用k-epsilon标准模型,压力和速度解耦采用SIMPLE算法,动量、能量以及湍流参量的求解采用一阶迎风模式。
2.2 温度场分布
本文运用CFD方法对流速计进行仿真计算,水流速度和加热功率分别为0.01m/s和2 W。温度场和速度场分布见图3。由计算结果可知,流速计探头传感器的温度为12.592℃。
2.3 不同直径探头对测量的影响
运用CFD方法对不同直径流速计探头进行传热计算,得到水流速度与探头温度之间的关系。加热功率为2 W,水流速度变化范围为0.001~5m/s。探头直径为3、4和5mm。探头温度和水流速度之间的关系见图4。
探头温度随着水流速度的增加而呈指数形式减小,随着探头外径的增加而减小。如图4所示,当水流速度小于0.1m/s时,探头温度变化降低较快,该流速量程,测量精度较高。
由于CFD方法仅能计算有限种类的模型,如能获得任意水流速度、探头直径条件下探头温度与水流速度之间的对应关系,即可获得任意型号探头的测量值。
采用遗传算法对CFD方法计算结果(图4)进行拟合,获得了探头温度T与水流速度V及探头直径D之间的修正方程:
式中:p1=4.682,p2=0.248,p3=-0.58,p4=-0.464,p5=1.659,p6=-0.143,p7=0.655,p8=0.174,p9=0.006,p10=0.715。
将水流速度和探头直径代入方程(1),计算出对应水流速度条件下探头温度,为流速仪提供流速与探头温度之间的对应关系。
3 结论
本文设计了一种基于MEMS技术的在线流速测量仪,通过CFD方法对其在不同水流速度和探头直径条件下进行了数值计算。采用遗传算法对计算结果进行拟合,获得计算方程,应用方程可获得任意气流速度和探头直径条件下探头的温度,为流速仪提供流速与探头温度之间的对应关系。得到以下结论。
(1)本文设计了3种探头直径3、4和5mm的流速仪。
(2)探头温度随着水流速度的增加而呈指数形式减小,随着探头外径的增加而减小。当水流速度小于0.1m/s时,探头温度变化降低较快,该流速量程,测量精度较高。
(3)运用遗传算法获得了探头温度计算公式,将水流速度和探头直径代入公式,计算出对应水流速度条件下探头温度,为流速仪提供流速与探头温度之间的对应关系。
(4)热式水流速仪较目前主流流速仪测量设备具有小微流速测量精度高、成本比现有的设备低、不受环境温度影响等特点。
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流体动力学模拟 篇10
1 广教学媒体
教学大纲，课程说明、课程实施方案和多媒体课件是教师授课和学生学习的载体。工程流体力学课程除了完善上述刚性载体，还特别重视印刷媒体、网络媒体、音像媒体，新闻媒体、实物媒体的教学辅导作用，多渠道获取教学资源和教学信息。寓枯燥抽象的流体力学公式概念于形象直观的理解和掌握。
1.1 印刷媒体
工程流体力学参考书，过控专业的《工程流体力学》是过程装备与控制专业核心课程统编教材，由于难度大，很多高校已经放弃使用。我校一直坚持使用，但指定学生同时使用难度较低的工程流体力学参考书，教师掌控知识高点但简化应用背景，与低难度教材在静力学基本方程、动量定理、伯努力方程、N-S方程等重要的知识点做好教材与参考书的对接。
1.2 网络媒体
国家精品课程建设已经为工程流体力学的教学创造了非常繁荣的精品网络课件群；相比教材，课件的解析性、沟通性、纠偏性和练习性强，优秀的网络课件是工程流体力学课程的宝贵教学资源。
1.3 音像媒体
都江堰、灵渠、三峡等水利工程都已逐渐成为重要的旅游景点，利用这些景点的专题片了解水利工程的流体力学知识：都江堰的鱼嘴分水堤、飞沙堰溢洪道、宝瓶引水口；灵渠的铧嘴与三七分流；三峡蓄水与沿江生态；引导学生们从流体力学的视角去感受人类水利史上充满智慧光彩的宏大工程。旅游景点的音像宣传片也是学生课后学习的有益素材。
1.4 新闻媒体
与流体力学相关的大事件新闻报道是流体力学教学内容的重要点缀。灵芝机场建在雅鲁藏布江的峡谷里，周围都是海拔4600米以上的山，2006年9月1日灵芝机场首航是对27m/s风流和切变的成功挑战；2007年2月顶风行车的新疆列车倾覆，龙卷风新闻报道、因起飞跑道错误而导致的坠机事件、南水北调、西气东输的工程进展等都是流体力学知识相关度极高的新闻素材，启发学生们关注身边的流体力学。
1.5 实物媒体
实物及模型直观、可触，是最好的多媒体。例如对于测压部分，将压力表、皮托管等小体积实物带进课堂，让学生课后动手解剖；组织学生观察手动压水井，并利用所学知识分析其原理、了解其结构；组织学生利用课余时间观察实验室的部分流机实物及模型，加深对流机的原理、结构的认识。
2 重教学互动
课堂是教师授课的舞台，但是全程讲解缺少互动，教学效果不好。教师的精讲和梳理应当辅以学生的互动训练。因此，设计了2～3次教学互动主题活动。一是在课程进行到中期，学生们已经具备流体力学基础知识时，让学生们用“流力眼”过滤身边的流体力学现象，特别是以流程性材料的加工与制造为工业背景的流体力学现象。学生们会惊奇地发现生活中、工程上流体力学现象一直伴随我们左右。因为密切，因为有用，学生自主学习的主体地位得以确立，独立思考，主动求知，使学生从知识的被动接受者变为知识的主动构建者，从“要我学”转化为“我想学”“我要学”。二是选择章节转承有难度的新内容开始，以“为新章节写导语”为互动主题，启发学生挖掘知识结构的联接与发展。灵活学习，动态学习。
尝试设计部分题目，让学生课后以3～4人成组查资料、交流、探讨，并形成文本或P P T；鼓励电脑好的同学以组为单位，设计动画，对部分流体力学的原理以及实物、模型的原理、结构、运转进行模拟、演示。择机当众宣讲和展示，既调动学生课后学习的主动性，又培养观察、思考的好习惯，同时对学生的交流、协作能力的培养很有意义。
3 走近科学家的科学实践
绕流与输运是本科流体动力学的两大部分。流体输运是过控专业学生非常愿意了解和掌握的，因为专业相关度高。过控专业的成套过程装置是组成过程工业的工作母机群，通常是由一系列的过程机械和过程设备，按一定的流程方式用管道、阀门等连接起来的独立的密闭连续系统，流程性材料在其中经历的流动和输运，学生们有自主学习的需求和动力。绕流(包括势流与边界层)内容在矿物加工的很多问题中都是基础，具有重要影响，在本科流体力学中内容篇幅较少，很多规律都是半经验公式，相比流体输运的连续性方程、动量定理和伯努力方程，讲起来枯燥，学生们困惑。为了调动学生学习热情，在绕流与边界层等难度较大的章节，以“普朗特、冯-卡门和钱学森三代师徒与现代航天科技”为题，引导同学们走近科学家的科学实践。当讲到壁面摩擦阻力系数、斯托克斯阻力系数等经验公式时，我们介绍了卡门-钱阻力系数公式，首先建立学生们对经验公式的崇敬，经验不是“大概”更不是“随便”，每一个经验公式都是科学大师心血和智慧的结晶。然后引导学生们理解流体是通过边界层对被绕流物体施力，边界层的形态决定被绕流物体受力的大小和方向，因此也决定了绕流物体的轨迹。
4 教学效果
工程流体力学历来被认为是很难讲授的课程，概念抽象、公式多、枯燥无味是大部分学生对这门课程的反映，我校化工学院矿物加工和过控两个专业在工程流体力学的教学中，改变传统的灌输式教学，充分利用现有的各类教学媒体和手段，以学生为教学主体，采用新颖的教学互动方式，提高了学生对工程流体力学的兴趣，变被动接受为主动吸收，课程结束后学生的反映不再是枯燥无味，而是有趣、有用，取得了良好的教学效果。
摘要：针对中国矿业大学矿物加工和过程控制的专业特点,结合工程流体力学的知识体系,运用多种教学媒体和新颖的教学互动方式,激发学生的学习主动性,取得良好的教学效果。
关键词：流体力学,教学媒体,教学改革
参考文献
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流体力学实验的教学改革研究 篇11
关键词：流体力学；实验教学；教学改革
一、引言
在日趋激烈的全球科技竞争中，工程技术人才是推动国家技术发展的重要推动力量，这些人才不仅应具有扎实的专业基础理论和专业知识，更应具有较强的实践动手能力和工程创新能力。但当前的大中专毕业生中有相当一部分实践能力和创新能力较弱，无法满足用人单位的要求。造成这种状况的主要原因之一是我们的实验教学未能使学生的实践和创新能力得到很好的提高。
流体力学作为许多工科类专业必修的一门专业基础课，其理论应用行业广泛，实践性强，而实验教学是该课程教学的重要环节，对帮助理论知识的理解和对理论知识的验证具有重要作用，对于分析和解决工程实际问题也有重要的作用。因此，为适应人才培养的要求，应重视流体力学实验教学，积极探索和改革流体力学实验教学。
二、以往实验教学中存在的问题
（一）实验课时较少，实验内容单一
实验课的基本目标在于培养学生提出问题、分析问题和解决问题的能力。但由于存在重理论课轻实践课的现象，实验课时安排较少，并且以验证性实验居多，综合性和设计性实验很少。学生做实验的动手机会不多，独立思考、设计和创新的机会更少，这种状况已经严重影响到学生思维的开拓和创新能力的培养。
（二）实验教学方法和考核方式单一
实验教学方法缺乏灵活性，实验教学时，将实验目的、实验原理、实验设备以及实验步骤等都详细讲解给学生听，再进行实验演示，学生只需按照实验步骤操作就可以完成实验，不需要自己去思考、去探讨、去创新。学生养成了惰性心理，只知道要这样做，不知道为什么要这样做，对做实验缺乏主动性、积极性，往往敷衍了事，将做实验当作是任务和负担，而不是当作提高自己实践能力的手段。
实验考核是课程考核的主要环节，应考核学生的理论知识应用能力、动手能力、分析和解决问题的能力、设计创新的能力等。而以往的实验通常采用出勤纪律（10%）、实验操作（50%）、实验报告（40%）这三部分来考核，过于强调实验操作与实验报告的重要性，学生为了得到较高的操作分和实验报告分，实验时就只按老师讲解的实验步骤按部就班地去做，因怕做错实验被扣分，不去探索其他较好的实验方法和步骤。做实验报告时，有的同学抄袭甚至修改实验数据以符合理论结果，实验报告的问题讨论也常有抄袭现象。因此，这种单一的实验考核方式无法体现出学生的创新能力和综合素质，急需改革。
（三）实验室开放工作开展较少
随着国家和学校加大对实验设备投入，流体实验室的设备台套数不断增加，已经基本满足老师和学生的教学和科研需求。但现有的实验室仅对参加学科竞赛同学、SRT同学以及部分教师的科研开放，对其他同学很少进行开放。这样，一方面实验设备未得到充分利用，另一方面有的学生有好的实验设计方案，想做开放性实验却不能使用设备。
三、当前实践教学中的一些探索
（一）改革实验内容
1.综合验证性实验。流体力学实验教学中，验证性实验有雷诺实验、沿程阻力实验、文丘里流量计实验、毕托管流量计实验、孔板流量计实验等，这些实验如果一个两学时地去做，需要较多的时间。由于实验方法类似，有些同学做过一二个实验后，就对做实验缺乏积极性了。因此，可以设计实验方案，将部分验证性实验合并进行，增加一点难度，这样既可以节约实验时间，又可以调动学生积极性，让他们了解各个实验的异同之处，便于分析总结，使所学知识能联系贯通起来。
2.将部分验证性实验设计成综合型或设计性实验。学生在这个设计过程中需要将所学的知识综合运用起来。如在雷诺实验中，通常用接水盘测量圆管内流过的水体积，用秒表测量水流的时间，进而计算圆管内的水流流速。也可以让学生设计几个方案，使用其他方法来测试管内水流速，比如用毕托管、孔板来测流量等。学生在设计方案时，通常会先了解毕托管或孔板等流量计构造及流量测量原理，巩固和掌握相关理论，再运用理论知识。设计的几个方案经过比较分析，确定最优方案，再根据最优方案将设备进行简单的改造，用实验的方法衡量设计方案质量。从设计的过程来看，设计是一个“动手动脑”的过程。它提高了学生的动手、分析和创新能力，激发了学生的创造性思维，拓展了学生的视野。
3.修改实验指导教材。以往的教材实验内容单一、档次不高，多为演示性和验证性实验，实验编排也比较零乱。对于每个实验，教材对实验仪器和实验操作步骤等介绍得过于详细，学生按部就班地进行就可以完成实验，对实验教材和老师产生依赖心理，教材上有的或老师讲过的会做，教材上没有的或老师没讲过的就不会做，思维不活跃。修改后的教材减少了演示性、验证性实验的数量，增加了一些综合性、设计性的实验，使实验教材编排先易后难、难易结合，涵盖大纲要求的所有内容，成为一个有机整体。教材中的部分实验只提供给学生实验目的、实验原理、实验设备等内容，至于实验的方法与步骤等需要学生自己查阅有关资料，进行实验方案设计，方案需经指导老师同意后方可进行实验。实验过程中，要求学生对出现的问题进行分析讨论，并解决问题。实践表明，采用这样的教材后，学生学习积极性明显提高，学生的思考、动手和创新能力均得到锻炼。
（二）改革实验教学方法
1.摒弃“说教式”，采用“启发式”实验教学方法。尽量不采用老师讲解、演示实验，然后学生实验的方法。而多采用让学生自己探索合理的实验方法，学生可以开讨论会，根据实验的原理，提出几种实验的方案，确定最优方案，讨论并确定实验的步骤。实验过程中，以学生讨论和自主设计为主，教师指导为辅，教师只对实验过程进行监控，对学生遇到的关键问题进行启发性指导。
2.让部分学生参与实验准备与设备调试。实验准备是一个繁琐的过程，要准备一些仪器仪表，调试实验装置。如果让学生参与实验准备，既可以减轻教师的工作负担，又可以锻炼学生能力。准备实验，就要对实验的目的、原理以及设备等有较详细的了解。学生根据实验原理确定需要测量的参数，从而准备好需要用到的仪器仪表。因此，这也是一个很好的实验预习过程。在实验设备调试过程中，经常会遇到各种各样的问题，既有本专业的问题，也可能包括电学、机械等方面的问题。这时就需要运用在大学里学到的相关知识去解决，要想解决这些问题就要对相关知识温习、巩固和掌握，就要会综合运用交叉学科知识。事实上，这些问题中有的可能是以后实践工作中经常遇到的问题，独立解决这些问题对以后快速适应实践工作有很大帮助。
（三）加强实验室开放力度，提高学生实践能力
开放实验室，可以给学生提供分析问题、解决问题的场所。在课外时间开放实验室，学生能较自由地选择实验时间，可以根据自己的兴趣选择实验项目和进行实验设计，这样做既有利于学生个性的发展，也能够让他们充分发挥自己的聪明才智，深入地进行科学研究，从而使学生的综合能力得到全面的培养和发展。
流体实验室在满足基本教学要求的同时，尽最大程度为师生服务，特别是为一些学生SRT项目、学生竞赛项目、科研项目等服务。比如上年度有几位学生做了一个建环专业实验结果验证软件开发——流体部分的SRT项目，主要是验证实验结果的正确性，参加项目的
图1 软件主界面
图2 动量定理的界面
学生做了动量定理、雷诺实验、沿程阻力、毕托管流量计、孔板流量计、文丘里流量计等六个实验项目，学生们在每台实验设备上做大量的实验，记录及分析数据，获得各个实验结果的变化范围。根据各个实验的原理及实验设备参数，用C#语言编写一个验证软件，该软件使用时只需将实验得到的数据输入软件，就会显示实验结果的正确与否。软件主界面如图1，其中动量定理的界面如图2。通过完成该项目，学生的实验设计与操作能力、数据分析能力等明显提高，初步养成了科学、严谨、求实的作风，同时也提高了学生的软件编程能力。该项目的成果可以大大减少指导老师检查学生实验结果的工作量，也利于学生及时发现错误，重做实验。该软件已经应用在实验教学课堂上，得到了学生较好的反响。因此，应继续加强实验室开放，使更多的学生有机会培养自己的兴趣以及进行科学探索。
（四）改革实验考核方式
建立更科学的考核体系，考核方式有专业理论知识考试、课堂提问、实验设计考试、实验操作考试等。考核时既重视实验涉及的理论知识考核，更重视对学生动手能力与创新能力的评价。在实验总评分中，体现动手能力和创新能力的内容应占有一定的权重，促使学生有意识培养自己的能力，提高综合素质。
四、继续探索研究，深化流体力学实验教学改革
（一）利用专业软件，进行模拟实验
流体力学的很多实验由于实验设备和条件的限制，无法深入地进行下去。如果采用模拟实验，学生可以改变不同的初始参数，得到不同的实验结果，较好地解决了这些限制。比如在雷诺实验中，如果想研究不同类型流体的下临界雷诺数，就要准备不同的流体，当采用具有危险性或毒性的流体时，进行真实实验的难度就增大了。这时可以考虑采用CFD软件进行模拟实验的方法，将模拟实验的结果与参考资料上的数值进行比较，以确认模拟实验的正确性。模拟实验可以用动画形象地演示实验的过程，帮助学生理解实验，还可以得到真实实验难以得到的数据，比如速度场、流线等。模拟实验使学生初步掌握了专业理论知识的运用，加深了对专业知识的理解；模拟实验也使学生学会了CFD软件的使用，初步了解这种科学研究的新方法。
（二）利用多媒体技术，提高实验教学质量
实验前，可以利用多媒体技术播放科技短片，介绍有关流体实验的历史背景、当时的实验细节以及对流体力学发展产生的作用等，使学生在听故事过程中开始实验，激发继续探索研究的兴趣。利用多媒体动画技术也可以演示实验的详细过程，并利用交互功能控制过程的速度，为学生记忆、理解知识创造良好的条件。在实验中，如觉得有疑问或在实验中没看清楚现象，可以重复播放实验的过程，使实验效果明显增强。
五、结语
流体力学实验教学在流体力学学习中起着非常重要的作用，它能使学生将理论知识与实践结合起来，调动学生的学习积极性和主动性，增强学生的动手能力，培养学生的创新精神，并促使教师加强学习，完善自己的知识结构，提高自己的专业知识水平。因此，改革和完善实验教学，使学生的知识和能力水平适应当代社会对学生的要求，是我们的一项重要任务。
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流体动力学模拟 篇12
《计算流体动力学及其应用》是能源动力方向硕士和博士研究生的一门学科基础课程。自上世纪90年代开设以来, 前后经历了三次大的变革。在1995—2000年期间, 课程名为《叶轮机械的数值模拟计算》, 只针对能源动力学院流体机械专业方向的研究生开设;自2001年起, 课程改名为《计算流体动力学及其应用》, 面向能源动力一级学科及其下属各二级学科的研究生, 并成为能源动力学科方向研究生的一门基础课程;2006年以前, 课程授课内容以计算流体动力学方面的原理和方法为主, 选课学生主要为能源动力学科方向的研究生;从2006年开始, 为适应广大研究生的选课需要, 我们对教学内容进行了适当调整, 辅以CFD商用软件的实例和应用, 以期实现理论性与实践性并重的教学理念, 并将课程面向全校研究生开放。随着计算机技术的飞速发展, 计算流体动力学的应用日益广泛。众所周知, 计算机硬件水平的提升, 将相应地促进CFD商用软件功能更加强大, 应用更加广泛, 最终使得CFD商用软件得到了前所未有的发展。同时, 随着研究生招生规模的扩大, 使得选修《计算流体动力学及其应用》课程的研究生人数大增, 从上个世纪90年代的十几个学生, 到现在的一百多个学生, 而且涉及众多学科, 比如船海、化工、建筑、电气、交通、材料、光电等。《计算流体动力学及其应用》课程的历史与现状在一定程度上给我们将要进行的教学改革提出了新的要求, 同时也为我们指明了课程建设的新方向, 值得我们深入思考, 并付之于实践。
二、课程定位
《计算流体动力学及其应用》作为一门研究生的学科基础课程, 我们在进行改革之前, 应该首先考虑它的定位。华中科技大学作为一所教育部的“985”和“211”的高校, 一直以“研究型”大学著称。学校对于研究生的培养非常重视, 导师为每一位研究生制定了详细的培养计划, 课程的选修均有所考量。基于选修《计算流体动力学及其应用》课程的研究生人数众多, 涉及的院系广泛, 经任课教师讨论, 申请学校研究生院同意, 决定将该课程定位为高水平研究生课程。所谓高水平研究生课程, 初步确立的含义为, 高水平的学者, 采用高水平的教材, 以先进灵活的形式教授课程, 旨在培养学生坚实宽广的理论基础和系统深入的专门知识。高水平课程在内容上应该具有基础性、专业性和前沿性, 前沿性可以体现在任课教师结合自己的科研实践, 在讲授中融入一些与课程相关的前沿内容。
三、教改实践
基于高水平研究生课程这样一个定位, 我们开始着手进行课程的教学改革, 具体内容包括:组建教学团队、改革教学内容、建设实践教学平台。首先, 组建一支高水平、高素质的教学团队。教学团队由三位教师组成, 他们均具有博士学位, 高级职称。其中, 课程负责人张师帅副教授, 长期从事计算流体动力学及其应用方面的教学及研究工作, 自2006年起, 一直担任该课程的主讲教师;任课教师郭照立教授, 是目前国内计算流体动力学方面的顶尖学者, 国家杰出青年基金获得者, 并具有较高的国际知名度。郭教授团队在国内外权威学术刊物和会议上发表科学论文100余篇, SCI收录90余篇, SCI引用1200余次;任课教师陈胜副教授是一位青年学者, 在格子Boltzmann算法研究方面颇有建树。将《计算流体动力学及其应用》课程建设成一门高水平研究生课程, 得到了教学团队中每一位教师的支持, 大家一致赞同经常开展教学交流, 学习先进的教学方法和教学手段, 进一步提高教学效果。其次, 我们对教学内容进行了改革。教学团队根据选课研究生人数众多, 涉及的学科方向广泛, 重新制定了《计算流体动力学及其应用》课程的教学大纲, 确保讲授内容的基础性、专业性和前沿性。课程主要内容包括:控制方程的离散化方法、流场的求解计算方法、湍流模型及其应用、网格生成与计算技术、复杂流动的介观模型和数值方法、格子Boltzmann算法及其应用、经典CFD软件的基本用法等。而对于控制方程的离散化方法, 将重点介绍有限差分法和有限体积法;对于流场的求解计算方法, 将重点介绍SIMPLE及其系列算法;对于湍流模型及其应用, 将重点介绍k-ε模型及其应用;对于网格生成与计算技术, 将重点介绍结构网格和非结构网格的生成方法以及并行计算方法。同时, 还将邀请国内外计算流体动力学方面的专家学者前来开展专题讲座。对《计算流体动力学及其应用》课程进行教学改革是全体任课教师的共同愿望, 大家积极讨论, 并提出在现有教材的基础上, 编写具有自己特色的教材等建议。在改革教学内容的同时, 教学团队还利用学院现有的条件, 建立“计算流体动力学”软件平台, 该平台拥有高性能的计算工作站, 可以开展并行计算、直接数值模拟等大型计算研究, 为研究生开展离散方法、网格生成方法、计算方法以及复杂流动模型等研究工作创造了良好条件, 同时也为对计算流体动力学方面的前沿研究课题感兴趣的大学本科生开展创新性研究工作提供了良好条件。与此同时, 该平台还拥有多种商用CFD软件, 比如FLUENT、CFX、STAR-CD、PHOENICS、Flo-EFD等, 成为广大研究生开展自主学习、自主实践、相互交流的优良场所。还可以根据研究生的需求, 安排任课教师不定期地通过软件平台为学生解惑答疑, 引导研究生探索创新, 提高学术水平。
众所周知, 研究生学术水平的高低是一所大学学术水平的反映, 更是一个国家科技创新能力的反映。研究生不仅需要扎实掌握专业基础知识, 更需要具有较强的创新意识和创新能力。目前, 高等学校在培养研究生创新能力、提高研究生学术水平方面还有待加强。为此, 本文提出了通过对《计算流体动力学及其应用》课程进行教学改革, 并将之建设成具有基础性、专业性和前沿性的高水平课程, 进一步培养研究生的创新能力, 提高研究生的学术水平。同时, 本文对实践过程中的一些具体措施和经验进行了探讨。
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