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探讨流体力学实验教学中CFD 模拟技术的运用
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摘要：实验教学水平的高低是衡量高校综合教学水平的重要组成因素之一。该文在分析流体力学课程现状和实验课程存在的问题的基础上，提出了引入CFD软件进行流体力学实验教学的必要性，CFD模拟技术具有强大的计算能力，将复杂的流体运动以云图的形式展现，将抽象的理论具体化，提高了实验教学的质量和效率，拓展了实践教学环节，提升了学生的科研能力和职业能力。
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一、概述
（一）流体力学课程的现状
流体力学是能源与动力类、制冷及低温工程等的专业基础课，也是其他工科专业必不可少的专业课之一。流体力学涵盖了工程作业的方方面面，与大多工程相关的基础课和专业课紧密相关。但是，流体力学涉及的学科领域较多，包括高等数学、工程热力学、大学物理等，其课程内容具有理论推导计算强度大、教学内容抽象难懂、知识点错综复杂等特点，因此会大大降低学生学习的积极性[1]。而流体力学实验教学是本科教学中能唯一直观明了地理解理论课程概念、方法的途径，并且在实验过程中提高学生的动手能力，引发学生思考，发散思维，提高学生学习的积极性[2]。因此，流体力学实验课程的质量至关重要。
（二）实验课程建设存在的问题
以上海海洋大学为例，目前该校流体力学实验授课的专业较多[3]，但大都局限于流体力学课本上的知识。因实验设备台数的局限性、实验课学时的相对较少、特别是没有独立实验课，以及课程中与未来工作息息相关的能源动力类专业，实验课时仅为4学时，实验课占比仅为10%，学生对实验课不够重视。针对以上现状，本文提出利用CFD数值模拟软件开发线上实验模拟，首先解决了设备的局限性，也能让每位同学参与进来，在开展实验前对该实验进行了深刻的理解，可大大提高学生将理论与实验结合的能力；其次与当今时代学研结合的教学模式相呼应，学生在本科阶段即可以掌握一门计算机模拟技术，拓展自己的知识，对有兴趣的同学提供一个新的就业渠道。
二、CFD模拟技术的简介及在流体力学实验教学中的应用
（一）CFD模拟技术的简介
CFD即计算流体力学，是一个集计算与分析于一体的模拟仿真软件。该软件凭借其强大的计算能力，几乎可以解决流体力学所包含的所有流动现象，无论流体具有什么性质（压缩性、粘性），又或者流动属于什么类型（定常流、非定常流，层流或者湍流）。均可通过建立流体运动的几何数学模型，进行模型的网格划分，边界条件的设定，进行计算机模拟分析，获得计算模型内部流场分布情况。依据CFD模拟技术，可以将许多流体力学相关的力学计算和实验问题等在计算机上实现。CFD模拟软件与传统的试验台相比，具有节约设备成本、数据采集量大、结果直观等特点，其在机械设计、航空航天领域、流体力学等领域[4]中已有广泛的应用。但目前CFD软件在流体力学的应用中尚处于缓慢发展阶段，本科教学中很少穿插CFD模拟技术，因此将CFD模拟技术引入流体力学实验教学中具有重要意义。
（二）CFD模拟技术在流体力学实验教学中的开展
基于CFD模拟技术强大的计算分析以及后处理的能力，探索在流体力学实验教学中引入该技术。具体实施情况如下：学生在进行实验课之前首先预习实验内容，利用CFD模拟软件进行建模、计算，导出模拟的计算云图，实验之前将模拟结果以报告的形式提交给实验老师，达到良好的预习效果；其次，在进行实验课过程中，实验老师分别以CFD模拟技术和传统实验台操作两种方法讲述该实验的过程和现象分析，更加清晰明了地让同学理解该实验的目的和现象；最后，实验报告的撰写包含两部分，传统实验的数据分析结果，以及CFD模拟的技术报告。基于上述流体力学实验教学模式，学生不仅提高了学生的预习效果，对实验现象和理论有了深刻、清晰的认识，而且在学习的过程中提升了综合素质。
三、基于CFD的流体力学实验教学方式的成效
（一）实验教学效果提升
在进行传统流体力学实验时，学生大都根据实验指导书，按部就班地操作，且在进行一些传统实验时实验现象观察不明显，实验结果与预期相差甚远，浪费了大量时间。如在进行雷诺实验时，实验的主要目的在于观察层流和湍流的运动状态，以及了解Re与流态的关系，验证临界雷诺数的值。在进行实验过程中，难点是如何把握好过渡流的流态，以至于在做实验的过程中，许多同学做实验的次数高达10次以上，浪费了大量时间和资源。基于上述问题，本文提出了引入CFD模拟技术与传统的流体力学实验相结合的教学模式。学生通过模拟计算获得各个流态的流线图和云图，然后再进行实验，可节约大量的实验时间，提高学生做实验的效率和准确性。
（二）拓展实践教学环节
学生在学习理论知识的基础上，分别利用实验和CFD模拟两种办法进行不同形状物体的扰流阻力等实验，用理论结果支持实验结果的同时，利用模拟软件验证实验的结果。CFD模拟软件具有强大的数据计算功能，学生在模拟结束时，可以获取大量所需数据，省去大量的计算时间。在进行基础实验的基础上，拓展思维，研究其他因素（低速风洞扩压段倾斜角的大小、外形结构）对绕流阻力的影响。通过流体力学实验平台的模拟计算，也可对实验台进行优化设计等。学生在实验过程中，拓展了学术思维，提高了建模能力、分析能力、思辨能力以及在遇到流体力学相关工程案例时开辟了新的思路。
（三）科研能力的提升
当代学生具备的素质不仅仅局限于教科书里，学习与科研相结合的教学模式是未来本科生教学的方向，科研产出也是衡量一所大学教育水平高低的重要指标之一。现阶段，国内大多学校对于本科理论教学与科研相联系的密切度并不高，且大都学习一些简单的流体力学模型。但工程实际中大都是复杂的模型，在解决工程实际问题时，基于测试环境、试验条件等的局限性，大都采用CFD模拟技术对模型进行模拟处理。因此，在学生学习理论知识的同时，有必要传授学生解决实际问题的方法和思路。在进行实验课程设计的过程中，鼓励同学积极参与实验方案的设计，通过大量数值模拟结果，论证和搭建实验平台，增强学生的科研能力和论文水平。
（四）职业能力的提升
学以致用是读书的本质目标，但是目前学校有关流体力学的实验授课研究与企业项目应用存在诸多差异[4]，针对这一现象，提出企业与学校合作的教学模式开展流体力学实验课程和制定毕业论文的课题。工程实践中问题往往比较复杂，现阶段高校学生很少有机会接触，这就造成了学校与企业的脱轨。现在提出“校企合作”的教学模式，企业提供一些关于流体力学项目的技术案例文件，在校学生根据工程案例的技术文件在计算机软件上给予模拟计算，利于培养学生的职业能力，缩短与企业接轨的时间。
四、结论
本文针对流体力学实验教学中存在的问题，结合课程的特点，提出了在流体力学实验教学过程中引入CFD模拟技术，通过对流体流动状态进行模拟计算，得出可视化的流场云图，提高了实验教学的效果，与此同时利于拓展实践教学环节、提升学生的科研能力和职业能力，利于培养现阶段具备创新能力、科研型能力和应用能力的人才。
参考文献：
[1]王福军,周凌九,严海军.计算流体力学课程教学改革与实践[J].高等农业教育,2005,(11):63-64.
[2]陆亮,訚耀保,米智楠,等.CFD流场模拟虚拟实验在《流体力学》课程教学中应用的思考[J].教育教学论坛,2018,(13).
[3]张若玫,兰雅梅,李庆军.CAI在雷诺实验教学中的应用与探讨[J].教育教学论坛,2017,(17).
[4]毛文贵,卿上乐,李建华.浅谈新工科背景下学生复杂工程问题能力的培养———以《流体力学与流体传动》课程为例[J].教育教学论坛,2019,(4):233-234.
唐婉.CFD模拟技术在流体力学实验教学改革中的若干探索[J].教育教学论坛,2020(9):119-120.
专业导论课程是各个工科专业都要开设的一门必修课程，旨在介绍本专业的研究对象、发展方向、关键技术及课程体系，通过该门课程的教学让学生对专业有一个总体上的了解，并为后续的专业课学习提供系统性指导，同时也需要培养学生树立投身于祖国工业和国防建设的伟大理想，在专业导论课的教学方面，多位教师学者都提出了很多教学改革思路[1,2,3,4,5]。
2024-07-17
在网络信息发达、繁杂的时代背景下，青年大学生极易接触到不良的思潮和价值观，存在急功近利的价值取向，缺乏家国情怀，集体责任感以及坚定的社会主义人生理想信念。大学生在校期间的绝大多数时间是在非思政类课程学习中度过。习近平总书记在全国高校思想政治工作会议上强调指出“要用好课堂教学这个主渠道。
2020-12-15
腐蚀是普遍存在于国民经济和生产生活中的重要破坏因素，学者们针对材料腐蚀现象进行了众多研究，其中，静态环境下的腐蚀研究已较为丰富。在流动体系中，流体对材料表面及腐蚀产物膜的力学冲刷作用、对腐蚀性离子的传质促进作用以及对界面反应过程的影响使得流动环境下的腐蚀问题更加严重和复杂。
2020-12-03
在核反应堆中，控制棒驱动机构是反应堆控制和保护系统中重要的伺服机构，控制棒驱动机构是驱动控制棒组件运动、实现准确调节反应堆内反应性变化的重要部件，控制棒驱动机构具有实现反应堆启动、提升功率、保持功率、负荷跟踪、正常停堆和紧急事故停堆等重要的安全功能。
2020-11-27
腐蚀是普遍存在于国民经济和生产生活中的重要破坏因素，学者们针对材料腐蚀现象进行了众多研究，其中，静态环境下的腐蚀研究已较为丰富。在流动体系中，流体对材料表面及腐蚀产物膜的力学冲刷作用、对腐蚀性离子的传质促进作用以及对界面反应过程的影响使得流动环境下的腐蚀问题更加严重和复杂。
2020-11-17
房间内污染物来源包括:煤气泄漏、一氧化碳泄漏、室内装修后残留的甲醛等污染物。其中煤气和天然气、CO等污染物通过管道或者开关未关闭泄露至空间中，而室内装修残留物则主要为家具或者地板等使用的材料超出规定指标而不断残留在房间中。本文主要采用CFD的方法进行结构合理性的验证。
2020-11-17
为研究一种高减压比组合式空气减压阀的流场特征,基于计算流体动力学(CFD)方法,建立减压阀数值计算模型,针对两级阀体特征参数组合的典型工况进行仿真计算,研究减压阀流场参数分布,分析柱阀间隙和引气位置对流动状态和减压比影响。计算结果表明,组合式减压阀流场状态复杂,第一级柱阀间隙对于流动损失和局部参数分布有重要影响,两级阀分别通过总压损失和流速变化实现减压过程,通过合理的特征参数组合可获得较大减压比及其调节范围。
2020-11-16
气体在液体中的运动广泛存在于自然界和工程领域中,如发动机水下排气、水下爆炸引起的气泡运动、石油开采.其中的动力学过程在一个多世纪以来一直受到人们的关注[1,2].数值模拟是研究气体在液体中运动的一种有效方法[3,4].由于液体与气体之间的密度比一般远大于重液体与轻液体之间的密度比,所以气液相界面的捕捉一直是数值模拟的重点与难点.
2020-08-10
理论和实践证明，环量控制[1]方法可以通过产生射流在后缘形成Coanda效应[2]来改变环量，从而产生高升力[3]。国内外一些学者针对环量控制参数的影响都进行了研究：Englar[3]、Liu等[4]经研究得出在小攻角、小动量系数下环量控制可产生较大升力的结论；张艳华等[5]通过计算流体力学数值仿真方法（CFD）研究了动量系数和攻角对NASA超临界翼型的升阻特性和附面层分离特性的影响规律。
2020-08-10
流体力学是研究流体在静止和运动状态下的运动规律及流体与固壁相互作用力的一门学科，在机械、能源、汽车、化工、航空、航天等诸多领域有着极广泛的应用[1]。该课程是力学、机械等专业本科生的专业基础课程。由于其涉及数学、物理、力学等内容，概念多，公式推导繁琐，理论性强，实际应用广，对学生综合利用知识的要求较高，是普遍公认的教师难教、学生难学的课程之一[2]。
2020-08-10
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期刊名称：应用数学和力学
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主管单位：重庆交通大学
主办单位：重庆交通大学
出版地方：重庆
专业分类：科学
国际刊号：1000-0887
国内刊号：50-1060/O3
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创刊时间：1980年
发行周期：月刊
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2020-05-11
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