Fluent软件在流体力学课程中的应用
吴正人，戎瑞，董帅，张磊
（华北电力大学 动力工程系，河北 保定）
摘 要： Fluent软件是通过计算机建立实际物理过程的数值模型，借助其计算结果所展示的图像和数据，对包括流动、传热和多相耦合等现象的实际问题进行分析和研究的方法。将该技术引入到流体力学课程教学中，能够将可观察到的流动状态、特征和实验现象、数据相结合，对流体力学课程中不宜观察，难于理解的知识点进行清晰的展示，引导学生对流体力学知识进行系统高效的学习。并通过部分简单的CFD算例应用，展现了该实验教学改革的内容和方式，为进一步推进相关课程教学改革提供了参考。
关键词： 流体力学；教学改革；数值模拟；Fluent
一 引言
流体力学是大部分工科专业学生的必修基础课程，与石油工程、能源与动力工程、化工、建筑与环境、力学、船舶与海洋工程等专业的专业课程息息相关，是一门重要的课程[1,2]。但在传统的教学过程中，缺乏对知识点的发散性启发，不利于培养学生的实践创新能力，也制约了课程教学水平的提高[3,4]。
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计算流体力学（CFD）技术可应用于流体力学实验课程教学过程中，通过多层次、多内容、多视角和多途径的推广，将计算流体力学技术融入到实验教学的每一个环节内，循序渐进，使学生从学习使用CFD技术观察现象逐步成长为使用CFD思维思考分析问题[5,6]。Fluent软件是最常用的CFD软件，其得到了广泛应用。
钝体阻流体绕流具有高度复杂的流动结构，而且圆柱、方柱在工程中被广泛应用，柱体绕流派生出了大量的理论研究和工程技术课题，一直以来成为研究的热点。本文通过展示利用Fluent软件对方柱绕流问题的数值模拟，对抽象的流动问题进行可视化分析，促进学生对基础理论的深入理解和应用，也能让学生结合CFD技术和流体力学知识对复杂问题进行拆解和分析，激发学生发散思维和创新实践能力，引导学生能够主动分析解决实际问题，极大的改善实践教学效果。
二 数值模拟
（一）方柱绕流——卡门涡街
通过三维数值模拟，得到了Re=2.0×104、5.0×104下，单方柱绕流、串列双方柱绕流的涡量图。由图1可见，在计算雷诺数下，在被绕流方柱上下两侧壁面附近交替产生漩涡，并不断脱落，随着流动的进行，在方柱的下游，即流动进入尾流区和外部流动相互作用后，整体的流动发展，形成了经典的流体力学现象——卡门涡街。在形成卡门涡街之后，由涡量图可以发现，方柱的下游尾流区内，上下壁面附近所形成的涡并不是对称的。随着雷诺数的增大，单方柱上下壁面涡的脱落逐渐变快，但卡门涡街整体规律性降低，涡脱落摆动幅度增大。
图1 单方柱绕流的涡量图
因此，术前增加营养支持治疗，改善患者自身营养状况，降低患者体内炎症因子水平，选择自体骨粒进行移植，尤其是对于年龄较高和累及多个椎体的患者，可促进胸腰椎结核手术患者的早期植骨融合，促进术后康复。
在串列双方柱绕流流场中，也出现了经典流体力学现象——卡门涡街。如图2所示，单以流场形态而论，和单方柱绕流流场形态是很像的。而上游方柱与下游方柱之间的区域产生了漩涡，这是因为上游方柱后壁面上分离出来的剪切层在还没有附着在下游方柱侧面上之前就在两方柱中间产生了上下摆动，进而导致了漩涡的产生与脱落。
图2 串列双方柱绕流的涡量图
（二）方柱绕流——阻力系数
图3单方柱绕流的阻力系数曲线
图3 为对雷诺数为2×104、5×104进行数值模拟时，对单方柱绕流、串列双方柱绕流阻力系数进行监测得到的阻力系数曲线。单方柱绕流的升阻力系数都在一定时间后进入规律的脉动，绕一定值上下摆动，但随着雷诺数的增大，阻力系数波动的紊乱性增 大，平均阻力系数也随之增大。
对于串列双方柱绕流，受下游方柱的影响，上游方柱的受力情况与单方柱时受力情况不同，随着雷诺数增大，方柱阻力系数的波动更趋于平稳，如图4所示。
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图4 双方柱绕流的阻力系数曲线
三 结论
借助Fluent数值模拟软件，得到了方柱绕流问题的直观图像，对教学内容及授课方式进行补充。通过CFD算例计算结果所展示的图像和数据，能够引导学生对包括流动、传热和多相耦合等实际问题进行分析和研究。使流体力学中不宜观察，难于理解的知识点进行清晰的展示，便于学生更加直观的理解相关内容，为进一步推进相关课程教学改革提供了参考。
参考文献
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本文引用格式： 吴正人，等.Fluent软件在流体力学课程中的应用[J]. 教育现代化,2019,6(61)：146-147.
DOI： 10.16541/j.cnki.2095-8420.2019.61.055
基金项目： 高等学校能源动力类新工科研究与实践项目（NDXGK2017Y-33）；河北省高等教育教学改革研究项目（2017GJJG212）。
作者简介： 吴正人，男，辽宁人，汉族，博士，副教授，主要研究方向：流体动力学方面教学和科研；戎瑞,男，宁夏人，满族，主要研究方向：旋转机械节能优化与流体力学理论。
标签：流体力学论文; 教学改革论文; 数值模拟论文; Fluent论文; 华北电力大学动力工程系论文;