Fluent软件在能源与动力工程专业课教学中的应用探索

赵丽娟 贾培英 杨贺绪

摘  要：能源与动力工程专业课理论性强、难度大、学生学习起来困难。本文将Fluent软件引入能源与动力工程专业课教学中，分析了Fluent软件与专业课结合的现状，提出了Fluent软件在专业课中应用的步骤，并结合案例说明了Fluent软件在专业课中应用的可行性。将Fluent软件引入能源与动力工程专业课的教学中，不仅可以激发学生学习兴趣，还可以培养学生解决工程实际问题的能力，为我们推进教学改革提供了一定的思路。

关键词：Fluent软件;专业课;教学

随着高等教育教学应用型改革和发展的需要，我校能源与动力工程专业开始致力于培养立足于社会，服务于地方经济，面向全国的应用型人才，要求学生不仅要有非常扎实的基本知识，还要具备利用自己所学知识解决实际工程问题的能力。传热学、流体力学、汽轮机原理、锅炉原理与构造、泵与风机等课程是能源与动力工程专业学生必修的课程，这些课程理论性较强，内容难度较大，集理论性、抽象性和实践性为一体，具有理论抽象、实践操作技能性强的特点。在实际教学中发现，由于学生缺乏实践经历，仅仅停留在理论理解层面上，难以与工程实际结合起来，学生普遍学习兴趣不高。另外有些实践环节流于形式，学生走马观花，未能真正掌握和理解实践课的内容，不利于学生实践应用能力的提高。

近年来，随着计算机水平的不断提高，将计算机模拟与传统课堂教学模式结合起来，将Fluent软件数值模拟仿真运用在能源与动力工程多门课程的教学中，将能源与动力工程各专业课程紧密结合起来，通过这样的教学改革，调动学生积极性，培养学生自主学习的能力，提升学生解决工程实际问题的能力。

1 Fluent软件与专业课教学结合的现状分析

Fluent软件用来模拟求解具有复杂外形的流体流动、热传导、热传递、化学反应等相关问题。Fluent软件以其在非结构网格的基础上提供丰富的物理模型而著称，提供了丰富的湍流模型;一系列对流、热传导及辐射的模型;与其他传热紧密联系的汽蚀模型、可压缩流体模型、热交换器模型、湿蒸汽模型;复杂的多项流模型及化学反应模型等，应用范围及其广泛。

由于能源与动力工程专业课难度较大，专业性较强，学生学习兴趣不高，教学效果不理想。将Fluent软件引入专业课教学中，能够生动、形象的展示各种数值方法的计算结果，将抽象的概念、理论变成形象的画面，并结合基础理论进行对比讲解，加深学生对相应知识的理解，从而达到激发学生的学习兴趣，改善教学效果的目的。于萍等[1]将Fluent软件引入到工程流体力学教学中，更直观的显示流体的粘性效应，教学效果较好。向夏楠[2]将Fluent软件引入传热学的教学中，引入案例，提升学生学习兴趣。刘竞之[3]将Fluent软件引入水利机械课程教学中，展示水利机械內部工作状态，提升学生学习效果。陈善群等[4]将Fluent软件引入土建类流体力学课程中，对一些典型流动问题进行数值模拟，提高学生学习兴趣。黄茜等[5]将Fluent软件引入油气储运工程专业课程教学中，借助图形显示功能，使学生直观的观察管道和设备内的流动情况，提升教学效果。杨秀萍等[6]将Fluent软件引入液压传动教学中，直观展示了流体在元件内部的流动情况，加强了教学与工程应用之间的有机结合。

近年来，Fluent软件广泛的应用于本科教学中，直观的反应流场流动的情况，清晰的展示流体机械内部的流体流动，达到提升学生学习兴趣，提高教学效果的目的。能源与动力工程各门专业课紧密相连，引入Fluent软件，不仅可以模拟单一知识点，还可以将各门课程知识串联起来，使学生更深层次的掌握所学内容。

2 Fluent软件与能动专业课结合的步骤

能源与动力工程专业课程联系密切，从热力学、流体力学，传热学这些专业基础课到汽轮机原理、锅炉原理与构造、泵与风机、换热器原理与设计等专业课、环环相扣、息息相关，在专业基础课教学时，学生对整个专业知识比较缺乏，教师根据教学内容可以采用教师上课展示或者可以指导学生进行初步的模拟。沈冬梅等[7]在教学中讲解流场等基本概念时，引入Fluent软件，让学生清晰的观察到流场的速度场，教学效果较好。在专业课的教学中，学生已经有了一定的积累，对软件也有了一定的熟悉，教师可以引导，让学生独立完成。刘竞之[3]等运用Fluent软件模拟流体机械内部流场，加深学生对流体机械的认识，教学效果较好。

在教学过程中引入Fluent软件，教师在教学过程中，给学生布置模块任务，引导学生完成教学任务，图1呈现了采用Fluent软件进行数值模拟时的步骤。将数值模拟过程分为前处理和后处理，前处理过程需要学生在课下完成。学生根据教师提供的教学任务，明确所涉及的知识点，初步确定几何模型，确定模拟过程中需要哪些边界条件，并采用相关软件建模及划分网格。后处理过程需要教师和学生共同在课上完成，课上经过教师的分析讲解，学生在课上设置边界条件，设置求解参数，运行处理，分析结果，学生课下完成分析报告。

将Fluent软件引入到教学过程中，存在的最大问题是学生对软件学习困难，不熟练，模拟时间长，占用课堂时间。为了方便在教学过程中学生能尽快熟悉软件，学会初步的使用，我们编写了仿真实例指导书，并将操作过程录制视频，供学生课下学习。同时，

由于时间限制，教师发布教学任务时要考虑模拟求解所用的时间，尽量都采用二维简单的模型，网格数量少，尽量在课堂完成。对于不同工况的模拟，教师可以将学生分组，分项目进行模拟，最终汇总对比结果。

3 案例分析

Fluent软件在能源与动力工程多门专业课中都得到了应用，本文以泵与风机课程为例，讲解关于离心泵内部的流场速度压力的变化情况。

在上课之前，布置教学任务。需要模拟离心泵内部的流场变化情况，需要分析离心泵工作时内部流场速度和压力的变化规律。已知离心泵的流量、转速、叶轮直径、轮毂直径、叶片数，通过计算得到几何模型，并完成建模，并导入Fluent软件，课前将学生进行分组，学生通过小组合作，共同完成作业，每组学生的数据都不一样，学生根据自己小组的参数进行计算，教师将提前关于离心泵建模的相关视频录制好，发给学生提前学习。学生课下完成的作业如图2所示。