- 相關推薦
CFD軟件在計算空氣動力學課程中的應用
CFD軟件在計算空氣動力學課程中的應用
張立棟，薛琳
�。|北電力大學能源與動力工程學院，吉林吉林132012）
摘要：本文簡要分析了采用CFD軟件在計算空氣動力學課程產(chǎn)生的效果，通過與空氣動力學相關理論知識進行結合，既可以有助于學生們掌握空氣動力學的理論知識，加深對繞翼型流動過程的理解，又可以提高學生學習的興趣，拓展學生想象力。
關鍵詞：CFD；風電場；多媒體教學
近年來，我國風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛[1]，國內(nèi)多所學校開設風能專業(yè)。傳統(tǒng)的“計算空氣動力學”是采用數(shù)值計算及公式推導抽象，不易理解，隨著計算機科學的發(fā)展，計算流體動力學得到了廣泛使用，相關軟件也發(fā)展迅速。CFD可形象地展示風力機葉片周圍流場狀態(tài)，實際與模擬對比，從晦澀的公式中解脫有助于提高學生的興趣[2，3]。
一、計算空氣動力學課程存在的問題
計算空氣動力學的教學內(nèi)容豐富，如穩(wěn)態(tài)及非穩(wěn)態(tài)數(shù)值計算、不同模型等。傳統(tǒng)的黑板式教育可以對靜態(tài)、公式等進行細致推導，但對動態(tài)過程難以生動的描述。由于計算中涉及到迭代等較為抽象，學生理解費力。
實驗教學，可以幫助學生較好地理解尾流渦脫落，但每個學生都做一次實驗，其人工成本及實驗成本都較高，而且實驗的操作復雜，高精度實驗設備等價格昂貴，不能滿足學生人手一機的需求。同時，實驗過程中，葉片尾流渦的脫落過程受較多限制，為實驗教學帶來了不小的困難。
因此，CFD軟件可以通過數(shù)值計算對空氣動力學物理模型（葉片翼型）進行仿真和數(shù)據(jù)匯總處理、對比分析。分析不同風速對葉片的擾流及后續(xù)尾流產(chǎn)生及脫落；分析不同空氣密度對翼型升力及阻力系數(shù)變化等。
二、計算空氣動力學教學過程流程圖
通過參考有關書籍[4]及學生課堂反應情況，總結出計算空氣動力學，用CFD軟件教學過程流程圖，如圖1所示。根據(jù)教學大綱，學生按照操作流程逐步學習，每步具體內(nèi)容再展開講解。這樣，可以使學生既掌握相關計算空氣動力學知識，又提高動手能力。操作步驟，即為貫穿計算空氣動力學課程主線可以使學生鞏固所學成果，加深學生計算空氣動力學的教學內(nèi)容。學生親自算出來的結果，使學生對CFD軟件產(chǎn)生濃厚興趣，加大學習本門課程的源動力。
三、教學應用實例
授課過程中，學生遇到問題及學生創(chuàng)新思路進行舉例說明，幫助學生們更好的理解，拓展學生們的思維。采用saratov翼型進行仿真模擬前期網(wǎng)格劃分，生成圖2所示相應的網(wǎng)格文件。從圖2中，我們可以看出，翼型周圍所采用的是四邊形網(wǎng)格。圖2b是學生根據(jù)計算圖2a翼型時，通過思考，自己動手建立的二維網(wǎng)格模型，再對該網(wǎng)格進行仿真。
邊界條件及參數(shù)設置，選擇穩(wěn)態(tài)模型，紊流模型選擇S-A模型二階迎風差分格式，來流速度V為8m/s。按照圖1的逐步設置，得到流場數(shù)據(jù)。
圖3是saratov翼型及其組合翼型周圍壓力分布圖，可看出吸力面及壓力面據(jù)相關知識分析翼型前緣壓力高的原因。
圖4是翼型周圍速度分布圖，沿來流方向組合后的翼型后速度最低，在翼型葉根處速度較大，是符合常識的，通過舉例說明使抽象的問題形象化。
圖5是翼型周圍速度的矢量圖，我們可以看到翼型后渦的產(chǎn)生過程。
三、結論
綜上，結合空氣動力學相關理論知識，對計算空氣動力學講解說明，可以使學生們加深空氣動力學的理論知識。通過組合翼型并對其進行分析，可以看出學生們的想法是新奇的，這說明學生們在學習的過程中進行了充分的思考，又通過這個計算空氣動力學這門課所講授的內(nèi)容進行了理解與進一步拓展，不僅僅激發(fā)對計算空氣動力學的學習興趣，而且可以探索翼型未知問題。
參考文獻：
[1]秦云甫。淺談我國風電發(fā)展現(xiàn)狀、問題與對策[J].中國電力教育，2011，（3 ）：45-46.
[2]趙琴，楊小林，嚴敬。CFD技術在工程流體力學教學中的應用[J].高等教育研究，2008，25（1）：28-29.
[3]柏靜儒，辛思諭，王擎。CFD軟件在傳熱學教學中的應用及淺析[J].中國電力教育，2014，（29）：43-45.
[4]韓占忠。FLUENT-流體工程仿真計算實例與分析[M].第一版，北京理工大學出版社：69-80.
【CFD軟件在計算空氣動力學課程中的應用】相關文章：
計算機在體育教學中的應用08-07
仿真操作在化工單元操作課程中的應用08-18
強化數(shù)學課程中的應用意識08-17
詞匯軟件在大學英語詞匯教學中的應用08-26
計算機多媒體在教學中的應用08-07
CDIO在軋鋼機械設計課程改革中的應用08-16
多媒體教學在歷史新課程應用中的幾點看法08-18