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CFD軟件在計算空氣動力學(xué)課程中的應(yīng)用
CFD軟件在計算空氣動力學(xué)課程中的應(yīng)用
張立棟，薛琳
�。|北電力大學(xué)能源與動力工程學(xué)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(xué)課程產(chǎn)生的效果，通過與空氣動力學(xué)相關(guān)理論知識進行結(jié)合，既可以有助于學(xué)生們掌握空氣動力學(xué)的理論知識，加深對繞翼型流動過程的理解，又可以提高學(xué)生學(xué)習的興趣，拓展學(xué)生想象力。
關(guān)鍵詞：CFD；風電場；多媒體教學(xué)
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(xué)校開設(shè)風能專業(yè)。傳統(tǒng)的“計算空氣動力學(xué)”是采用數(shù)值計算及公式推導(dǎo)抽象，不易理解，隨著計算機科學(xué)的發(fā)展，計算流體動力學(xué)得到了廣泛使用，相關(guān)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(xué)生的興趣[2，3]。
一、計算空氣動力學(xué)課程存在的問題
計算空氣動力學(xué)的教學(xué)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(dǎo)，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(xué)生理解費力。
實驗教學(xué)，可以幫助學(xué)生較好地理解尾流渦脫落，但每個學(xué)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(fù)雜，高精度實驗設(shè)備等價格昂貴，不能滿足學(xué)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(xué)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(xué)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(xué)教學(xué)過程流程圖
通過參考有關(guān)書籍[4]及學(xué)生課堂反應(yīng)情況，總結(jié)出計算空氣動力學(xué)，用CFD軟件教學(xué)過程流程圖，如圖1所示。根據(jù)教學(xué)大綱，學(xué)生按照操作流程逐步學(xué)習，每步具體內(nèi)容再展開講解。這樣，可以使學(xué)生既掌握相關(guān)計算空氣動力學(xué)知識，又提高動手能力。操作步驟，即為貫穿計算空氣動力學(xué)課程主線可以使學(xué)生鞏固所學(xué)成果，加深學(xué)生計算空氣動力學(xué)的教學(xué)內(nèi)容。學(xué)生親自算出來的結(jié)果，使學(xué)生對CFD軟件產(chǎn)生濃厚興趣，加大學(xué)習本門課程的源動力。
三、教學(xué)應(yīng)用實例
授課過程中，學(xué)生遇到問題及學(xué)生創(chuàng)新思路進行舉例說明，幫助學(xué)生們更好的理解，拓展學(xué)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(yīng)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(xué)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(shè)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(shè)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(guān)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(jié)論
綜上，結(jié)合空氣動力學(xué)相關(guān)理論知識，對計算空氣動力學(xué)講解說明，可以使學(xué)生們加深空氣動力學(xué)的理論知識。通過組合翼型并對其進行分析，可以看出學(xué)生們的想法是新奇的，這說明學(xué)生們在學(xué)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(xué)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(xué)的學(xué)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(shù)在工程流體力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)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(xué)教學(xué)中的應(yīng)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(xué)出版社：69-80.
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