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综述在水力机械课程教学中应用Fluent软件的意义
摘要：《水力机械》作为流体机械专业一门重要的基础课程，不仅具有理论抽象、内容复杂的特点，还是众多学生在水力机械研究过程中必须要掌握的基础知识。基于此，本文认为在课堂教学过程中，可以利用Fluent软件直观形象和可视化的优点为学生生动展示水力机械内部工作状态，一方面加快学生对水力机械课程中抽象概念的理解，掌握应有的专业知识，另一方面激发学生的创造性思维，以期为学生开展进一步的研究提供指导性资料。
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一、绪论
《水力机械》是流体机械专业开设的一门专业基础课程,属于机械领域的一个分支。本课程要求学生学习掌握叶片式水泵、水轮机和水泵水轮机的工作原理、工作参数、主要类型和选择方法等相关基础知识,了解水力机械振动问题等内容[1]。通过学习《水力机械》,学生牢固掌握了专业知识,也为今后在水力机械领域的深层次研究打下了坚实基础。
然而,《水力机械》的教学过程比较困难,学生对其知识的理解不够理想。一方面,课程内容抽象、概念性强,如:叶片泵按照工作原理分为离心泵、轴流泵、混流泵。而离心泵按照结构型式进一步分为单级单吸卧式离心泵、单级双吸卧式离心泵、分段式多级离心泵、井用水泵。这给学生理解叶片泵的工作原理和基本结构造成了困扰。另一方面,由于课时的不断压缩,学生在短时间内难以充分理解模型,对课程容易厌倦,缺乏主动学习的同时,也难以建立自身创造性思维。
随着计算机可视化软件的发展,有限元仿真软件代表之一的Fluent为短时间、高质量的学习提供了可能。栾一刚等[2]将Fluent软件应用于工程流体力学课程教学中,使用有限元软件展示了牛顿平板流动现象。杨小平等[3]将Fluent软件应用于计算流体力学课程教学中,使用有限元软件展示了塔式太阳能吸热器的吸热管传热现象。于萍等[4]将Fluent软件应用于工程流体力学课程教学中,使用有限元软件展示了粘性流体外部绕流现象。胡朋等[5]将Fluent软件应用于土木工程专业工程结构抗风实验教学中,使用有限元软件展示了风场结果。许静等[6]将Fluent软件应用于流体机械原理课程教学中,使用有限元软件展示了离心泵流场压力。
本文将Fluent软件应用于水力机械课程教学中,使用有限元软件对离心泵内部流场进一步仿真,展示包括离心泵内部流体轨迹、离心泵内部流体速度、离心泵内部流场压力。帮助学生获得感性认识,形象理解离心泵内部流动情况。
二、Fluent软件介绍
Fluent软件在国际上是较为流行的商用CFD软件之一,凡是与流体、热传递及化学反应等相关的工程问题,运用Fluent均可以进行求解。
Fluent包含大量的物理模型、前沿的数值方法以及优异的前后处理功能,在汽车设计、化工、航空航天、机械工程等方面有着广泛的应用。例如,在石油天然气工业上的应用包括井下作业、喷射控制、油气消散与聚集、燃烧、环境监测、多相流、管道流动等。
Fluent软件具有模拟层流、紊流、热量传递和化学反应等现象的能力,在工业领域上可以分析很多具体实例,从血液流动到流过飞机机翼的气流,从钻井平台到鼓泡塔,从半导体生产到炉膛内的燃烧,从污水处理装置到无尘室设计等。软件中的特殊模型可以用于进行涡轮机械、空气声学、缸内燃烧和多相流系统的模拟工作[7]。
在水力机械课程教学中,运用Fluent软件模拟流体机械内部流场,既解决了传统课堂内容抽象枯燥的问题,又解决了实物模型的笨重、缺乏变通等问题。课堂内容更加形象化,立体感鲜明,加深了学生对流体机械的认识,实现了课堂教育的目的。
三、Fluent软件教学实例
在水力机械课程教学中,通过Fluent软件仿真结果讲解离心泵内部流场状况,以及能量转化过程等内容。如图1,2所示叶片式离心泵有限元计算模型,设计参数为:流量Q=50m3/h,转速n=3000r/min,出口压力P=0.80MPa,叶轮外径D=280mm。
图1 叶片式离心泵整体有限元计算模型
图2 叶片式离心泵叶轮有限元计算模型
从图3仿真结果可以看到,水流进入离心泵后,随叶轮高速旋转,在离心力作用下向四周甩出,经泵壳汇集后,由出水口流出。
图3 叶片式离心泵内部流体轨迹
从图4仿真结果可以看到,水流在离心泵叶轮的作用下,压力有逐渐增大的趋势。此时,旋转的叶轮对水流做功,叶片转动产生的机械能一部分转化为水流的静压能。
图4 叶片式离心泵内部流场压力
从图5仿真结果可以看到,水流在离心泵叶轮的作用下,速度有逐渐增大的趋势。此时,叶片转动产生的机械能的另一部分转化为水流的动能。
图5 叶片式离心泵内部流场速度
四、结论
本文通过Fluent软件仿真水力机械中单级离心泵的案例,直观展示了离心泵内部流体轨迹、离心泵内部流体速度、离心泵内部流场压力,将《水力机械》中的理论与可视化仿真模型巧妙结合。在增强学生对水力机械认知的同时,帮助学生进行拓展性研究,有利于激发学生创造性思维,培养自身的创新能力,一定程度上提高了学生的学习热情和效率。使学生在有限的学习时间内,获得更高质量的学习效果。
参考文献:
[1]陈婧,张宏战,王刚.水力机械[M].北京:中国水利水电出版社,2015:1.
[2]栾一刚,万雷,孙涛,孙海鸥.Fluent软件在牛顿平板流动现象可视化演示中的应用[J].黑龙江科学,2019,10(4):22-23.
[3]杨小平,蔡卓第.数值模拟在传热流动教学中的应用案例[J].广东化工,2018,15(45):232-233.
[4]于萍,郭华锋.FLUENT软件在工程流体力学教学中的应用[J].教育教学论坛,2018,16:271-272.
[5]胡朋,韩艳.Fluent在工程结构抗风实验教学中的应用[J].实验技术与管理,2017,4(34):138-142.
[6]许静,钱昆,李斌,孙珺,倪敬.Fluent软件在流体机械原理课程教学中应用[J].科技风,2016,(12):5.
[7]丁欣硕,刘斌.Fluent17.0流体仿真从入门到精通[M].北京:清华大学出版社,2018:21.
刘竞之.Fluent软件在水力机械课程教学中的应用[J].科技风,2019,(33):60,64.
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