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CFD软件在计算空气动力学课程中的应用
CFD软件在计算空气动力学课程中的应用
张立栋，薛琳
（东北电力大学能源与动力工程学院，吉林吉林132012）
摘要：本文简要分析了采用CFD软件在计算空气动力学课程产生的效果，通过与空气动力学相关理论知识进行结合，既可以有助于学生们掌握空气动力学的理论知识，加深对绕翼型流动过程的理解，又可以提高学生学习的兴趣，拓展学生想象力。
关键词：CFD；风电场；多媒体教学
近年来，我国风力发电产业发展迅猛[1]，国内多所学校开设风能专业。传统的“计算空气动力学”是采用数值计算及公式推导抽象，不易理解，随着计算机科学的发展，计算流体动力学得到了广泛使用，相关软件也发展迅速。CFD可形象地展示风力机叶片周围流场状态，实际与模拟对比，从晦涩的公式中解脱有助于提高学生的兴趣[2，3]。
一、计算空气动力学课程存在的问题
计算空气动力学的教学内容丰富，如稳态及非稳态数值计算、不同模型等。传统的黑板式教育可以对静态、公式等进行细致推导，但对动态过程难以生动的描述。由于计算中涉及到迭代等较为抽象，学生理解费力。
实验教学，可以帮助学生较好地理解尾流涡脱落，但每个学生都做一次实验，其人工成本及实验成本都较高，而且实验的操作复杂，高精度实验设备等价格昂贵，不能满足学生人手一机的需求。同时，实验过程中，叶片尾流涡的脱落过程受较多限制，为实验教学带来了不小的困难。
因此，CFD软件可以通过数值计算对空气动力学物理模型（叶片翼型）进行仿真和数据汇总处理、对比分析。分析不同风速对叶片的扰流及后续尾流产生及脱落；分析不同空气密度对翼型升力及阻力系数变化等。
二、计算空气动力学教学过程流程图
通过参考有关书籍[4]及学生课堂反应情况，总结出计算空气动力学，用CFD软件教学过程流程图，如图1所示。根据教学大纲，学生按照操作流程逐步学习，每步具体内容再展开讲解。这样，可以使学生既掌握相关计算空气动力学知识，又提高动手能力。操作步骤，即为贯穿计算空气动力学课程主线可以使学生巩固所学成果，加深学生计算空气动力学的教学内容。学生亲自算出来的结果，使学生对CFD软件产生浓厚兴趣，加大学习本门课程的源动力。
三、教学应用实例
授课过程中，学生遇到问题及学生创新思路进行举例说明，帮助学生们更好的理解，拓展学生们的思维。采用saratov翼型进行仿真模拟前期网格划分，生成图2所示相应的网格文件。从图2中，我们可以看出，翼型周围所采用的是四边形网格。图2b是学生根据计算图2a翼型时，通过思考，自己动手建立的二维网格模型，再对该网格进行仿真。
边界条件及参数设置，选择稳态模型，紊流模型选择S-A模型二阶迎风差分格式，来流速度V为8m/s。按照图1的逐步设置，得到流场数据。
图3是saratov翼型及其组合翼型周围压力分布图，可看出吸力面及压力面据相关知识分析翼型前缘压力高的原因。
图4是翼型周围速度分布图，沿来流方向组合后的翼型后速度最低，在翼型叶根处速度较大，是符合常识的，通过举例说明使抽象的问题形象化。
图5是翼型周围速度的矢量图，我们可以看到翼型后涡的产生过程。
三、结论
综上，结合空气动力学相关理论知识，对计算空气动力学讲解说明，可以使学生们加深空气动力学的理论知识。通过组合翼型并对其进行分析，可以看出学生们的想法是新奇的，这说明学生们在学习的过程中进行了充分的思考，又通过这个计算空气动力学这门课所讲授的内容进行了理解与进一步拓展，不仅仅激发对计算空气动力学的学习兴趣，而且可以探索翼型未知问题。
参考文献：
[1]秦云甫。浅谈我国风电发展现状、问题与对策[J].中国电力教育，2011，（3 ）：45-46.
[2]赵琴，杨小林，严敬。CFD技术在工程流体力学教学中的应用[J].高等教育研究，2008，25（1）：28-29.
[3]柏静儒，辛思谕，王擎。CFD软件在传热学教学中的应用及浅析[J].中国电力教育，2014，（29）：43-45.
[4]韩占忠。FLUENT-流体工程仿真计算实例与分析[M].第一版，北京理工大学出版社：69-80.
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