《计算流体力学软件及工程应用》
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课程编号： |
02C2023 |
课程名称： |
计算流体力学软件及工程应用 |
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学分/学时： |
1/ 32（上机:16） |
英文名称： |
Computational fluid dynamics software and engineering application |
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大纲执笔人： |
刘美丽 |
大纲审核人： |
陈家庆 |
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适用专业： |
环境工程 |
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先修课程： |
工程流体力学 |
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大纲更新时间： |
2017年1月 |
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一、课程性质与定位
计算流体力学是通过数值计算对连续性方程、动量方程和能量方程进行求解的一种方法。自上世纪60年代提出以来，随着计算机硬件和软件的不断发展，通过商业计算流体力学软件求解流动和传热等相关工程问题已经成为一种主要的研究方法，在环境工程领域得到了广泛的应用。
“计算流体力学软件及工程应用” 是环境工程专业学生的一门专业选修课。 主要讲解通过商业软件研究实际工程问题的方法，课程主要学习前处理软件GAMBIT和计算流体力学软件FLUENT的使用及其后处理方法，通过本课程的学习，学生能够掌握计算流体力学模拟的基本思路并使用模拟软件对一些实际流动过程进行数值模拟与分析，进而解决环境工程领域涉及的流体流动问题，从而为环境工程专业学生学习专业课程、从事专业技术工作或进行科学研究打下坚实基础。
二、课程教学目标与达成途经
本课程的教学任务是通过课程教学、上机操作等环节，培养学生具有：应用GAMBIT软件进行几何建模和网格划分的能力；应用ANSYS FLUENT软件对流动及其伴随过程进行模拟仿真的能力；对模拟结果进行分析的能力；初步掌握应用商业计算流体软件分析实际问题的综合能力。具体体现在以下方面：
课程教学目标1：能够运用计算流体力学系统知识分析实际问题并选择最优数值模拟方法，完成几何建模和模拟计算，并根据实际需求对模拟结果进行分析，获得有效数据：通过课堂讲授和案例分析，让学生理解数值模拟计算的物理意义和基本过程，掌握各种差分格式、数值模型等数值模拟方法的特点和适用性，能够准确分析实际工程问题并选择合适的数值模拟方法，提出最优实验方案；通过课堂讲授、案例分析、上机训练和作业报告，使学生能够应用GAMBIT软件进行几何建模和网格划分，能够应用ANSYS FLUENT软件进行模拟计算，能够应用后处理方法获得关键参数的计算结果，并根据工程实际问题进行比较分析。
表1 毕业要求指标点实现矩阵
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专业毕业要求 指标点 |
课程教学目标 |
达成途径 |
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5.2能够运用现代信息工具对环境工程设备、工艺与污染过程建立模型，进行模拟、预测与分析，并理解模型的适用范围与局限性。 |
课程教学目标1 |
课堂讲授：课堂讲授16学时，以案例教学方式由浅入深对计算流体力学相关软件进行讲解，使学生掌握计算流体力学分析问题的方法思路和步骤，讲课过程力求重点突出、思路清晰、注重师生互动交流，及时掌握学生学习情况，关注每一个学生的学习，使学生能够独立完成计算案例。 案例教学：通过对7个典型工程问题的课堂讲解和分析，培养学生掌握环境工程领域的建模、设计、分析、模拟等相关的工程软件的使用方法并能用于解决工程问题的能力； 课后练习：对照参考书，进行相关软件操作的同步练习。 |
三、内容提要与学时安排
本课程主要通过7个典型案例的讲解和练习，使学生掌握计算流体力学相关软件——GAMBIT和ANSYS FLUENT软件的操作方法，并能用于解决工程实际问题。
1. 课堂教学
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序号 |
教学内容 |
教学要求 |
学时 |
对应的教学目标 |
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1 |
计算流力学相关软件介绍 |
了解：(1)目前通用的计算流体力学软件：STAR-CD、CFX、FLUENT等等；(2)本课程将学习的计算流体力学相关软件的构成：①第三方软件EXCEED、②建模软件GAMBIT和③计算软件ANSYSY FLUENT； 掌握：(1)相关计算软件的组成、获取及安装方法；(2)GAMBIT软件界面和简单使用方法：简单几何模型的建立、简单网格的划分方法、网格文件的保存和输出、快捷键的使用等；(3)FLUENT软件界面及功能介绍、边界条件的设定、FLUENT软件的简单操作。 |
2 |
1 |
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2 |
案例教学1：气体管路泄漏过程的2D模拟 |
了解：复习流体力学中伯努利方程与流动问题：速度分布、雷诺数、当量直径、能量方程的计算方法。 掌握：(1)GAMBIT的简单应用：快捷键的使用方法、长方形面的创建，2D网格划分、边界条件的创建、网格文件的保存与输出；(2) FLUENT软件的简单操作：①2D网格文件的读入；②根据导航栏目如何进行设定；③边界条件的设定；(3)后处理操作：①温度云图的显示；②速度分布显示；③根据求解要求作指定点和面；④泄漏量的求解等。 |
2 |
1 |
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3 |
案例教学2：气体管路泄漏过程的3D模拟 |
了解：复习流体力学中伯努利方程与流动问题：速度分布、雷诺数、当量直径、能量方程的计算方法。 掌握：(1)从上到下创建3D几何模型的方法，3D网格划分、边界条件的创建、网格文件的保存与输出；(2) FLUENT软件的简单操作：①3D网格文件的读入；②根据导航栏目如何进行设定；③边界条件的设定；(3)后处理操作：①温度云图的显示；②速度分布显示；③根据求解要求作指定点和面；④泄漏量的求解等；(4)2D和3D方法的异同。 |
2 |
1 |
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4 |
案例教学3：旋风除尘器的数值模拟 |
了解：复习专业实验中旋风除尘实验的操作和数据处理过程，描述流体运动的两种方法。气固旋流分离原理、粒级效率、总效率以及影响因素。 掌握：(1)利用从下到上的方法对复杂结构进行几何建模和网格划分；(2)实际物理过程边界和数值模拟边界的对应关系；(3) FLUENT软件模拟设置与计算：①单相流动和多相流动模型；②边界条件的设定；③DPM多相流模型的原理和使用方法；(4)后处理操作：①温度云图的显示；②速度分布显示；③根据求解要求作指定点和面；④分离效率的求解；⑤ 速度分布数据的输出及与解析解的比较等。 |
2 |
1 |
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5 |
案例教学4：水管冲击平板的数值模拟 |
了解：复习流体力学中水管冲击平板的流动和受力分析，描述流体运动的两种方法。 掌握：(1)外流流动的几何建模和网格划分；(2)外流流动的边界选择和设置；(3) 2D轴对称模型的应用；(4)FLUENT软件操作：① VOF两相流模型的原理和使用方法；②对称轴和重力加速度的设定等；(5)后处理操作：流动过程的视频录制、计算结果处理与受力计算、轴对称问题的适用条件等。 |
2 |
1 |
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6 |
案例教学5：水力旋流器的数值模拟 |
了解：(1)水力旋流器的结构；(2)水力旋流器的油水分离原理。 掌握：(1)复杂几何模型的创建和网格划分技巧与方法；(2)Eulerian多相流模型的原理和使用方法； (3)多相流流动边界条件的设定；(4)多相流流动的后处理操作以及分离效率计算等。 |
2 |
1 |
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7 |
案例教学6：流化床的数值模拟 |
了解：(1)流态化反应器的流动过程和流动状态；(2)相间作用力。 掌握：(1) 区域填充的设置方法；(2)相间作用力模型及设置；(3)UDF程序的原理和使用方法；(4)流动的后处理操作方法等。 |
2 |
1 |
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8 |
案例教学7：旋转搅拌器的数值模拟 |
了解：搅拌器的结构及工作原理，结构尺寸和搅拌过程的流动情况。 掌握：(1)可动区域几何模型的创建和网格划分；(2)多流域及其边界的设置；(4)可动区域的数值模拟方法；(5)流动的后处理方法等。 |
2 |
1 |
2. 上机操作内容与学时安排：
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序号 |
上机操作内容 |
学时分配 |
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1 |
计算流体力学相关软件的安装及界面熟悉 |
2 |
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2 |
改变几何参数和流动参数进行案例1上机练习 |
2 |
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3 |
改变几何参数和流动参数进行案例2上机练习 |
2 |
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4 |
改变几何参数和流动参数进行案例3上机练习 |
2 |
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5 |
改变几何参数和流动参数进行案例4上机练习 |
2 |
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6 |
改变几何参数和流动参数进行案例5上机练习 |
2 |
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7 |
改变几何参数和流动参数进行案例6上机练习 |
2 |
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8 |
改变几何参数和流动参数进行案例7上机练习 |
2 |
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合计 |
16 |
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四、教学方式
1.本课程在机房进行教学，采用案例教学方式，课堂讲授与上机操作同步进行，在教学过程中采用启发式教学，力求使学生能触类旁通，培养学生运用ANSYS FLUENT软件模拟工程实际问题的能力。
2.积极为学生创造条件并鼓励学生利用各种可获得的资源，如教学录像、网络资源、图书馆、收集实际工程问题，以多方位和多种手段激发学生的自主学习意识和学习热情，变被动学习为主动学习，以达到强化知识的理解和记忆，深化知识应用能力的教学效果。
3.教学中采用如课堂提问、随堂测试等手段，让学生自己或在教师的帮助下发现学习中存在的问题，并及时进行纠正。鼓励学生在教师的引导下积极进行一些与课程内容有关的课外活动。
五、建议教材或参考书
建议教材：陈家庆，俞接成，刘美丽，等. ANSYS FLUENT 技术基础与工程应用. 中国石化出版社, 2014.8
参考书：
1. 王福军. 计算流体动力学分析：CFD软件原理与应用. 清华大学出版社, 2004.9
2. 于勇. FLUENT入门与进阶教程. 北京理工大学出版社, 2008. 9
3. 苏铭德. 计算流体力学基础. 清华大学出版社, 2001.6
六、学生成绩评定方法
本课程的考核以考核学生能力培养目标的达成为主要目的，以检查学生对各知识点的掌握程度以及应用为重要内容。能力目标达成评价与考核总成绩中，期末大作业成绩占60%，平时（上机练习、随堂测试）考查占40%。具体要求如下：
表2 课程教学目标评价矩阵
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成绩组成 |
考核/评价环节 |
分值 |
考核/评价细则 |
对应的教学目标 |
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平时成绩 40% |
上机练习 |
20 |
根据教学安排，每次课堂讲授完成后，将安排一次上机，考核时主要考查学生对课堂讲授内容的理解和掌握程度，共有7次上机操作时间，根据完成情况进行考核，没缺一次上机扣2.5分。 |
1 |
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随堂测试 |
20 |
根据课堂所讲的6个案例，在最后一次课进行随堂测试，要求在课堂上完成，包括几何建模、网格划分、软件计算和后处理，主要考查学生对所讲内容的熟练掌握程度，根据学生的完成情况进行考核。 |
1 |
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期末大作业 60% |
大作业完成情况 |
60 |
根据课程教学目标和学时安排，主要考核学生对GAMBIT软件和ANSYS FLUENT软件的掌握程度，以3-4人一组，具体考核包括：（1）大作业的撰写的规范程度（20%）；（2）所选择问题的难易程度（40%）；（3）对所模拟问题完成情况（40%）。 |
1 |
七、毕业要求达成度评价依据与方法
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指标点 |
评价依据 |
评价方法 |
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5.2 |
平时成绩（上机操作、随堂测试等）和期末大作业成绩。 |
平时成绩（上机操作、随堂测试等）40分，期末大作业成绩60分，总分100分
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