本科流体力学课程中引入CFD,内容的探索与实践

报告或小论文的方式，要求学生详细介绍数值模拟时采用的初始条件、边界条件、物性参数和物理模型设定、计算结果的分析等。将数值计算的成绩按照一定的比例计入总成绩，一方面可以调动学生学习课程的积极性，另一方面也可以全面考查学生

的掌握情况和综合水平。

三、教学尝试

在以往的教学过程中，笔者均会应用STAR-CCM+软件对流体力学中的一些基本流动现象进行数值模拟分析，通过图片和动画演示的方式展示结果，可以清晰地表明流动规律，体现流动特征，帮助学生建立清晰的物理概念，缩短认知过程，取得了良好的教学效果。

学校流体力学课程安排在大三上半学期，而在2016—2017学年第一学期，笔者有幸指导了一项大学生创新创业项目，共有3名学生参加。此项目要求学生用CFD软件STAR-CCM+对流动问题进行数值模拟计算。这3名学生一边学习流体力学课程，一边学习STAR-CCM+软件，并自发地对课程中的流动现象进行了数值模拟，如变换雷诺数模拟管内层流、紊流，提取了过流断面速度剖面图;模拟了变截面管道内的流动，通过提取速度结果，得到了变截面附近的旋涡图，明白了在截面突变处机械能发生了损失，更好地理解了局部阻力损失等。

笔者惊讶于学生的探索精神，将CFD引入课堂教学中。经与学生商量，在课程结束后的第一个周末增加了6个学时的CFD内容，学生自带笔记本，每人事先安装了STAR-CCM+程序。此次CFD课程，概要讲解了CFD的基本原理和流程、STAR-CCM+的基本操作、管内流动的数值模拟。由于时间紧，未准备参考教材，笔者直接提供事先做好的模型和事先确定的计算域，针对实际流体和理想流体、定常与非定常流动、可压缩不可压缩流动、层流紊流模型等，详细介绍了物理条件、边界条件、初始条件的选择方法及依据。虽然安排的学时数不多，且是在周末增加的内容，但这一尝试仍然引起了学生的极大兴趣。

为了检验引入CFD教学的效果，对近几年考试成绩进行了分析，如表2所示。其中2011—2013级均没有引入CFD教学，2014级为引入CFD教学的年级。2014级引入CFD的时间段为作业成绩统计后和期末考试前，即2011—2014级的作业平均得分均是在未引入CFD的情况下获得的，而2014年的期末平均得分是引入CFD的情况下获得的。表2表明，各个年级的作业平均得分相差最大为0.2分，表明学生的综合素质相仿。2014级期末考试的平均得分较以往有了一定的提高，在课程目标1中，学生平均得分有了突破，达到了7.3分;课程目标2中达到了28.5分;课程目标3中达到了14.1分。2011—2013级的总体课程达成度分别为0.75、0.75和0.74，引入CFD教学后2014级达到了0.77。在任课教师、学生综合素质和期末考试考题难度相当的情况下，学生的平均分有所提高，引入CFD教学初显成效。

注：课程目标1为掌握流体力学的基本概念、基本假设和基本原理;课程目标2为掌握流体力学的基本方程，建立和分析求解方法;课程目标3为能够对工程系统进行计算分析;课程目标4为培养学生应用流体力学理论解决工程实际问题的能力

四、结语

创新型人才的培养对本科生教学提出了新的要求和挑战，计算机技术的发展为开展CFD教学提供了强大的技术支持和保障。在本科生流体力学教学中，适当引入CFD教学是流体力学课程建设的需要和发展趋势，有利于激发学生的学习兴趣，提高学生的学习能力，培养学生的創新性思维，加深学生对基础理论的理解，也有利于拓宽学生的知识面。参考文献：

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Exploration and practice of fluid mechanics course adding

computational fluid dynamics for undergraduates

XI Yanhong

（School of Civil Engineering， Beijing Jiaotong University， Beijing 100044， P. R. China）

Abstract：

Fluid mechanics is a major course of the most students in engineering specialty. Computational fluid dynamics software is an important tool in the study of fluid mechanics science and engineering. Firstly， the necessity of adding the contents of computational dynamics to undergraduate learning is discussed. Secondly， the feasibility of adding the contents of computational dynamics to undergraduate learning is discussed in the theoretical basis， teaching conditions， class hours， teaching content and class hour allocation and assessment methods. Finally， the preliminary attempt has carried in the teaching process in order to stimulate students’ learning enthusiasm and initiative， to improve the quality of teaching. The results show that the students’ interest was stimulated， the understanding of basic theory was deepened and the teaching effect was improved after adding the contents of computational fluid dynamics to undergraduate learning. Compared with the past， the students’ final average score has improved. The new ways of teaching reform about this curriculum are put forward in this paper on the basis of in depth research and analysis of the main problems existing in the teaching practice.

Key words：fluid mechanics; computational fluid dynamics; course teaching