在能源动力本科生中开展CFD教学的必要性和可行性

摘要：本文针对在能源动力类本科生中开展CFD教学的必要性和可行性进行了分析。首先从国内外专业发展和人才需求的状况得出在本科生中开展CFD教学很有必要，接着从教学内容的选择、基本理念的贯彻和经典软件的应用三个方面进行了分析，得出在本科生中开展CFD教学切实可行，最后从已经开展的CFD教学实践中得出在本科生中开展CFD教学值得深入推广应用。

关键词：CFD教学；本科教学；教学改革

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）38-0037-02

一、开展CFD教学的必要性

CFD技术，是解决工程中复杂流动和传热问题的一种有效手段，同时也是一门新型的独立学科。它以经典理论和数值计算为基础，通过计算机的数值计算和图像显示，从空间和时间上定量描述各种场变量，从而达到对流动和传热问题进行研究的目的。CFD技术集中应用了20世纪直至本世纪科学技术方面的最新成就，并具有理论性和实践性的双重特点。CFD技术不仅可以作为研究工具，而且还可以作为设计工具广泛应用于能源动力工程、机械工程、材料工程、交通工程、建筑工程、环境工程、化学工程等领域。另外，CFD与CAD、CAE联合，还可以进行各种结构优化设计。CFD教学主要程针对高年级本科生开展，强调学生的应用能力和学术能力的培养，教学的宗旨是让学生在了解数值计算基本概念和原理的基础上，通过对一些经典商用CFD软件使用和掌握，增强学生分析和解决问题的能力。在国内，目前在能源动力类本科生中开展CFD教学的学校有近20所，大部分为重点本科院校，除我校外，还有如西安交大、清华大学、上海交大等高校。但随着CFD技术在工业界的进一步推广应用，个人电脑的性价比提升，可以预计未来5年，将会有更多的工科院校为能源动力类本科生开展CFD教学。在国外，早在上世纪80年代，就已有针对能源动力类本科生开展的CFD教学，比如英国的帝国理工学院，美国的加州理工学院，日本的九州大学等。尤其以美国的加州理工学院做得最为突出，它非常重视学生的实践与创新。由于国外学生人数比国内少，实验设施完备，CFD技术课程被安排在实验教学中心进行，学生在进行CFD技术学习应用的同时，还可以采用实验方法对CFD的结果进行验证，非常有利于培养学生的主动实践与创新能力。实际上，开展CFD教学还有利于拓宽实验教学内容。由于CFD技术具有成本低、速度快、可视化等特点，因此在能源动力类专业的实验教学中，可以利用CFD技术加强设计性实验和探索性实验的构建，将以往学生的被动性实验转变为学生为主教师为辅的一种主动性实验，有利于培养学生的独立思考和解决问题的能力。由此可见，开展CFD教学符合能源动力类的专业发展和人才需求，有利于激发学生的学习兴趣，同时还有利于拓宽实验教学内容，培养学生的实践与创新能力。

二、开展CFD教学的可行性

对于在能源动力类本科生中开展CFD教学的可行性，下面将从三个方面来进行分析。

1.教学内容的选择。对于能源动力类的大四本科生，CFD教学的重点将放在CFD技术的基本理论和软件应用上。具体内容包括：控制方程的离散化方法，流场的求解计算方法，湍流模型，以及商用CFD软件的基本用法。同时，授课内容中还将包含复杂流动模型以及数值模拟的最新研究进展等，以便开拓学生的视野，激发学生的学习兴趣。由于课时有限，在商用CFD软件基本用法的讲授中，将选择能源动力领域常见案例的CFD过程，比如建模、划分网格、设置边界条件、设置求解器参数、后处理等内容，进行有针对性地讲解和实践，以获得举一反三的效果。

2.基本理念的贯彻。在开展CFD教学中，需要贯彻正确的CFD技术理念。虽然目前商用CFD软件快速普及，似乎许多问题都可以通过CFD技术来解决。但必须强调，CFD技术不是万能的，在很多方面还有局限性。试验研究、理论分析和CFD技术的有机结合，才是解决实际问题的有效手段。另外，对模拟计算结果的准确性的认识和判断，也需要一个正确的理念。数值模拟计算结果的准确性首先取决于数学模型是否正确，如果数学模型不正确，即使数值计算方法先进，仍然不能保证数值解的准确性。其次，模拟计算过程中流动介质物性参数是否正确，也是影响模拟计算结果准确性的一个重要因素。最后，教学过程中还要注意培养学生的工程意识，在讲授CFD实际应用时要引导学生把握工程问题的整体观念，增强学生的工程意识，培养学生基本理论与工程实践相结合的能力。

3.经典软件的应用。从我校能源动力本科专业现有的课程设置来看，大四本科生已经具备流体力学、传热学、数值分析方法等方面的基础知识，对于CFD技术中所涉及的方程离散，网格划分、流场求解等方面知识的理解不会有太大难度，而且目前商用CFD软件智能化程度较高，基本使用方法和技巧易于掌握。因此，选用经典CFD软件开展教学，在老师的指导下完全可以使学生在短时间内初步掌握CFD软件的使用方法。在此基础上，随着学生知识面以及工程实践经验和CFD软件使用技巧的增加，对CFD技术的理解会进一步加深。另外，目前计算机硬件水平迅猛发展，学生拥有个人电脑的比例逐年增加。从我们能源与动力工程学院学生工作组统计的数据来看，目前学生拥有个人电脑的比例已达80%以上，学生可以在自己的电脑上方便地进行CFD软件的学习和实践，这为开展CFD教学提供了良好的条件。

从2007年开始，华中科技大学能源与动力工程学院就已经在本科生中开展了CFD教学。课程的名称为CFD技术，以选修课的形式开设，学院每年都有近300名学生选修这门课程，这门课程实际上已经成为一门受众面极广的公共选修课程。由此可见，在能源动力本科生中开展CFD教学具有较好的必要性和可行性，值得深入推广应用。

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基金项目：本文为华中科技大学2013年校教学研究基金项目的阶段性成果

作者简介：张师帅（1970-），副教授，“CFD技术”课程的主讲教师。