大学生流体仿真应用中存在问题剖析

孙占朋1，卢佳鑫 2

1 河北科技大学机械工程学院，石家庄， 050018； 2 石家庄科技工程职业学院，石家庄， 050800

摘要计算流体动力学技术已经在高校教学、科研和工程领域有广泛应用，合理使用这些软件既能提高流体机械设备设计效率，还能降低实验成本，大多数人群从大学时代初次接触此类技术，研究生阶段进行系统学习和应用。本文以计算流体动力学软件Fluent分析为例，对当前大学生学习和应用计算流体力学软件过程中存在的问题进行剖析，预期为软件初学者提供参考。

关键词大学生；仿真软件；计算流体动力学

随着计算机计算和社会的发展，数值计算方法正逐渐成为教学、科研与工程实践的主要工具，其中结构受力、流体流动、传热传质等有限元分析软件层出不穷^[1-4]。除部分学生在本科阶段接触过有限元计算软件用以完成课程作业外，研究生阶段是学习和应用计算流体动力学软件的主要阶段。现阶段，研究生一般在首学期进行理论课程学习，课程学习阶段结束后往往才开始接触科研课题，经过一段时间准备后通常会忙于开题报告，这段时间学生难以系统地学习和提升计算软件的操作技能。开题完成研究方向确定后，部分学生才开始重新把分析软件捡起来，此时还需开展实验规划、数据分析、撰写科研论文，因此学生学习软件的时间较短，还有一部分同学在了解课题、查阅文献等事项中花费大量时间，此时研究生阶段已进行一半，有的学生能直到毕业也没有兴趣或者机会再系统地学习一下计算软件。本文对大学生进行仿真软件学习中存在的共性问题进行了分析，旨在为软件初学者提供必要的学习参考。

一使用软件中存在的问题剖析

1、专业基础不扎实，急于利用软件分析复杂问题

对于科研课题而言，往往所研究对象为复杂的实际工程问题，要解决这些问题首先要求使用者基础扎实、思路清晰、操作熟练，但有时一些问题利用软件现有功能还无法解决，需要学生根据实际情况进行程序的二次开发，建立或修正已有的物理模型，这就要求研究生需要具有多方面的知识储备。以计算流体动力学软件Fluent为例，学生应掌握流体力学、机械设计、C语言、传热学和工程热力学等课程知识。但有些学生急于出成果、发表论文专利等，再加上科研时间紧张等原因，很多同学会产生急于求成的心态，不进行知识储备和软件学习、操练，有的同学不屑于通过简单的算例去熟悉软件使用、系统测试单元特性和分析选项等，直接试图解决很复杂的问题。有的同学没有明确的分析目标，也不清楚相关分析选项的意义，干脆都用缺省设置去做分析。这样做的直接后果，就是到后来自己都不知道在算什么，事倍而功半。

2、机械式学习，只重视软件操作，忽视模型的理论基础

计算流体动力学软件Fluent从诞生至今已发展几十年，软件功能齐全，操作界面非常直观友好，因此显著降低了用户的使用和操作门槛。计算流体动力学软件均是以流体连续性方程、能量守恒方程、动量方程等为基础的，也就是说大学时期的流体力学课程计算流体动力学软件的基础。然而，有的学生在学习软件时，首先上网查询或购买书籍软件使用教程，认为会操作软件了就能做科研了，就等于会做分析了。但事实却远非如此，因为没有一定的理论基础，就不会判断参数设置是否合理，很多人学会软件操作后，面对实际问题，往往还是不知如何下手；试图去模仿一些例题的操作方法时，却不懂为什么这么做，造成对计算结果无从下手，不会进行合理解释。之所以出现这样的问题，是因为错以为软件操作就是分析能力。实际上，单纯的软件操作，比如创建几何模型、划分网格，这些让高中生按照步骤说明也同样能做出来，只是中学生不知道做这个有什么意义罢了。因此，没有力学和有限元方法等理论背景，只是会软件操作，甚至和中学生没什么区别。例如，对于旋风分离器这个简单的气固分离设备，有的同学模型建的很好，分离器网格划分的也很熟练质量也很高，但是施加了不正确的约束，必然得到错误的解答。

3、缺乏化繁为简的意识，无法利用理论知识对模型进行合理简化

在计算流体动力学解决实际问题时，有的设备机械结构非常复杂，按照实际结构进行建模、划分网格很困难。例如，大型石油化工企业中，旋风分离器附件很多，既有内部的抗磨损龟甲板，还有增强设备强度的加强筋等，如果我们把这些附件全部考虑，结构将变得复杂，倘若根据流体力学和结构的受力特点，我们把以上附件进行忽略，简化模型的数值计算结果也可以很好地反映实际情况。常见的简化场合包括：利用对称性取半边结构分析、3D问题在特定情况简化为2D问题（如：空间轴对称问题）、使用梁壳单元时的等效刚度（厚度）替换、实体模型的细节特征简化等。这些简化并不是一味追求简单地任意简化，而是有背后的力学概念作为依据的合理简化。没有概念的人往往不敢做简化，或者不知道从哪里入手进行简化。在模型简化方面，实际上需要一定的理论功底，因此在软件学习前，夯实基础理论知识十分必要。

4、缺乏对计算结果的分析判断能力

没有很好的知识储备就不能运用理论分析计算结果。对于现在的分析软件而言，后处理操作都是非常直观的，掌握这些操作并不复杂。以计算流体动力学软件Fluent为例，计算完成后，通过软件可以很容易获得设备内的流体速度分布、压力分布、温度场等信息，还能获得量化数据，与切向速度、径向速度等值得大小。但是如果没有力学知识和工程背景，不了解有限元求解的原理和过程，很可能无法对计算结果的正确性做出评价，或者被一些数值计算的假象所蒙蔽，而得到一个错误的认知。例如，给定某型号旋风分离器，通过数值计算可得某入口气速下设备压降值，但如果不知道已有经验公式可以预测压降的话，就无法对模拟压降进行分析对比。又或者在进行材料应力-应变分析中，塑性分析中定义了塑性模型和材料的屈服点，但是有些位置的应力结果却超出材料屈服强度，这个问题就涉及到有限元分析的计算原理，了解这些数值现象的产生过程，否则无法解释清楚，比如有的人说是积分点的应力外插引起的，这个解释其实也不很严谨。有限元分析通常以位移作为基本未知量，因此后处理首先应当检查变形情况，而不是一味检查强度。如果变形有问题，样件的应力分布则可以确定不合理。对于应力结果的后处理，要区分单元的应力解答和节点的应力解答，区分未平均的应力解答和平均的应力解答，区分应力集中和应力奇异。结构分析的支反力结果是根据位移结果直接导出的，可用于检查总体的平衡条件是否得到满足。

三结语

掌握、使用现代化工具是当代大学生的必备技能，大学生在计算流体力学软件使用过程中，往往存在急功近利、理论基础不扎实、软件操作不系统等共性问题，这对于研究生培养独立科研能力不利。在软件学习过程中，学生应及时补充流体力学、传热学、机械设计等课程基础知识，针对案例进行反复练习，利用网络和图书馆资源不断深入拓宽知识面，补充与科研方向相关的专业知识。

参考文献：

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作者简介：孙占朋(1989-)，男，河北邢台人，博士，硕士研究生导师，从事超细粉体分级理论及技术研究。

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