《CFD仿真技术》课程教学大纲
一、课程基本信息
英文名称 |
CFD simulation technology |
课程代码 |
BEEE1251 |
课程性质 |
专业选修课程 |
授课对象 |
能源与动力工程专业 |
学 分 |
1.5 |
学 时 |
36 |
主讲教师 |
黄耀松 |
修订日期 |
2023年5月15日 |
指定教材 |
胡坤，《ANSYS Fluent实例详解》，机械工业出版社，2018 |
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二、课程目标
（一）总体目标：
《CFD仿真技术》通过大量的经典案例详细描述ANSYS Fluent软件在工程流体仿真计算中的实际应用过程，帮助学生快速高效地将所学知识应用到实际工作学习中。课程旨在使学生掌握计算流体力学相关基础理论和软件使用方法，具有独立分析和解决实际问题的能力，以及通过团队合作完成具有一定理论意义或应用价值的科研工作的能力。
（二）课程目标：
课程目标1：通过系统学习，掌握计算流体力学基本理论和软件使用方法。
1．1了解和掌握计算流体力学基本理论；
1．2掌握模拟仿真的方法和软件使用方法；
课程目标2：具备一定的工程素养，能够运用CFD仿真技术解决工程问题。
2．1通过大量的实际案例学习，提高解决实际问题的能力和工程素养。
（三）课程目标与毕业要求、课程内容的对应关系
表1：课程目标与课程内容、毕业要求的对应关系表
课程目标 |
课程子目标 |
对应课程内容 |
对应毕业要求 |
课程目标1：通过系统学习，掌握计算流体力学基本理论和软件使用方法。 |
1．1了解和掌握计算流体力学基本理论。 |
通过第一章知识点的学习，学生能够掌握计算流体力学理论。 |
毕业要求1：1-1通过系统学习，熟练掌握热工基础理论与基础知识。 |
1．2掌握模拟仿真的方法和软件使用方法。 |
通过第一章知识点的学习，学生能够掌握CFD仿真方法和软件使用。 |
毕业要求1：1-1通过系统学习，熟练掌握热工基础理论与基础知识。 毕业要求1：1-2熟练掌握机械设计和工程绘图知识，并能熟练运用。 毕业要求6：6-1掌握现代工程工具和信息技术工具。 毕业要求6：6-2熟练运用相关工具对工业控制欲节能或领域的复杂工程问题进行模拟，并分析其局限性。 |
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课程目标2：具备一定的工程素养，能够运用计算流体力学解决工程问题。 |
2．1通过大量的实际案例学习，提高解决实际问题的能力和工程素养。 |
通过第二到第七章的知识点学习，针对多个具体工程实例进行模拟仿真。 |
毕业要求3：3-2在工程实践中贯彻执行节能减排的仿真和技术路线。 毕业要求6：6-1掌握现代工程工具和信息技术工具。 毕业要求6：6-2熟练运用相关工具对工业控制欲节能或领域的复杂工程问题进行模拟，并分析其局限性。 毕业要求9：9-1具有人文社会科学素养、工程素养、和社会责任感。 毕业要求10：10-1具有团队合作精神或意识。 毕业要求11：11-1能够就工程实践中出现的问题做出书面和口头的清晰表达 |
三、教学内容
第一章ANSYS Fluent基础
1.教学目标
（1）回顾流体力学、传热学和燃烧学相关理论；
（2）了解和掌握模拟仿真的流程；
（3）了解Fluent软件的环境和使用方法；
2.教学重难点
重点/难点：相关学科知识的基本理论。
3.教学内容
（1）ANSYS Fluent简介
（2）Fluent基本使用流程
（3）Fluent操作流程示例
（4）实例描述
（5）Fluent前处理
（6）计算后处理
4.教学方法
（1）自主学习：利用课本预习基础理论；
（2）讲授法：相关概念和理论框架；
5.教学评价
回答以下问题：
（1）CFD模拟仿真的流程是怎么样的？
第二章 流动问题计算
1.教学目标
（1）了解常见的流动问题有哪些；
（2）掌握运用Fluent软件解决流动问题；
2.教学重难点
重点/难点：流动问题的物理数学模型建立和软件实现；
3.教学内容
（1） 层流圆管流动；
（2）NACA0012翼型风洞模型计算；
（3） 三维机翼跨音速流动计算；
（4） 转捩流动；
（5）血管内血液流动；
4.教学方法
（1）自主学习：利用课本预习本章内容；
（2）讲授法：案例讲授；
（3）实践法：上机操作。
5.教学评价
第三章 传热计算
1.教学目标
（1）了解传热基本理论；
（2）掌握传热问题模拟仿真；
2.教学重难点
重点/难点：掌握传热问题的模拟。
3.教学内容
（1） 固体热传导计算实例；
（2） 管内自然对流换热；
（3） 空腔自然对流换热；
（4） 管式换热器强制对流换热；
（5）散热器；
（6）热辐射。
4.教学方法
（1）自主学习：利用课本预习本章内容并完成课后思考题；
（2）讲授法：相关基础和理论知识；
（3）实践法：上机操作。
5.教学评价
第四章 运动部件计算
1.教学目标
（1）了解常见运动部件；
（2）了解掌握运动部件运动模拟；
2.教学重难点
重点/难点：掌握常见运动部件的模拟仿真。
3.教学内容
（1） 垂直轴风力机；
（2） 滑移网格模型实例；
（3） 动网格模型实例；
（4）重叠网格实例
4.教学方法
（1）自主学习：利用课本预习本章内容并完成课后思考题；
（2）讲授法：相关基础和理论知识；
（3）实践法：上机操作。
5.教学评价
第五章 多相流计算
1.教学目标
（1）掌握多相流的特点；
（2）掌握多相流模拟方法；
2.教学重难点
重点/难点：掌握多相流模型。
3.教学内容
（1） 波浪模拟；
（2） 抽水马桶；
（3） 离心泵空化计算；
（4）冲蚀；
（5）流化床。
4.教学方法
（1）自主学习：利用课本预习本章内容并完成课后思考题；
（2）讲授法：相关理论知识；
（3）案例教学法：围绕多相流案例进行分析讲解；
5.教学评价
第六章 反应流计算
1.教学目标
（1）了解化学反应；
（2）了解和掌握反应流模拟方法；
2.教学重难点
重点/难点：掌握反应流模型和模拟方法。
3.教学内容
（1） 引擎着火导致气体扩散；
（2） 锥形燃烧器燃烧模拟（有限速率模型）；
（3） 锥形燃烧器燃烧模拟（Zimount预混模型）；
4.教学方法
（1）自主学习：利用课本预习本章内容并完成课后思考题；
（2）讲授法：相关基础和理论知识；
（3）实践法：上机操作。
5.教学评价
第七章 耦合场计算
1.教学目标
（1）了解多物理场耦合；
（2）了解掌握耦合场模拟；
2.教学重难点
重点/难点：耦合场模型和模拟方法。
3.教学内容
（1） 流体域中挡板受力计算；
（2） 流体域中柔性挡板受力；
（3） 流致振动计算；
（4） 共轭传热计算；
4.教学方法
（1）自主学习：利用课本预习本章内容并完成课后思考题；
（2）讲授法：相关基础和理论知识；
（3）实践法：上机操作。
5.教学评价
四、学时分配
表2：各章节的具体内容和学时分配表
章节 |
章节内容 |
学时分配 |
第一章 |
ANSYS Fluent基础 |
2 |
第二章 |
流动问题计算 |
6 |
第三章 |
传热计算 |
6 |
第四章 |
运动部件计算 |
6 |
第五章 |
多相流计算 |
6 |
第六章 |
反应流计算 |
6 |
第七章 |
耦合场计算 |
4 |
五、教学进度
表3：教学进度表
周次 |
日期 |
章节 名称 |
内容提要 |
授课 时数 |
作业及要求 |
备注 |
1 |
第一章ANSYS Fluent基础 |
（1）ANSYS Fluent简介 （2）Fluent基本使用流程 （3）Fluent操作流程示例 （4）实例描述 （5）Fluent前处理 （6）计算后处理 （7）CFD基础理论 |
2 |
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2-4 |
第二章流动问题计算 |
（1） 层流圆管流动； （2）NACA0012翼型风洞模型计算； （3） 三维机翼跨音速流动计算； （4） 转捩流动； （5）血管内血液流动； |
6 |
作业：完成课后思考题。 要求：按时完成上机作业 |
||
5-7 |
第三章 传热计算 |
（1） 固体热传导计算实例； （2） 管内自然对流换热； （3） 空腔自然对流换热； （4） 管式换热器强制对流换热； （5）散热器； （6）热辐射 |
6 |
作业：完成课后思考题。 要求：按时完成上机作业。 |
||
8-10 |
第四章 运动部件计算 |
（1） 垂直轴风力机； （2） 滑移网格模型实例； （3） 动网格模型实例； （4）重叠网格实例 |
6 |
作业：完成课后思考题。 要求：按时完成上机作业。 |
||
11-13 |
第五章 多相流计算 |
（1） 波浪模拟； （2） 抽水马桶； （3） 离心泵空化计算； （4）冲蚀； （5）流化床。 |
6 |
作业：完成课后思考题。 要求：按时完成上机作业。 |
||
14-16 |
第六章 反应流计算 |
（1） 引擎着火导致气体扩散； （2） 锥形燃烧器燃烧模拟（有限速率模型）； （3） 锥形燃烧器燃烧模拟（Zimount预混模型）； |
6 |
作业：完成课后思考题。 要求：按时完成上机作业。 |
||
17-18 |
第七章 耦合场计算 |
（1） 流体域中挡板受力计算； （2） 流体域中柔性挡板受力； （3） 流致振动计算； （4） 共轭传热计算； |
4 |
作业：完成课后思考题。 要求：按时完成上机作业。 |
六、教材及参考书目
1．胡坤，《ANSYS Fluent实例详解》。北京：机械工业出版社，2015
2．胡坤，《ANSYS CFD入门指南》。北京：机械工业出版社，2015
七、教学方法
本课程提前一周发布上课内容，让学生做好预习，课堂中采用讲授法、案例教学法、讨论法等进行教学，并充分利用APP互动软件进行课前和课后的线上交流，课后按时完成课后思考题。
1.讲授法：对基本理论、原理等进行课堂讲授，使学生能够理解和掌握这些基础知识。
2.案例教学法：引入工程案例进行模拟仿真，以加深对理论知识的理解，培养学生的工程素养。
3.讨论法：课堂围绕特定问题组织课堂讨论，培养学生理论联系实际的能力，巩固对理论知识的理解，同时增强语言表达能力。
八、考核方式及评定方法
（一）课程考核与课程目标的对应关系
表4：课程考核与课程目标的对应关系表
课程目标 |
考核要点 |
考核方式 |
课程目标1 |
是否掌握计算流体力学基本理论 |
课上作业、闭卷笔试 |
课程目标2 |
运用ANSYS Fluent软件解决实际问题能力。 |
课后作业，课堂互动 |
（二）评定方法
1．评定方法
平时成绩：20%（平时考核）
期中考核：40%（上机考试）
期末考试：40%（上机考试）
2．课程目标的考核占比与达成度分析
表5：课程目标的考核占比与达成度分析表
考核占比 课程目标 |
平时 |
期中 |
期末 |
总评达成度 |
课程目标1 |
20% |
40% |
40% |
课程目标1达成度={0.2ｘ平时目标1成绩+0.4ｘ期中目标1成绩+0.4ｘ期末目标1成绩}/目标1总分； 课程目标2达成度={0.2ｘ平时目标2成绩+0.4ｘ期中目标2成绩+0.4ｘ期末目标2成绩}/目标2总分； |
课程目标2 |
20% |
40% |
40% |
（三）评分标准
课程 目标 |
评分标准 |
||||
90-100 |
80-89 |
70-79 |
60-69 |
＜60 |
|
优 |
良 |
中 |
合格 |
不合格 |
|
A |
B |
C |
D |
F |
|
课程 目标1 |
熟练掌握CFD模拟仿真理论和方法。 |
较熟练掌握CFD模拟仿真理论和方法。 |
基本掌握CFD模拟仿真理论和方法。 |
对CFD模拟仿真理论和方法掌握得不全面。 |
|
课程 目标2 |
善于运用理论知识解决实际问题，具有很强的动手能力和良好工程素养。 |
较善于运用理论知识解决实际问题，具有良好的动手能力和工程素养。 |
能够运用理论知识解决实际问题，具有一定的动手能力和工程素养。 |
基本能够运用理论知识解决实际问题，具有基本的动手能力和工程素养。 |
不能够运用理论知识解决实际问题，缺乏基本的动手能力和工程素养。 |