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摘 要：根据液压传动课程的教学内容和特点，通过实例说明流体动力学软件Fluent在教学中的应用，直观展示了流体在元件内部的流动情况，速度、压力的定量分布规律，依此分析结构对流动特性及元件性能的影响。仿真教学有助于学生掌握抽象的流体力学理论，加深对元件工作原理的理解及仿真设计方法的使用，拓展了现有的教学方式，加强了教学与工程应用之间的有机结合。
关键词：Fluent 液压传动 仿真 教学
Application of Fluent simulation to teaching on hydraulic transmission
Yang Xiuping1，2， Chen Wei2， Guo Jinjin2， Yang Xuhao3
1. Tianjin key laboratory for control theory & applications in complicated systems， Tianjin， 300384， China；
2. Tianjin university of technology， Tianjin， 300384， China； 3. Sun Yat-Sen university， Zhuhai， 519082， China
Abstract： According to the teaching characters and contents of hydraulic transmission， computational fluid dynamics software Fluent applied to teaching was introduced by the example. The flow shapes of fluid in hydraulic components， the contours of velocity and pressure were shown directly. Based on this， the effects of structure to component performances and flow characters were analyzed. The simulation teaching redound to student master the fluid mechanics theory， understand the working principle of hydraulic components and use simulation design method. It can develop teaching approach and strengthen the combination between teaching and engineering application.
Key words： Fluent； hydraulic transmission； simulation； teaching
液压传动教学要求学生掌握液压传动理论及工作原理，培养学生分析液压元件及系统性能的能力和设计能力。在课堂教学和专业课程设计中，引入Fluent仿真软件，用数值和动画描述流体在元件或回路中的流动状态，速度的衰减、脱流、漩涡等现象，压力、速度等参数的定量分布规律，并根据流动特性分析其对元件性能的影响，有助于学生掌握抽象的流体力学理论，加深对液压元件工作原理的理解，丰富教学资源，拓展现有的教学方式，而非传统意义上的多媒体教学；同时，由于仿真软件已广泛应用于工程设计[1，2]，因此，利用Fluent教学，将先进的设计理念引进课堂教学中，能使学生掌握专业软件和现代设计方法，拓宽知识面，加强教学与工程应用之间的有机结合。
1 Fluent仿真应用实例
在液压传动教学中主要利用Fluent仿真软件讲解液压元件和系统内部的流体力学计算，元件及系统的性能分析和优化设计等内容。阀类元件是液压系统中重要的控制元件，阀内流体的流动情况对阀的液动力、精度、冲击、噪声等有很大的影响。笔者以流体流经滑阀阀口的流动特性为例，说明仿真技术在教学中的应用。
滑阀是换向阀常用的形式，阀口的结构形式及开口量对流量特性有重要影响，特别是当滑阀作为电液伺服阀的功率级使用时，其流量特性直接影响并决定了伺服阀的性能。
图1a为某液压滑阀结构图，图1b为有限元模型，为轴对称结构，为提高阀口过流截面处的计算精度，此处网格局部加密[3，4]。流体流入阀腔时，得到的速度分布如图2所示（压力云图略），可以看出，由于过流断面面积突然减小，流速增大，压力减小，能量耗散增大；当流体流出阀体时，过流断面面积增大，流速减小，压力增大，这与连续性方程和伯努利方程的结论一致，得到了理论验证。在过流断面面积突变处，出现主流与壁面脱离的现象，并且在阀座拐角处形成漩涡区，阀腔内部湍动分布极不均匀，压力较高。
a b
图1 滑阀结构及有限元模型
图2 速度云图（Xv=1 mm，自由流）
当开口量变化时，流经滑阀的流量及流量系数随之变化，液流流入阀口时的射流角发生变化，出现自由流和附壁流两种状态。在两种状态切换的位置，流量系数会发生突变。由于实际滑阀结构和尺寸多种多样，液流流动状态又无法观测，因此应用Fluent软件，通过改变阀口开度对这一切换现象进行仿真，可以找到流量系数突变的位置，为阀的结构设计提供理论依据。图2为自由流状态，开口量Xv=1 mm；图3为附壁流状态速度图，Xv=0.5 mm，可以直接观察到这两种流动状态。
图3 速度云图（Xv=0.5 mm，附壁流）
利用可视化的流场分析，学生可以直观地看到流体在阀体内部的流动情况，利用所建立模型，还可以计算出液动力，流动阻力等，改变结构形式及参数时，重新计算，可以分析流动特性对元件性能产生的影响，从而对结构进行优化设计，以改善阀的工作性能。
2 Fluent仿真教学的实现
将Fluent仿真技术引入教学中，拓宽了现有的教学方式，也为学生学习软件，应用现代设计方法分析设计液压元件提供了平台。
课堂教学中仿真演示重点介绍实例的工程背景、解决问题的思路、具体案例中计算结果的分析方法，注重工程实例与授课章节内容的联系。实例分为简单实例和有代表性的实例。简单实例建模简单、计算过程时间短，便于课堂教学使用；对于贴近工程具有代表性的实例，由于计算时间长，课堂只显示计算结果及性能分析，具体仿真过程由学生课下完成。因此，为了便于教师及学生应用仿真实例，熟悉软件环境、操作步骤等，编写了仿真实例指导书，并制作成课件，帮助学生在课堂外重复仿真实例的内容，巩固所学的知识，并可以改变几何参数、边界条件等，让学生重新进行仿真计算，对结果进行比较、分析，达到举一反三的目的。
在专业课程设计中，安排与Fluent仿真相关的设计内容，如设计液压集成块，分析其内部流道流场分布，以合理设计阀块内流道的走向等，使学生有机会运用仿真工具进行设计，巩固专业知识，使教学过程前后呼应。
3 结束语
利用Fluent仿真教学，内容新颖，用可视化的定量数据分析液压元件的原理及性能，增强了学生的感性认识，加深了学生对基本理论的理解和掌握，提高了教学效果；同时，学生也学会了专业软件以及将仿真设计方法应用到液压传动技术中的技巧和方法，拓展了学生的知识面，开阔了学生的思维和视野，加强了理论与工程实际间的衔接，培养了学生的独立创新能力和工程应用能力。
参考文献
[1] 郭津津，田磊，刘杰.一种螺纹式二通插装阀的性能分析[J].机床与液压，2011，39（21）：78-80.
[2] 周元春，杨曙东，罗博.基于Fluent的大通径滑阀压力流量特性研究[J].机床与液压，2011，39（19）：103-105.
[3] 朱红钧，林元华，谢龙汉.Fluent12流体分析及工程仿真[M].北京：清华大学出版社，2011.
[4] 闫登强，卿德藩，李岚.基于Fluent的不同阀芯与阀体组合的数值模拟研究[J].机械工程与自动化，2011（1）：25-26.
关键词：Fluent 液压传动 仿真 教学
Application of Fluent simulation to teaching on hydraulic transmission
Yang Xiuping1，2， Chen Wei2， Guo Jinjin2， Yang Xuhao3
1. Tianjin key laboratory for control theory & applications in complicated systems， Tianjin， 300384， China；
2. Tianjin university of technology， Tianjin， 300384， China； 3. Sun Yat-Sen university， Zhuhai， 519082， China
Abstract： According to the teaching characters and contents of hydraulic transmission， computational fluid dynamics software Fluent applied to teaching was introduced by the example. The flow shapes of fluid in hydraulic components， the contours of velocity and pressure were shown directly. Based on this， the effects of structure to component performances and flow characters were analyzed. The simulation teaching redound to student master the fluid mechanics theory， understand the working principle of hydraulic components and use simulation design method. It can develop teaching approach and strengthen the combination between teaching and engineering application.
Key words： Fluent； hydraulic transmission； simulation； teaching
液压传动教学要求学生掌握液压传动理论及工作原理，培养学生分析液压元件及系统性能的能力和设计能力。在课堂教学和专业课程设计中，引入Fluent仿真软件，用数值和动画描述流体在元件或回路中的流动状态，速度的衰减、脱流、漩涡等现象，压力、速度等参数的定量分布规律，并根据流动特性分析其对元件性能的影响，有助于学生掌握抽象的流体力学理论，加深对液压元件工作原理的理解，丰富教学资源，拓展现有的教学方式，而非传统意义上的多媒体教学；同时，由于仿真软件已广泛应用于工程设计[1，2]，因此，利用Fluent教学，将先进的设计理念引进课堂教学中，能使学生掌握专业软件和现代设计方法，拓宽知识面，加强教学与工程应用之间的有机结合。
1 Fluent仿真应用实例
在液压传动教学中主要利用Fluent仿真软件讲解液压元件和系统内部的流体力学计算，元件及系统的性能分析和优化设计等内容。阀类元件是液压系统中重要的控制元件，阀内流体的流动情况对阀的液动力、精度、冲击、噪声等有很大的影响。笔者以流体流经滑阀阀口的流动特性为例，说明仿真技术在教学中的应用。
滑阀是换向阀常用的形式，阀口的结构形式及开口量对流量特性有重要影响，特别是当滑阀作为电液伺服阀的功率级使用时，其流量特性直接影响并决定了伺服阀的性能。
图1a为某液压滑阀结构图，图1b为有限元模型，为轴对称结构，为提高阀口过流截面处的计算精度，此处网格局部加密[3，4]。流体流入阀腔时，得到的速度分布如图2所示（压力云图略），可以看出，由于过流断面面积突然减小，流速增大，压力减小，能量耗散增大；当流体流出阀体时，过流断面面积增大，流速减小，压力增大，这与连续性方程和伯努利方程的结论一致，得到了理论验证。在过流断面面积突变处，出现主流与壁面脱离的现象，并且在阀座拐角处形成漩涡区，阀腔内部湍动分布极不均匀，压力较高。
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图1 滑阀结构及有限元模型
图2 速度云图（Xv=1 mm，自由流）
当开口量变化时，流经滑阀的流量及流量系数随之变化，液流流入阀口时的射流角发生变化，出现自由流和附壁流两种状态。在两种状态切换的位置，流量系数会发生突变。由于实际滑阀结构和尺寸多种多样，液流流动状态又无法观测，因此应用Fluent软件，通过改变阀口开度对这一切换现象进行仿真，可以找到流量系数突变的位置，为阀的结构设计提供理论依据。图2为自由流状态，开口量Xv=1 mm；图3为附壁流状态速度图，Xv=0.5 mm，可以直接观察到这两种流动状态。
图3 速度云图（Xv=0.5 mm，附壁流）
利用可视化的流场分析，学生可以直观地看到流体在阀体内部的流动情况，利用所建立模型，还可以计算出液动力，流动阻力等，改变结构形式及参数时，重新计算，可以分析流动特性对元件性能产生的影响，从而对结构进行优化设计，以改善阀的工作性能。
2 Fluent仿真教学的实现
将Fluent仿真技术引入教学中，拓宽了现有的教学方式，也为学生学习软件，应用现代设计方法分析设计液压元件提供了平台。
课堂教学中仿真演示重点介绍实例的工程背景、解决问题的思路、具体案例中计算结果的分析方法，注重工程实例与授课章节内容的联系。实例分为简单实例和有代表性的实例。简单实例建模简单、计算过程时间短，便于课堂教学使用；对于贴近工程具有代表性的实例，由于计算时间长，课堂只显示计算结果及性能分析，具体仿真过程由学生课下完成。因此，为了便于教师及学生应用仿真实例，熟悉软件环境、操作步骤等，编写了仿真实例指导书，并制作成课件，帮助学生在课堂外重复仿真实例的内容，巩固所学的知识，并可以改变几何参数、边界条件等，让学生重新进行仿真计算，对结果进行比较、分析，达到举一反三的目的。
在专业课程设计中，安排与Fluent仿真相关的设计内容，如设计液压集成块，分析其内部流道流场分布，以合理设计阀块内流道的走向等，使学生有机会运用仿真工具进行设计，巩固专业知识，使教学过程前后呼应。
3 结束语
利用Fluent仿真教学，内容新颖，用可视化的定量数据分析液压元件的原理及性能，增强了学生的感性认识，加深了学生对基本理论的理解和掌握，提高了教学效果；同时，学生也学会了专业软件以及将仿真设计方法应用到液压传动技术中的技巧和方法，拓展了学生的知识面，开阔了学生的思维和视野，加强了理论与工程实际间的衔接，培养了学生的独立创新能力和工程应用能力。
参考文献
[1] 郭津津，田磊，刘杰.一种螺纹式二通插装阀的性能分析[J].机床与液压，2011，39（21）：78-80.
[2] 周元春，杨曙东，罗博.基于Fluent的大通径滑阀压力流量特性研究[J].机床与液压，2011，39（19）：103-105.
[3] 朱红钧，林元华，谢龙汉.Fluent12流体分析及工程仿真[M].北京：清华大学出版社，2011.
[4] 闫登强，卿德藩，李岚.基于Fluent的不同阀芯与阀体组合的数值模拟研究[J].机械工程与自动化，2011（1）：25-26.