關善超

(蘇州市陽山實驗初級中學校 江蘇 蘇州 215151)

流體壓強相關內容的教學在中學物理教學中是個難點.因為其難以直接測量和觀察的特點，常規(guī)的教學及實驗存在著一些難以處理的問題.如學生對流體內部壓強分布只能通過對定性實驗的觀察作出想象，限于中學物理實驗條件，很難定量研究.而流體流速和壓強的關系也是單單通過幾個簡單的實驗現(xiàn)象得出結論，并沒有實驗驗證.實驗條件不足的客觀事實造成教師只能是巧婦難為無米之炊，學生只能似懂非懂，強記結論.

在著眼提升學生物理核心素養(yǎng)的大背景下，讓學生更加全面地理解、掌握和應用所學的知識，從不同角度激發(fā)學生的內在學習潛能和學習興趣，是一線教師所必須解決的問題[1].在中學實驗條件相對落后，經費不足的條件下，對于一些實驗現(xiàn)象難以觀察的實驗，數(shù)值模擬實驗不失為一種非常好的方法，這極大地豐富了中學物理教學的技術手段[2,3].模擬結果通過圖片和動畫的方式直觀呈現(xiàn)，即節(jié)省了實驗成本，又得到了準確的數(shù)據，為突破中學物理教學中的重難點和非常規(guī)實驗，提供了一種有效的新選擇[4,5].本文運用Fluent軟件對流體壓強教學中遇到的兩個問題進行模擬，將模擬過程具體呈現(xiàn)，以期對一線教學有所幫助.

1 液體內部壓強模擬

建立一個左右直徑不相同的連通器，通過觀察連通器中水最終的平衡狀態(tài)，幫助學生理解液體內部壓強的相關知識，突破錯誤前概念.

1.1 導入模型

打開Fluent軟件，導入用Gambit建好的連通器模型.如圖1所示，左側圓管直徑2 cm，右側圓管直徑1 cm，高30 cm的連通器.

圖1 連通器模型

1.2 過程設置

在general中設置時間為瞬態(tài)，引力系數(shù)為-9.8.

在models中設置多相流模型為VOF，湍流模型為k-epsilon.

在Materals中添加材料，添加兩種材料分別為液態(tài)水和空氣.

在Phases中設置主相為空氣，第二相為液態(tài)水.

1.3 求解器設置

進入Solution Methods設置求解器.設置壓強速度耦合求解模式為SIMPLE.進入Solution Initialization，選擇從所有區(qū)域進行計算，點擊進行初始化.接著設置液態(tài)水區(qū)域.用Patch把液態(tài)水添加在定義好的區(qū)域中.最后，進入Run Calculation，定義每個時間步為0.01 s，計算400步.點擊Calculate進行求解計算，耐心等待計算結果.

1.4 結果分析

計算結果在Results中進行查看，可以在Graphics and Animations中查看計算結果云圖(圖2和圖3)和生成動畫視頻.

(a)

(b)

圖3 壓強云圖

通過觀察水和空氣分布云圖可知，水在容器中最終穩(wěn)定后左右兩邊高低相同，并非學生所想的直徑大的水面低，直徑小的水面高.進一步觀察壓強云圖，可直觀地發(fā)現(xiàn)深度越深，壓強越大.壓強云圖呈現(xiàn)層狀分布，同一深度，壓強相等，與管子直徑無關，只和深度有關.

2 流體流速與壓強關系模擬

建立一個粗細變化的流管，水從左側流入，右側流出.通過比較管內流體流速和壓強的大小，加深理解流體流速與壓強的關系.

2.1 導入模型

導入建好的模型并劃分網格，入口直徑10 cm，管長70 cm，如圖4所示.

圖4 建立模型

2.2 過程設置

在general中設置時間為穩(wěn)態(tài).

在models中設置湍流模型為k-epsilon.

在Materals中添加材料液態(tài)水.

在Boundary conditions中設置邊界條件，入口上施加一個大氣壓的壓強，出口設置為標準大氣壓出口.

2.3 求解器設置

求解器設置過程同1.3所示.設置完畢，進入Run Calculation，計算1 000步，點擊Calculate進行求解計算.

2.4 結果分析

在Results中查看速度云圖(圖5)和壓力云圖(圖6).

圖5 速度云圖

圖6 壓力云圖

通過云圖可以發(fā)現(xiàn)，流管直徑變窄處流速明顯增大.同時對比壓力云圖可知流速越快則壓強越小.為了更清楚地得出結論，可選擇流管中相同位置坐標的一組數(shù)據，并畫出其速度-位置關系圖(圖7)和壓強-位置關系圖(圖8).

圖7 速度-位置關系圖

圖8 壓強-位置關系圖

下面對圖7和圖8作對比分析，它們分別是流體速度與位置的關系，和流體內壓強與位置的關系.由圖7和圖8可直觀發(fā)現(xiàn)，速度小的位置對應的壓強就大，速度大的位置對應的壓強就小，進而得出穩(wěn)定流體遵從的規(guī)律：流體流速越大的位置其壓強越小，流速越小的位置其壓強越大.

3 結束語

使用Fluent模擬解決流體內部壓強問題和流體流速與壓強的關系兩個問題有其獨特的優(yōu)勢，在所繪制的速度-位置關系圖和壓強-位置圖上可直觀得出某位置的流速和壓強，不但彌補了實驗器材不足的缺點，更能做到自主設計所需實驗.讓學生更加直觀生動地觀察實驗，內化所學知識.從定性分析上升到定量分析，提高學生通過分析圖像和數(shù)據得出結論的能力，全面提高學生的物理核心素養(yǎng)，為攻克流體壓強教學重難點提供一種新的教學思路.