CFD軟件在傳熱學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

向夏楠

湖南城市學(xué)院市政與測繪工程學(xué)院 湖南益陽 413000

傳熱學(xué)[1]是我校建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)一門十分重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。隨著我校教學(xué)改革的不斷深化，作為一門重點建設(shè)課程，傳熱學(xué)的教學(xué)改革工作成為一項重要任務(wù)。教學(xué)改革提倡“壓縮課時，提高效率”，但在教學(xué)過程中也遇到了一些困難，主要問題是部分內(nèi)容較為抽象，教學(xué)課時少，教學(xué)質(zhì)量要求高，而目前常用的計算機輔助手段沒有被引入教學(xué)中。教師如何通過有限學(xué)時的教學(xué)，使學(xué)生真正掌握專業(yè)所需要的傳熱學(xué)基礎(chǔ)知識，為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)奠定堅實的基礎(chǔ)，并傳授與傳熱學(xué)密切相關(guān)且應(yīng)用廣泛的計算機技術(shù)，是當前我校傳熱學(xué)教學(xué)改革與建設(shè)面臨的主要問題。因此，對傳熱學(xué)課程改革進行認真的探索，對現(xiàn)行傳熱學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)手段等進行改革勢在必行[2-4]。

計算流體動力學(xué)CFD[5]技術(shù)是利用數(shù)值方法通過計算機求解傳熱、傳質(zhì)、動量傳遞及燃燒、多相流和化學(xué)反應(yīng)等領(lǐng)域的數(shù)學(xué)方程，獲得空間和時間離散位置處的數(shù)值解，揭示其物理規(guī)律和特性的學(xué)科，目前已成為十分熱門的研究領(lǐng)域，且廣泛應(yīng)用于航天設(shè)計、汽車設(shè)計、通風(fēng)空調(diào)設(shè)計、生物醫(yī)學(xué)工業(yè)、化工處理工業(yè)等諸多工程領(lǐng)域[6]。

隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展與進步，在PC上運行CFD軟件已不存在任何技術(shù)難題，目前比較著名的CFD軟件包括FLUENT，PHOENICS，CD-STAR，F(xiàn)LOW3D，CFX等，而尤以FLUENT最為成熟，使用較為廣泛。教學(xué)工作者將CFD技術(shù)應(yīng)用到傳熱學(xué)教學(xué)中，能夠生動、形象地展示各種數(shù)值方法的計算結(jié)果，將抽象的概念、理論變成形象的畫面，并結(jié)合基礎(chǔ)理論進行對比講解，加深學(xué)生對相應(yīng)知識的理解，從而達到激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，改善教學(xué)效果的目的[7,8]。

1 CFD軟件與教學(xué)相結(jié)合的優(yōu)勢

相比傳統(tǒng)課堂上使用PPT進行多媒體演示教學(xué)，直接使用FLUENT軟件進行現(xiàn)場模擬及演示，并在此過程中講解課本中相關(guān)知識點的教學(xué)方法，有以下幾點優(yōu)勢。

(1)傳熱學(xué)的內(nèi)容，都是前人經(jīng)過長時間的研究，進行試驗總結(jié)出來的知識，如果利用事先已經(jīng)制作完成的多媒體課件在課堂上播放講解，給學(xué)生留下的思考空間較小，學(xué)生課堂上學(xué)習(xí)知識，課下做課后應(yīng)用題，是典型的應(yīng)試教育模式。而直接使用FLUENT軟件進行現(xiàn)場模擬及演示，并在此過程中講解課本中相關(guān)的知識點，能比使用多媒體課件更加生動形象地展示各種傳熱現(xiàn)象，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生舉一反三自己動手，給學(xué)生更大的思考空間，也更能調(diào)動學(xué)生的主動性。同時，要熟練運用該軟件，需要有流體力學(xué)、傳熱學(xué)的理論為基礎(chǔ)，因此必然促使他們主動地汲取課本上深奧的知識，將所學(xué)知識進行整合。

(2)應(yīng)用FLUENT求解傳熱學(xué)問題的過程，也是將所學(xué)知識運用到實踐中的過程。一方面，將課本知識運用軟件求解，如課本中講到導(dǎo)熱過程的單值性條件部分，分為幾何條件、物理條件、時間條件和邊界條件，而邊界條件又分為第一類邊界條件、第二類邊界條件、第三類邊界條件，學(xué)生在通過課本的學(xué)習(xí)后結(jié)合FLUENT軟件，其求解的過程就是分別設(shè)定以上4個條件的過程。首先，通過前處理器Gambit設(shè)定出物理模型，完成幾何條件的確定，其次，設(shè)置各類材料的物性參數(shù)，確定其物理條件，再次，根據(jù)穩(wěn)態(tài)或者非穩(wěn)態(tài)過程設(shè)定其時間條件，最后，給出邊界條件進行模擬，通過以上過程能使學(xué)生深刻理解單值性條件。另一方面，該軟件能夠應(yīng)用于學(xué)生以后的工作、學(xué)習(xí)，例如，目前綠色建筑等方向在建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)中有十分廣闊的發(fā)展前景，如果學(xué)生以后涉及這方面的工作，CFD軟件的應(yīng)用將是不可或缺的。

2 應(yīng)用實踐案例教學(xué)

實例1：網(wǎng)格的劃分

在FLUENT軟件中使用Gambit軟件進行網(wǎng)格劃分。Gambit軟件高度自動化，可生成包括結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格，也可以生成多種類型組成的混合網(wǎng)格。精密度是網(wǎng)格劃分中需要考慮的重要方面，網(wǎng)格越密其計算結(jié)果越接近真實解，但是卻要花費更多的計算機資源。課堂上為了讓學(xué)生有直觀的理解，可利用Gambit軟件對某一實例進行網(wǎng)格劃分包括結(jié)構(gòu)與非結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)兩種網(wǎng)格劃分方法中節(jié)點的排布規(guī)律，兩種方法對幾何形狀的適應(yīng)能力，劃分不同精密度的網(wǎng)格，并測試其計算所需時間的不同。

實例2：外掠管束的模擬

在建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)中，經(jīng)常用到換熱器。多數(shù)管式換熱設(shè)備，管外流體一般設(shè)計成從垂直管軸方向沖刷管束，這就涉及外掠管束的問題，在教材中給出了外掠管束的換熱關(guān)聯(lián)式，它與管束的順排逆排有關(guān)，也與管間距等因素有關(guān)，相對于枯燥的公式，在課堂上對外略圓管進行溫度場的模擬(如圖1所示)，并改變上述影響條件再模擬，讓學(xué)生對結(jié)果進行對比，如此教學(xué)比列出抽象的公式能起到更好的教學(xué)效果。

圖1 外掠管束的溫度場

實例3：換熱器內(nèi)部溫度場的模擬

一方面，換熱器的學(xué)習(xí)是傳熱學(xué)中的重要部分，另一方面，基于CFD軟件的數(shù)值模擬分析已成為研究換熱設(shè)備的主要途徑，所以在課堂上有必要將二者相結(jié)合，對換熱器內(nèi)部溫度場進行模擬，使學(xué)生所學(xué)知識緊跟科技的發(fā)展。這部分知識可利用FLUENT軟件對換熱器中冷熱流體流向的不同，包括順流逆流，流體溫度隨傳熱面變化情況數(shù)值模擬。逆流的情況如圖2和圖3所示。通過計算機模擬，學(xué)生驗證教師講授的知識，進一步加深對知識的掌握。

圖2 模擬套管式換熱器逆流溫度場的分布

圖3 逆流下流體溫度隨受熱面變化圖

3 結(jié)束語

將CFD技術(shù)引入傳熱學(xué)課堂教學(xué)中，通過CFD技術(shù)強大的圖形顯示功能，有效解決課程教學(xué)中難于講解的問題，使學(xué)生更好地理解和掌握課程中的基本理論，提高多媒體課堂教學(xué)水平。同時，也要注意兩方面的問題，一是選擇的模擬案例不能在課堂中計算太長時間，一般應(yīng)在幾分鐘內(nèi)完成，做演示即可。二是課上教學(xué)與課下實踐相結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生在學(xué)習(xí)完實例后舉一反三，增強開拓創(chuàng)新能力。

將CFD技術(shù)引入實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，進一步提高教學(xué)質(zhì)量和效果，可為學(xué)生專業(yè)課的學(xué)習(xí)奠定堅實的基礎(chǔ)。

[1] 陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)[M].第二版.西安:西安交通大學(xué)出版社,2001.

[2] 鄧權(quán)威,劉欣華.CFD在本科教學(xué)中的應(yīng)用[J].當代教育論壇,2009(10):68-69.

[3] 李雪梅,黃麗芳,李金成.傳熱學(xué)課程教學(xué)改革的探討與實踐[J].石油教育,2004(3):63-65.

[4] 劉彥豐,梁秀俊,高正陽.關(guān)于傳熱學(xué)課程創(chuàng)新教育綜合改革的探討[J].中國電力教育,2002(4):79-80.

[5] 溫正,石良臣,任毅如.FLUENT流體計算應(yīng)用教程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2009.

[6] 鄭捷慶,鄒鋒,張軍.CFD軟件在工程流體力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2007(10):119-121.

[7] 李國威,崔俊奎.基于FLUENT的流體力學(xué)教學(xué)課件素材制作研究[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2009(5):76-77.

[8] 周繼軍,張敏,施偉,劉立平,方恒和.傳熱學(xué)課程的教學(xué)改革與實踐[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2009(2):84-86.