CFD軟件在傳熱學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用及淺析

摘要：本文簡(jiǎn)要分析了傳熱學(xué)教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題，并介紹了CFD技術(shù)以及CFD軟件的代表fluent。通過(guò)與傳統(tǒng)多媒體教學(xué)方式的對(duì)比，得出了利用CFD軟件進(jìn)行教學(xué)的優(yōu)勢(shì)，總結(jié)了需要注意的問(wèn)題。根據(jù)傳熱學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容和特點(diǎn)，通過(guò)實(shí)例說(shuō)明CFD軟件在教學(xué)中的應(yīng)用是較為成功的，可以直觀展示傳熱流動(dòng)過(guò)程，得出相應(yīng)的速度、溫度的定量分布規(guī)律。CFD軟件演示教學(xué)有助于學(xué)生掌握抽象的傳熱學(xué)理論，加深對(duì)傳熱過(guò)程的理解，加強(qiáng)對(duì)傳熱計(jì)算方法的掌握，拓展了現(xiàn)有的教學(xué)方式。

關(guān)鍵詞：CFD；fluent；傳熱學(xué)；多媒體教學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.421 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）29-0043-03

“傳熱學(xué)”是一門(mén)研究由溫度差引起的熱能傳遞規(guī)律的學(xué)科，[1]根據(jù)熱力學(xué)第二定律，只要是有溫差存在，就有熱能自發(fā)地從高溫物體傳遞給低溫物體。[2]而無(wú)論是自然環(huán)境里，還是在人類(lèi)生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域里，到處都存在著溫差，所以熱能傳遞現(xiàn)象在我們生存的世界中廣泛存在。因此，作為一門(mén)研究熱量傳遞規(guī)律的科學(xué)，傳熱學(xué)所涉及的范圍極其廣泛，成為了人類(lèi)認(rèn)識(shí)世界、改造世界的重要工具。

隨著科技的進(jìn)步，新能源、化工制藥、航天航空等領(lǐng)域都在蓬勃發(fā)展，而它們都離不開(kāi)大量的或簡(jiǎn)單、或復(fù)雜的傳熱過(guò)程。所以，在當(dāng)代的高等教育中，“傳熱學(xué)”課程不僅是能源動(dòng)力類(lèi)專(zhuān)業(yè)主要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，同樣也是建筑環(huán)境、化學(xué)工程、機(jī)械制造等專(zhuān)業(yè)學(xué)科的重要課程。[3]

一、傳熱學(xué)課程存在的問(wèn)題及CFD技術(shù)簡(jiǎn)介

1.傳熱學(xué)教學(xué)中存在的問(wèn)題

傳熱學(xué)的教學(xué)內(nèi)容豐富，因?qū)I(yè)所需不同、所用教材版本不同，所以側(cè)重點(diǎn)也不盡相同，但通常都包括穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)的熱傳導(dǎo)及其數(shù)值解法、對(duì)流傳熱相關(guān)理論和計(jì)算、熱輻射相關(guān)理論和計(jì)算，以及傳熱過(guò)程分析等內(nèi)容。我國(guó)開(kāi)設(shè)傳熱學(xué)的歷史已頗悠久，廣大教育工作者在長(zhǎng)期的教學(xué)實(shí)踐中總結(jié)出了很多有效、實(shí)用的教學(xué)方法。但由于熱量的傳遞過(guò)程比較抽象，而且通常伴隨著流體的流動(dòng)現(xiàn)象，過(guò)程復(fù)雜多變，學(xué)生理解起來(lái)往往很吃力。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)無(wú)疑是幫助學(xué)生理解傳熱現(xiàn)象的好途徑，但成本甚高、操作復(fù)雜，如果實(shí)驗(yàn)設(shè)備昂貴笨重則更是根本無(wú)法帶到課堂上來(lái)。而且流動(dòng)傳熱過(guò)程往往瞬息萬(wàn)變，稍縱即逝的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不易捕捉、顯示，這也為實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來(lái)了一定困難。傳統(tǒng)的粉筆黑板式教學(xué)模式經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)便，但相對(duì)古板、靜態(tài)，難以將熱量傳遞現(xiàn)象描述得流暢生動(dòng)。新興的多媒體教學(xué)是很適合講解傳熱學(xué)的教學(xué)方式，但如果沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的配圖、動(dòng)畫(huà)等資源來(lái)輔助，也很難將復(fù)雜的流動(dòng)、傳熱過(guò)程表達(dá)清楚。所以，急需尋找一種能針對(duì)具體物理過(guò)程的演示方法，為課堂教學(xué)提供支持，以便學(xué)生更好地觀摩、理解傳熱過(guò)程。

2.CFD技術(shù)簡(jiǎn)介

CFD是Computational Fluid Dynamics（計(jì)算流體力學(xué)）的簡(jiǎn)稱，特指通過(guò)計(jì)算機(jī)的數(shù)值計(jì)算和數(shù)據(jù)匯總處理、圖像顯示等功能，是對(duì)包含有流體流動(dòng)和傳熱等相關(guān)物理現(xiàn)象進(jìn)行求解分析的技術(shù)。通過(guò)CFD技術(shù)，我們可以利用計(jì)算機(jī)來(lái)計(jì)算、分析并顯示流動(dòng)與傳熱現(xiàn)象，在較短的時(shí)間內(nèi)解決流體力學(xué)、傳熱學(xué)問(wèn)題。CFD的基本思想可以歸結(jié)為：把原來(lái)在時(shí)間域及空間域上連續(xù)的物理場(chǎng)（如速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)），用有限個(gè)離散點(diǎn)上的變量的集合來(lái)代替，通過(guò)一定的方式建立起關(guān)于這些離散點(diǎn)上場(chǎng)變量之間的代數(shù)方程組，然后通過(guò)對(duì)代數(shù)方程組的迭代求解，來(lái)獲得場(chǎng)變量的近似值。[4]

一個(gè)完整的CFD模擬過(guò)程通常包含如下幾個(gè)主要環(huán)節(jié)：根據(jù)實(shí)際情況建立數(shù)學(xué)模型；將計(jì)算區(qū)域離散化；選擇合適的數(shù)值算法求解；計(jì)算結(jié)果的顯示與后處理。

簡(jiǎn)單地說(shuō)，CFD相當(dāng)于“虛擬”地在計(jì)算機(jī)里做實(shí)驗(yàn)，用以模擬實(shí)際的流體流動(dòng)與傳熱情況。由于其不用搭建實(shí)體的試驗(yàn)臺(tái)，不用購(gòu)買(mǎi)、制作真實(shí)的工程儀器，僅僅把計(jì)算機(jī)作為工具和場(chǎng)所，所以相對(duì)于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究具有速度快、成本低、操作性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，越來(lái)越多的科研工作者和工程技術(shù)人員把實(shí)驗(yàn)室搬到了電腦里，用數(shù)值模擬方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)，取得了理想的結(jié)果。如今，CFD在各行各業(yè)都有廣泛應(yīng)用，大到飛機(jī)的外部流場(chǎng)和電站鍋爐內(nèi)部燃燒、傳熱過(guò)程的仿真，小到燃料電池內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)、人體血管血液流動(dòng)過(guò)程的模擬，都有CFD參與其中。

目前全世界已有幾十種求解流動(dòng)與傳熱問(wèn)題的商用CFD軟件，比較著名的有FLUENT、CFX、PHOENICS、Icepak等，而FLUENT是其中較為成熟、使用較為廣泛的一款。FLUENT內(nèi)置了多種算法（包括非耦合隱式算法、耦合顯式算法、耦合隱式算法），包含豐富而先進(jìn)的物理模型，能夠勝任對(duì)各種流體的對(duì)流換熱、固體或流體間的熱傳導(dǎo)、熱輻射等復(fù)雜傳熱現(xiàn)象的模擬。而且其操作界面友好、迭代過(guò)程迅速準(zhǔn)確、計(jì)算結(jié)果顯示美觀清晰，無(wú)疑是傳熱學(xué)多媒體教學(xué)的好幫手。

作者基于多年傳熱學(xué)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，希望通過(guò)用fluent軟件模擬傳熱過(guò)程的方式，在課堂上簡(jiǎn)潔、生動(dòng)地展示傳熱現(xiàn)象，為學(xué)生對(duì)流動(dòng)傳熱過(guò)程的理解提供幫助。

二、CFD軟件在課堂教學(xué)中的應(yīng)用

1.CFD教學(xué)模式的優(yōu)勢(shì)

與常規(guī)的多媒體課件模式（以下簡(jiǎn)稱為“傳統(tǒng)模式”）相比，直接用CFD軟件在課堂教學(xué)中進(jìn)行演示（以下簡(jiǎn)稱為“CFD模式”）有如下優(yōu)勢(shì)：

（1）CFD模式使學(xué)生產(chǎn)生強(qiáng)烈的“參與感”。在傳統(tǒng)模式教學(xué)中，多媒體課件往往是教師根據(jù)教材和教學(xué)大綱在課下制作的，包括思路的整理、教學(xué)內(nèi)容的展示、素材的選取等，都是由教師一手操辦，再到課堂上宣講。在這種傳統(tǒng)模式下的教學(xué)，學(xué)生沒(méi)有看到知識(shí)點(diǎn)的組織和梳理過(guò)程，更沒(méi)有親身去參與到其中，這樣他們往往是在被動(dòng)地接受知識(shí)，缺少參與感。而CFD模式則不然，它可以直接針對(duì)具體的傳熱過(guò)程實(shí)例，教師在課下先畫(huà)好模型，在課堂上用fluent軟件一步步地設(shè)置邊界條件、物性參數(shù)、求解方法。這樣，例子的求解全過(guò)程同學(xué)們都能參與到，該過(guò)程是對(duì)流還是輻射、是層流還是紊流、是可壓縮還是不可壓縮、是定常還是非定常，同學(xué)們都能親眼看到?？梢?jiàn)，CFD模式可以把知識(shí)概念的灌輸，變成知識(shí)脈絡(luò)的整理，這對(duì)鞏固學(xué)生們的知識(shí)、加深同學(xué)們對(duì)傳熱流動(dòng)現(xiàn)象的理解都有巨大幫助。

（2）CFD模式能極好地活躍課堂氛圍。在傳統(tǒng)模式教學(xué)中，盡管多媒體課件中有較為豐富的圖片、動(dòng)畫(huà)等元素，比粉筆黑板式教學(xué)要多元化得多，但教師在依靠其授課的過(guò)程中，本質(zhì)仍是在照本宣科，只不過(guò)“本”換成了“課件”。除去教師個(gè)人能力因素來(lái)看，只依靠多媒體課件，課堂氣氛難以活躍。在CFD模式中，對(duì)多媒體課件的“依靠”變成了對(duì)CFD軟件的“操作”，教師把參數(shù)的設(shè)置過(guò)程、求解的迭代過(guò)程、后處理的顯示過(guò)程全部展現(xiàn)在了同學(xué)們的面前。設(shè)置參數(shù)時(shí)的周密思考，求解時(shí)的緊張興奮，結(jié)果顯示時(shí)的成就感，甚至計(jì)算失誤時(shí)的小失落，都會(huì)使課堂氣氛變得活躍、熱烈。

（3）CFD模式能有效激發(fā)學(xué)生對(duì)傳熱學(xué)的興趣。在傳統(tǒng)模式教學(xué)中，復(fù)雜的公式和抽象的邊界條件只能借助一些相對(duì)活潑新鮮的圖片或簡(jiǎn)單動(dòng)畫(huà)來(lái)顯示，無(wú)法在學(xué)生腦中形成感性認(rèn)識(shí)，更難以把傳熱問(wèn)題復(fù)雜的求解過(guò)程“平易化”，很難激發(fā)學(xué)生的興趣。我們知道，對(duì)于當(dāng)代大學(xué)生來(lái)說(shuō)，生活中最熟悉的東西莫過(guò)于電腦了，計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展使電腦普及到學(xué)生身邊，新鮮的、功能強(qiáng)大的軟件是大多數(shù)年輕人關(guān)注的熱點(diǎn)，也是強(qiáng)烈的興趣點(diǎn)。而CFD模式則正是利用fluent等商業(yè)軟件，使相對(duì)枯燥的數(shù)學(xué)模型變得生動(dòng)，把抽象的傳熱現(xiàn)象通過(guò)眼前新鮮的軟件展示出來(lái)。這樣能使學(xué)生對(duì)軟件產(chǎn)生濃厚的興趣，甚至?xí)雅d趣帶到課下，在摸索、學(xué)習(xí)軟件的過(guò)程中自覺(jué)地加強(qiáng)對(duì)傳熱學(xué)、流體力學(xué)等基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)，把被動(dòng)接受知識(shí)變成主動(dòng)汲取知識(shí)。

2.CFD教學(xué)模式過(guò)程中需要注意的問(wèn)題

作者通過(guò)在課堂上對(duì)CFD模式的摸索實(shí)踐，深切感受到其優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了一些需要注意的問(wèn)題。

（1）CFD模式對(duì)教師的軟件操作能力要求較高。傳統(tǒng)模式教學(xué)中，課件是事先做好的，課堂上只要按照預(yù)先的準(zhǔn)備來(lái)放映即可，節(jié)奏與內(nèi)容都很容易掌握。但在CFD模式中，由于教師要在課堂上當(dāng)場(chǎng)用fluent演示全部求解過(guò)程，甚至即興根據(jù)所講的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行建模和求解，所以需要教師對(duì)CFD軟件有深刻的理解和高超的操作水平。

（2）CFD模式需要教師具備一定的臨場(chǎng)應(yīng)變能力。而且課堂上同學(xué)們可能會(huì)希望看到更多工況下的模擬結(jié)果，對(duì)于這些工況教師在課前未必會(huì)準(zhǔn)備得很充分，不可避免會(huì)使教學(xué)過(guò)程出現(xiàn)小波折，比如出現(xiàn)求解不收斂、結(jié)果偽收斂等情況，這就需要教師有相應(yīng)的應(yīng)變能力，將這些小瑕疵轉(zhuǎn)化成活躍課堂氣氛的興趣點(diǎn)。

（3）CFD模式對(duì)電腦有一定要求。CFD軟件的求解過(guò)程需要電腦的CPU和內(nèi)存共同高速運(yùn)轉(zhuǎn)，如果電腦狀況很差，處理的模型比較大、網(wǎng)格比較多，就可能會(huì)出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象。這種情況在課堂教學(xué)中真的很掃興，應(yīng)該盡量避免出現(xiàn)。所以需要教室內(nèi)配備有相應(yīng)配置的電腦，或是由教師自帶性能足夠的筆記本電腦，以便順利完成教學(xué)。

三、教學(xué)實(shí)例

根據(jù)《傳熱學(xué)》中外部強(qiáng)制對(duì)流傳熱部分，[1]模擬流體橫掠管束的傳熱過(guò)程。外掠管束換熱在各種換熱設(shè)備中極為常見(jiàn)，通常管束的排列有叉排和順排兩種方式。為幫助同學(xué)們理解，現(xiàn)假設(shè)了如下兩個(gè)模型（見(jiàn)圖1）：

溫度為T(mén)1=300K的空氣以u(píng)=1m/s的速度分別沖刷叉排和順排的兩組管束，管束的溫度均為T(mén)2=700K。d=100mm，s1=s2=150mm。

網(wǎng)格事先畫(huà)好，在課堂上利用fluent軟件對(duì)此二維模型進(jìn)行模擬，展示相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置（見(jiàn)圖2）。湍流模型選用k-ε模型，氣體的粘度等參數(shù)按照相應(yīng)溫度下的物性設(shè)置，松弛因子用軟件默認(rèn)的即可（若希望加快收斂，可以將相應(yīng)方程的松弛因子調(diào)低些）。

計(jì)算收斂后可以清晰地得到流場(chǎng)的速度云圖（見(jiàn)圖3，圖5）、溫度云圖（見(jiàn)圖4，圖6）、局部放大速度矢量圖（見(jiàn)圖7），非常直觀地展示了兩種排列方式流動(dòng)、換熱過(guò)程的異同。

通過(guò)觀看、參與參數(shù)的設(shè)置過(guò)程，使同學(xué)們明確了解決傳熱學(xué)問(wèn)題的步驟和條件；而通過(guò)計(jì)算后得到的這些物理場(chǎng)圖，可以加深同學(xué)們對(duì)空氣流沖刷管束時(shí)強(qiáng)制對(duì)流傳熱的感性認(rèn)識(shí)。

為進(jìn)一步幫助學(xué)生對(duì)傳熱過(guò)程的理解，可以將穩(wěn)態(tài)問(wèn)題轉(zhuǎn)化成非穩(wěn)態(tài)問(wèn)題，逐時(shí)進(jìn)行求解。即在求解器中將Steady改成Transient（見(jiàn)圖8），并設(shè)置時(shí)間步長(zhǎng)（見(jiàn)圖9），模擬出傳熱過(guò)程中特定時(shí)刻的狀態(tài)。

圖10-圖13分別顯示了叉排橫掠管束內(nèi)t=0.03s、t=0.1s、t=0.5s和t=1s時(shí)的溫度云圖。從這幾張圖中可清晰地看到叉排橫掠管束強(qiáng)制對(duì)流的換熱過(guò)程：換熱器內(nèi)原本溫度較高，當(dāng)空氣流入時(shí)，由于管子與空氣間存在溫差，二者間發(fā)生了熱的傳遞。流入的空氣逐漸被高溫管子加熱，而內(nèi)部原本溫度很高的流場(chǎng)則被流入的空氣冷卻。整個(gè)過(guò)程最終會(huì)趨于穩(wěn)態(tài)，漸漸與圖4的穩(wěn)態(tài)溫度云圖相吻合。

最后，用fluent進(jìn)行簡(jiǎn)單的后處理，生成兩種排列方式出口處的溫度曲線圖（見(jiàn)圖14），疊在一起后便可以看出兩種方式的換熱差別。

可見(jiàn)，通過(guò)對(duì)傳熱過(guò)程的穩(wěn)態(tài)模擬和逐時(shí)模擬，可以把原本難以捕捉的傳熱過(guò)程生動(dòng)地展現(xiàn)出來(lái)，把抽象問(wèn)題具體化、形象化，大大加深學(xué)生對(duì)傳熱過(guò)程的理解，激發(fā)大家對(duì)傳熱學(xué)的興趣。

四、結(jié)論

綜上所述，將CFD軟件引入傳熱學(xué)課堂教學(xué)的教學(xué)方式能使學(xué)生更清晰地觀察到流動(dòng)傳熱現(xiàn)象，彌補(bǔ)現(xiàn)有多媒體教學(xué)中存在的缺陷。教師可以根據(jù)教學(xué)計(jì)劃，在課堂上實(shí)時(shí)地模擬穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)的傳熱過(guò)程，加深學(xué)生對(duì)傳熱過(guò)程的理解。

然而這種教學(xué)方式必然要求專(zhuān)業(yè)教師具有深厚的計(jì)算傳熱學(xué)和計(jì)算流體力學(xué)的理論基礎(chǔ)，熟練操作使用數(shù)值計(jì)算軟件的能力，還對(duì)教師的臨場(chǎng)應(yīng)變能力和教學(xué)現(xiàn)場(chǎng)的硬件水平有較高要求。

由于CFD軟件教學(xué)模式具有新穎、靈活的特點(diǎn)，所以其能夠得到學(xué)生的喜愛(ài)，活躍課堂氛圍，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，是提高教學(xué)質(zhì)量的方法之一，值得廣大教育工作者們繼續(xù)深入研究。

參考文獻(xiàn)：

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[2]沈維道，蔣智敏，童鈞耕.工程熱力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2001.

[3]李友榮，楊晨，吳雙應(yīng)，等.“傳熱學(xué)”課程教學(xué)改革研究與思考[J].中國(guó)電力教育，2010，（11）：66-67.

[4]王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析——CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

（責(zé)任編輯：劉翠枝）