仿真軟件在建環(huán)專業(yè)課程教學(xué)中的應(yīng)用

邵雪　趙薇　張丹

摘? 要：面對日益嚴峻的就業(yè)形勢，應(yīng)用型大學(xué)需要明晰用人單位的人才需求，培養(yǎng)適應(yīng)社會發(fā)展需要的創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)、專業(yè)技術(shù)型人才。工程熱力學(xué)、傳熱學(xué)和流體力學(xué)作為建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)的核心課程，是課程體系的主框架，對學(xué)生后續(xù)課程的學(xué)習(xí)影響較大。針對三門課程的教學(xué)特點和難點，將仿真軟件CFD引入課程教學(xué)中，利用其可視性強、顏色突出、動畫豐富的特點對三門課程的個別教學(xué)案例進行分析，以此強化教學(xué)效果，提升學(xué)生的工程思維和就業(yè)能力。

關(guān)鍵詞：CFD；工程熱力學(xué)；傳熱學(xué)；流體力學(xué)；教學(xué)案例；工程思維

中圖分類號：TP39；G434 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2023）12-0191-05

Application of Simulation Software in the Teaching of Building and Environmental Protection Courses

SHAO Xue， ZHAO Wei， ZHANG Dan

（School of Civil and Architectural Engineering， Liaoning University of Technology， Jinzhou? 121001， China）

Abstract： Faced with the increasingly severe employment situation， application-oriented universities need to clarify the talent needs of employers and cultivate innovative， entrepreneurial， and professional technical talents that meet the needs of social development. Engineering thermodynamics， heat transfer and hydrodynamics， as the core courses of building environment and energy application engineering， are the main framework of the course system， which has a great impact on students' follow-up courses. In response to the teaching characteristics and difficulties of the three courses， the simulation software CFD is introduced into the course teaching. By utilizing its strong visibility， prominent colors， and rich animations， individual teaching cases of the three courses are analyzed to strengthen the teaching effect and enhance students' engineering thinking and employment ability.

Keywords： CFD; Engineering Thermodynamics; Heat transfer; hydrodynamics; teaching case; engineering thinking

0? 引? 言

仿真軟件在數(shù)字化教學(xué)中被廣泛使用，其中計算流體動力學(xué)（Computational Fluid Dynamics， CFD）能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計、詳細分析、問題保障和優(yōu)化設(shè)計四大任務(wù)，已成為企業(yè)研發(fā)部門和建筑設(shè)計部門工程師和設(shè)計師必備的專業(yè)技能。為了培養(yǎng)具有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，適應(yīng)社會需求，緊跟行業(yè)發(fā)展的高水平、應(yīng)用型人才[1]，一些工科院校明晰用人單位相關(guān)崗位的崗位職責(zé)和任職要求，認識到在教學(xué)中引入仿真工具的重要性，嘗試在部分教學(xué)中引入CFD，并將其逐步推廣到本科課程的教學(xué)中。對于“工程熱力學(xué)”課程，王麗麗[2]通過數(shù)值仿真與理論應(yīng)用耦合式教學(xué)法的實踐，拓展了學(xué)生的工程思維，培養(yǎng)了學(xué)生的理論應(yīng)用能力，獲得極好的教學(xué)效果；劉廣強[3]將CFD引入“工程熱力學(xué)”實驗教學(xué)中，完善了實驗教學(xué)體系，并指出該模式對培養(yǎng)創(chuàng)新型人才有促進作用；在流體力學(xué)教學(xué)過程中，針對伯努利方程和雷諾方程這兩大教學(xué)難點，楊波[4]運用CFD分析了90°彎管和U型管流阻比對，通過完整的仿真實例，形成了閉環(huán)教學(xué)設(shè)計；在新冠特殊時期，胡簫[5]將CFD引入“流體力學(xué)”課程教學(xué)，展開了線上線下教學(xué)模式的改革，強化了案例教學(xué)，提升了學(xué)生自主學(xué)習(xí)和解決難題的能力；張欣宇[6]利用CFD分析“傳熱學(xué)”課程中單層和多層平壁的傳熱過程，理論與圖形相結(jié)合，培養(yǎng)了學(xué)生的傳熱思維；進一步地，張紅欣[7]結(jié)合工程應(yīng)用案例和CFD仿真技術(shù)，對“傳熱學(xué)”教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段及方法進行了探索和改進。可見，CFD可以作為建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程（以下簡稱“建環(huán)”）專業(yè)的一種教育方式，成為學(xué)生必備的專業(yè)技能。基于為滿足行業(yè)需求而培養(yǎng)順應(yīng)時勢、與時俱進人才的理念，將CFD引入我校本專業(yè)三門專業(yè)基礎(chǔ)課程中，助力學(xué)生就業(yè)，構(gòu)建強化工程實踐能力培養(yǎng)的課程體系，落實以持續(xù)改進為目標(biāo)的質(zhì)量保障體系，搶抓“一流專業(yè)”專業(yè)建設(shè)水平，推動學(xué)科建設(shè)的跨越發(fā)展。

1? 課程存在的問題

工程熱力學(xué)是研究能量轉(zhuǎn)化的一門學(xué)科，課程內(nèi)容包括能量工質(zhì)、能量傳遞（數(shù)量和方向）、熱力過程（熱力設(shè)備）、熱力循環(huán)（系統(tǒng)）。學(xué)生普遍認為整個課程知識分散不系統(tǒng)，公式多，教學(xué)案例靈活多變與實際關(guān)聯(lián)較小，工程問題無法與教學(xué)知識點關(guān)聯(lián)，計算數(shù)值僅是數(shù)據(jù)；流體力學(xué)是以動力學(xué)的理論和方法研究流體（液體、氣體）運動規(guī)律的學(xué)科[8]。典型流體如氣體（空氣）和液體（水），無色無味，有的看不見，摸不到，有的看得見，無常形，這種抽象無規(guī)律的運動，使學(xué)生無法進行合乎實際的定性判斷和定量估計；傳熱學(xué)是研究熱量傳遞規(guī)律的學(xué)科[9]，課程內(nèi)容包括固體導(dǎo)熱、流體換熱、輻射換熱、流固耦合傳熱等不同類型傳熱方式，過程復(fù)雜多變，涉及大量傳熱方程，課程算例多數(shù)是算出溫度數(shù)值、壓力數(shù)值、時間數(shù)值，而這些僅是帶有單位的數(shù)字，對于整體無法形成大、小、高、低、快、慢的層次對比。可見，工程熱力學(xué)、流體力學(xué)和傳熱學(xué)三門學(xué)科作為建環(huán)專業(yè)基礎(chǔ)核心課程是逐年開課，且三門學(xué)科的內(nèi)容相輔相成，為了解決三門課程存在的問題，將CFD軟件引入適合章節(jié)的教學(xué)當(dāng)中，對學(xué)生認識熱科學(xué)、動力學(xué)、關(guān)聯(lián)專業(yè)課程具有一定的輔助作用，可使學(xué)生樹立正確和完整的科學(xué)三觀。

2? 數(shù)值模擬引入教學(xué)的手段

CFD內(nèi)含多組數(shù)學(xué)方程式及函數(shù)數(shù)據(jù)庫，采用有限體積法以及耦合多重網(wǎng)格求解，對控制方程式進行求解，獲得網(wǎng)格節(jié)點的數(shù)值。從本質(zhì)上來說是利用計算機代替人腦的大型計算器，不同數(shù)值采用不同顏色來區(qū)分（紅色代表熱，對應(yīng)高的數(shù)值；藍色代表冷，對應(yīng)低的數(shù)值；綠色為中間色，對應(yīng)中間數(shù)值），這樣就將數(shù)字轉(zhuǎn)為圖片，由點連成片，由面連成體，發(fā)散學(xué)生思維，將抽象晦澀、深奧艱深的理論知識[10]轉(zhuǎn)化為形象直觀的圖像，便于學(xué)生的理解領(lǐng)悟。CFD最難的部分是相關(guān)公式的選用，教師引入CFD的教學(xué)目的是方便操作和結(jié)果展示，對大學(xué)本科二、三年級學(xué)生而言，知曉積分、微分方和偏微分方程即可，無須掌握公式的選擇與編寫。

并不是所有的課程內(nèi)容都適于CFD教學(xué)，按照教學(xué)內(nèi)容選取最適合章節(jié)，選取典型的工質(zhì)流動和傳熱的典型案例以及課程間有關(guān)聯(lián)的知識點作為仿真實例，例如，工程熱力學(xué)—噴管、絕熱節(jié)流；流體力學(xué)—文丘里流量計、管內(nèi)流動阻力損失、離心式水泵；傳熱學(xué)—多層平壁穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱、管內(nèi)對流換熱，如圖1所示。將案例求解精簡為四個步驟：簡化問題、理論問題、解決問題、分析問題，為便于學(xué)生熟悉軟件操作，教師提供幾何模型并對主要功能進行設(shè)置，學(xué)生無需把所有內(nèi)容全部掌握，只需掌握軟件操作流程一條主線，能把建模、建網(wǎng)格、數(shù)學(xué)設(shè)置、求解計算這幾個主要步驟跑完就可以了，保證一人一機。

3? 仿真軟件CFD在課程教學(xué)中的探索與應(yīng)用

在教學(xué)過程中，按照課程的教學(xué)順序，結(jié)合教材的編排順序，將CFD數(shù)值仿真技術(shù)引入到課程中開展的教學(xué)案例、課程內(nèi)容設(shè)計、教學(xué)安排，如表1所示。

表1公式中：q表示單位質(zhì)量熱量（kJ/kg）；h表示比焓（kJ/kg）；g表示重力加速度，取9.8 m/s2；z表示相對高度（m）；ws表示軸功（kJ/kg）；v表示比體積（m3/kg）；p表示壓強（pa）；k表示絕熱指數(shù)，空氣取1.4；s表示比熵（kJ/kg）；d表示直徑（m）；γ表示容重（N/m3）；ΔH表示相對揚程差值（m）；Q表示流量（m3/s）；μ表示文丘里系數(shù)，取0.95～0.98；K表示流量計常數(shù)（m2.5/s）；u表示速度（m/s）；μ表示粘性系數(shù)（pa.s）；τ表示切應(yīng)力（pa）；l表示長度（m）；r表示半徑（m）；ν表示動力粘度（pa.s）；hf表示沿程阻力損失（m）；λf表示粗糙度；Φ表示熱量（J）；t表示溫度（℃）；δ表示厚度（m）；A表示接觸面積（m2）；λ表示導(dǎo)熱系數(shù)（W/（m·℃））；R表示熱阻（℃/W）；Re表示雷諾數(shù)；Pr表示普朗特數(shù)。

4? 結(jié)? 論

設(shè)計、研發(fā)崗位是高校畢業(yè)生的最佳就業(yè)目標(biāo)，大部分崗位對崗位職員有仿真軟件CFD模擬能力的要求，為了使大學(xué)生就業(yè)能力與用人單位的用人期望相匹配，將CFD引入高校教學(xué)勢在必行。針對本科生的課程安排，結(jié)合學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和接納程度，教師需要進行教學(xué)改革，改進教學(xué)手段，充實教學(xué)內(nèi)容并完善教學(xué)方法。首選建環(huán)專業(yè)三大專業(yè)核心課程，針對每門課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)難點及課程之間的關(guān)聯(lián)內(nèi)容，調(diào)整教學(xué)日程安排，挑選教學(xué)案例，講授CFD數(shù)值模擬工具的使用，簡化模擬流程，分析結(jié)果等，提高課堂教學(xué)的生動性和易懂性，形成數(shù)字時代的工程思維，從而提高教師的教學(xué)效果。

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作者簡介：邵雪（1984—），女，漢族，山東沂水人，副教授，博士，研究方向：低溫傳熱、旋轉(zhuǎn)機械數(shù)值仿真。

收稿日期：2023-02-06

基金項目：遼寧省一流本科專業(yè)建設(shè)點建設(shè)項目（教高廳函〔2022〕14號）；遼寧省普通本科高等學(xué)校校際合作項目（遼教發(fā)〔2021〕45號）；遼寧工業(yè)大學(xué)課程思政示范課程建設(shè)教學(xué)改革研究項目（2022030）