CFD软件在传热学教学中的应用

向夏楠

湖南城市学院市政与测绘工程学院 湖南益阳 413000

传热学[1]是我校建筑环境与能源应用工程专业一门十分重要的专业基础课。随着我校教学改革的不断深化，作为一门重点建设课程，传热学的教学改革工作成为一项重要任务。教学改革提倡“压缩课时，提高效率”，但在教学过程中也遇到了一些困难，主要问题是部分内容较为抽象，教学课时少，教学质量要求高，而目前常用的计算机辅助手段没有被引入教学中。教师如何通过有限学时的教学，使学生真正掌握专业所需要的传热学基础知识，为后续专业课程的学习奠定坚实的基础，并传授与传热学密切相关且应用广泛的计算机技术，是当前我校传热学教学改革与建设面临的主要问题。因此，对传热学课程改革进行认真的探索，对现行传热学课程的教学内容、教学方法和教学手段等进行改革势在必行[2-4]。

计算流体动力学CFD[5]技术是利用数值方法通过计算机求解传热、传质、动量传递及燃烧、多相流和化学反应等领域的数学方程，获得空间和时间离散位置处的数值解，揭示其物理规律和特性的学科，目前已成为十分热门的研究领域，且广泛应用于航天设计、汽车设计、通风空调设计、生物医学工业、化工处理工业等诸多工程领域[6]。

随着计算机技术的不断发展与进步，在PC上运行CFD软件已不存在任何技术难题，目前比较著名的CFD软件包括FLUENT，PHOENICS，CD-STAR，FLOW3D，CFX等，而尤以FLUENT最为成熟，使用较为广泛。教学工作者将CFD技术应用到传热学教学中，能够生动、形象地展示各种数值方法的计算结果，将抽象的概念、理论变成形象的画面，并结合基础理论进行对比讲解，加深学生对相应知识的理解，从而达到激发学生的学习兴趣，改善教学效果的目的[7,8]。

1 CFD软件与教学相结合的优势

相比传统课堂上使用PPT进行多媒体演示教学，直接使用FLUENT软件进行现场模拟及演示，并在此过程中讲解课本中相关知识点的教学方法，有以下几点优势。

(1)传热学的内容，都是前人经过长时间的研究，进行试验总结出来的知识，如果利用事先已经制作完成的多媒体课件在课堂上播放讲解，给学生留下的思考空间较小，学生课堂上学习知识，课下做课后应用题，是典型的应试教育模式。而直接使用FLUENT软件进行现场模拟及演示，并在此过程中讲解课本中相关的知识点，能比使用多媒体课件更加生动形象地展示各种传热现象，激发学生的学习兴趣，让学生举一反三自己动手，给学生更大的思考空间，也更能调动学生的主动性。同时，要熟练运用该软件，需要有流体力学、传热学的理论为基础，因此必然促使他们主动地汲取课本上深奥的知识，将所学知识进行整合。

(2)应用FLUENT求解传热学问题的过程，也是将所学知识运用到实践中的过程。一方面，将课本知识运用软件求解，如课本中讲到导热过程的单值性条件部分，分为几何条件、物理条件、时间条件和边界条件，而边界条件又分为第一类边界条件、第二类边界条件、第三类边界条件，学生在通过课本的学习后结合FLUENT软件，其求解的过程就是分别设定以上4个条件的过程。首先，通过前处理器Gambit设定出物理模型，完成几何条件的确定，其次，设置各类材料的物性参数，确定其物理条件，再次，根据稳态或者非稳态过程设定其时间条件，最后，给出边界条件进行模拟，通过以上过程能使学生深刻理解单值性条件。另一方面，该软件能够应用于学生以后的工作、学习，例如，目前绿色建筑等方向在建筑环境与能源应用工程专业中有十分广阔的发展前景，如果学生以后涉及这方面的工作，CFD软件的应用将是不可或缺的。

2 应用实践案例教学

实例1：网格的划分

在FLUENT软件中使用Gambit软件进行网格划分。Gambit软件高度自动化，可生成包括结构和非结构化的网格，也可以生成多种类型组成的混合网格。精密度是网格划分中需要考虑的重要方面，网格越密其计算结果越接近真实解，但是却要花费更多的计算机资源。课堂上为了让学生有直观的理解，可利用Gambit软件对某一实例进行网格划分包括结构与非结构化的网格，引导学生发现两种网格划分方法中节点的排布规律，两种方法对几何形状的适应能力，划分不同精密度的网格，并测试其计算所需时间的不同。

实例2：外掠管束的模拟

在建筑环境与能源应用工程专业中，经常用到换热器。多数管式换热设备，管外流体一般设计成从垂直管轴方向冲刷管束，这就涉及外掠管束的问题，在教材中给出了外掠管束的换热关联式，它与管束的顺排逆排有关，也与管间距等因素有关，相对于枯燥的公式，在课堂上对外略圆管进行温度场的模拟(如图1所示)，并改变上述影响条件再模拟，让学生对结果进行对比，如此教学比列出抽象的公式能起到更好的教学效果。

图1 外掠管束的温度场

实例3：换热器内部温度场的模拟

一方面，换热器的学习是传热学中的重要部分，另一方面，基于CFD软件的数值模拟分析已成为研究换热设备的主要途径，所以在课堂上有必要将二者相结合，对换热器内部温度场进行模拟，使学生所学知识紧跟科技的发展。这部分知识可利用FLUENT软件对换热器中冷热流体流向的不同，包括顺流逆流，流体温度随传热面变化情况数值模拟。逆流的情况如图2和图3所示。通过计算机模拟，学生验证教师讲授的知识，进一步加深对知识的掌握。

图2 模拟套管式换热器逆流温度场的分布

图3 逆流下流体温度随受热面变化图

3 结束语

将CFD技术引入传热学课堂教学中，通过CFD技术强大的图形显示功能，有效解决课程教学中难于讲解的问题，使学生更好地理解和掌握课程中的基本理论，提高多媒体课堂教学水平。同时，也要注意两方面的问题，一是选择的模拟案例不能在课堂中计算太长时间，一般应在几分钟内完成，做演示即可。二是课上教学与课下实践相结合，引导学生在学习完实例后举一反三，增强开拓创新能力。

将CFD技术引入实践教学环节，进一步提高教学质量和效果，可为学生专业课的学习奠定坚实的基础。

[1] 陶文铨.数值传热学[M].第二版.西安:西安交通大学出版社,2001.

[2] 邓权威,刘欣华.CFD在本科教学中的应用[J].当代教育论坛,2009(10):68-69.

[3] 李雪梅,黄丽芳,李金成.传热学课程教学改革的探讨与实践[J].石油教育,2004(3):63-65.

[4] 刘彦丰,梁秀俊,高正阳.关于传热学课程创新教育综合改革的探讨[J].中国电力教育,2002(4):79-80.

[5] 温正,石良臣,任毅如.FLUENT流体计算应用教程[M].北京:清华大学出版社,2009.

[6] 郑捷庆,邹锋,张军.CFD软件在工程流体力学教学中的应用[J].中国现代教育装备,2007(10):119-121.

[7] 李国威,崔俊奎.基于FLUENT的流体力学教学课件素材制作研究[J].中国现代教育装备,2009(5):76-77.

[8] 周继军,张敏,施伟,刘立平,方恒和.传热学课程的教学改革与实践[J].中国现代教育装备,2009(2):84-86.