流动与传热数值计算教学实践中的几点体会

钱琳+王利军+齐聪

摘要：流动与传热数值计算是借助于计算机用数值计算方法研究流动与传热问题的一门学科，它是能源与动力工程专业的一门专业选修研究性课程。本文从教材的选择和案例的补充、课堂教学的组织、实践环节的配合以及分组过程考核与论文考核机制的实施等多个方面，结合自身教学实践进行了探讨，以提高本课程的教学质量，实现教学目标。

关键词：流动与传热；数值计算；教学实践

中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）38-0218-02

流动与传热数值计算是借助于计算机用数值计算方法研究流动与传热问题的一门学科，它是能源与动力工程专业的一门专业选修研究性课程。能源与动力工程关系国计民生，是国家经济、社会发展和人民生活的重要基础产业。流动与传热问题是能源与动力工程各方向工程领域中必然会遇到的问题。如何解决这些问题，除了依赖于理论分析以及实验研究外，随着计算机技术的迅猛发展，数值计算方法正发挥着越来越重要的作用。流动与传热数值计算这门课程的掌握对于能源与动力工程拔尖创新人才的培养至关重要。

通过该课程的学习使学生掌握数值计算法的基础理论，掌握数值计算法求解流体力学、传热学问题的基本思路，并熟悉商业数值计算软件求解流动与传热问题的基本应用。培养学生对工程实际中流动与传热问题进行模拟和分析的能力，提高创新意识，以达到学科专业对毕业生知识结构要求和解决复杂工程问题能力要求的培养目标。该课程涉及广泛的流体力学和传热学的理论知识，对数学知识要求高，需要大量的数学推导，具有高度的抽象性、严密的逻辑性、广泛的应用性。学生在学习过程中较难理解、疲于掌握抽象的数学方法，往往学习积极性不高，学习效果也不好，学习完基础理论后，对实际流动传热问题进行数值计算仍然无从下手，无法学以致用。如何解决课程难度大、学生掌握困难和实现课程培养目标之间的矛盾，是从事该课程教学的高校教师必须思考的问题。作者经过几届学生的教学实践，总结了流动与传热数值计算教学实践中的几点体会。

一、依据教学目标、培养方案，选择合适的教材，构建课程体系

教材是教学的重要载体，根据这门课程的教学目标，结合课程的特点，选择合适的教材非常重要。以合适的教材为理论基础，结合实际工程数值计算应用案例，构建完整的课程体系，再穿插最新科研成果，开阔思路、拓宽视野，使学生能够很好地掌握课程内容。目前，商用数值计算软件學习的参考书有很多，内容重点在于数值计算软件工具的操作使用，操作实践性很强，但理论性欠缺。而经典的计算流体力学、数值传热学领域的教材，理论体系完整，理论复杂程度、深入程度均超出了本科教育的范围，一般作为研究生的课程教材来使用。因此需要选择难度适中，兼顾理论体系完整，同时具有工程实践应用性的参考教材。本课程选用陶文铨编著的《计算流体力学与传热学》，在此理论基础上结合商用数值计算软件FLUENT中的算例来安排课程，算例的选择依据流体力学传热学理论，并兼顾能源与动力工程的各专业方向。参考教材包括王福军主编的《计算流体动力学分析——CFD软件原理与应用》、陶文铨编著的《数值传热学》等。

二、合理组织教学过程，提高教学质量，锻炼学生综合能力

1.加强与学生的交流互动，提高教学效果。当代大学生的个性和自我意识强、集体意识和纪律性较弱。在教学过程中，采用开放性的教学思路。从第一堂课就介绍课程的教学内容、教学目标、上机实践安排、课程考核办法，使学生对课程有全面的认识。结合课程考核办法，从出勤、课堂纪律、作业要求、上机要求等方面提出要求，与学生制定规则，无规矩不成方圆，要让学生严格遵守各项规章制度，以保证课堂教学的效果。建立便捷的沟通交流渠道，例如班级QQ群，给予学生联系方式，及时与学生沟通教学过程中的问题，保证教学成果在课堂之外的延伸巩固。

2.结合工程实际案例，突出课程重要性，提高学生学习兴趣。本课程具有很强的工程应用性。在绪论时就提出一些工程实际问题，引导学生积极思考，使他们能够积极参与到发现问题、解决问题的过程中，建立良好的研究学习氛围。采用引导式的教学方法，引导学生各抒己见，采用不同方法的解决问题，拓宽思路。通过对各类方法的分析比较，认识到数值计算方法的重要性。详细介绍某一典型工程实际案例，结合数值模拟的动画结果，直观地让学生了解到抽象的数值计算方法解决实际工程问题的强大优势，以提高学生的学习兴趣。涉及流动、传热现象的工程问题，几乎都可以通过数值计算的方法来进行模拟分析，通过展示各类工程实际数值计算结果的图片、动画，如水轮机、泵和风机等流体机械内部的流动、机翼扰流、固体燃料电池散热、锅炉煤燃烧、多相流流动等，以加深学生对于课程应用广泛性的认识。

3.理论联系实际，结合计算实例，提升课程教学质量。建立正确、完善的数学模型是数值模拟的出发点，要求学生掌握较强的流体力学、传热学知识。划分计算网格，结合区域离散化的理论内容，介绍Gambit、ICEM等网格划分工具，对工程实际对象，如换热器，进行网格划分。及时地将理论联系实际，在巩固理论知识的同时，掌握其应用。建立离散方程，求解离散方程均为数值方法，详细介绍离散方程的有限差分法、有限体积法、有限元法以及求解离散方程的各类算法。为了便于学习和理解，结合简单的流动传热问题的例题，对计算方法进行详细的解释和推导，布置课后作业，以此巩固教学内容。课程中适时穿插国内外数值模拟文献中最新的研究成果，介绍新的模型、算法，使学生了解数值计算的最新研究现状。采用多媒体教学法，介绍商业数值计算软件FLUENT，采用FLUENT对所学例题进行数值计算，使学生能够快速直观地领会采用FLUENT进行数值计算的基本过程。将各个领域的较为复杂的流动传热问题的FLUENT计算成果展示给学生，作为算例，鼓励学生课后自己动手去解决这些算例中的问题。

4.加强教学实践，巩固教学效果。中国矿业大学的前身是1909年创办的焦作路矿学堂，是矿业学府中办学规模最大、办学实力最强、学科体系最全的高校。能源与动力工程专业作为学校的重要学科，拥有能源与动力工程实验中心及省级学科综合训练中心。其中计算流体力学（CFD）中心，是苏北地区唯一获得美国ANSYS公司授权的技术服务中心。本课程设置有8个学时的上机实践，作为课程教学的重要组成部分穿插在教学过程中。通过具体的算例培养学生分析问题、求解问题的能力以及对数值计算软件的操作应用能力。在上机操作中，确保人手一台电脑，保证每个学生完成算例的实践操作。在操作过程中遇到任何问题，教师都要及时给予解答。对于学有余力的学生，鼓励他们尝试采用不同的模型、算法来进行模拟计算，从而使其更深刻地理解各类模型、算法；鼓励他们深入分析模拟结果。

5.培养学生利用文献的自学能力、发现问题解决问题的能力，培养团队合作学习能力。本课程设置过程考核，采用分组考核制，2—3名学生一组，自由组合；每组学生完成给定的实际工程流动传热问题，按组提交数值计算成果。学生需要分工合作，查找相关文献，分析数值计算的思路、方法，应用数值计算软件完成模拟计算，并给出分析结果。如此，学生的自学能力、团队协作能力均得到了锻炼。课程最终考核采用论文考核的方式，要求学生自己提出一个关于流动传热的实际工程问题，并用数值计算的方法解决，最终形成正式的研究性论文。通过论文的撰写，锻炼了学生发现问题、解决问题的能力，培养了学生运用所学知识自主分析问题的能力，也训练了他们对论文的撰写能力，以便为将来毕业论文的撰写打好基础。

三、结语

《流动与传热数值计算》课程理论性强、应用性强，学生掌握难度大。通过几年的教学实践，从教材的选择和案例的补充、课堂教学的组织、实践环节的配合以及分组过程考核与论文考核机制的实施等多个方面进行努力，提高教学质量，保证教学效果，以实现培养学生解决复杂工程问题能力的教学目标。本文是作者在教学实践过程中的一些体会，如何更好地上好这门课程，还需要坚持不懈的探索与实践。

参考文献：

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