基于Fluent的传热学虚拟实验平台的开发

王辉 解明杰 向文凤 罗马吉 袁守利

[摘 要]针对目前传热学课程实验课时不断压缩，实验与讲课脱节以及实验资源有限导致实验难的情况，课题组提出了建立传热学虚拟实验平台的方法。基于Fluent仿真平台，以传热学“稳态球体法测试粒状材料的导热系数”实验为例，通过利用Scheme开放编程工具，建立虚拟实验平台的界面，实现对后台Fluent案例的调用、初始化和自动执行，完成虚拟实验平台的建立。将虚拟实验平台得到的模拟结果与理论结果相比较，验证该虚拟实验平台的合理性和科学性，可以此来替代传统实验。

[关键词]传热学;虚拟实验平台;开发;Fluent;Scheme语言

[中图分类号] G64 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2019）03-0080-04

传热学课程概念多且抽象，公式复杂，理解困难等特点，导致学生学习困难甚至厌学[1-2]。麻省理工学院开发基于Matlab的用于传热学实验教学的虚拟实验平台，在课程教学中起到一定作用[3]。华中科技大学的许国良开发了Saints2000的传热学虚拟实验平台，功能强大，但学生只能用它模拟传热学现象，而不能参与到其模块的扩充[4]。当前虚拟实验平台对于复杂的实验建模难以再现，比如三维瞬态对流换热实验，无法真实的再现传热学实验过程。

本文以传热学中“稳态球体法测试粒状材料的导热系数”为例，提出基于Fluent软件开发传热学虚拟实验平台的方法。在Fluent仿真平台的基础上[5]，利用Scheme语言建立虚拟实验平台的界面，实现对后台Fluent案例的调用和执行，完成虚拟实验平台的建立。通过将虚拟实验平台上得到的模拟结果与理论结果相比较，验证该虚拟实验平台的合理性和科学性。

该平台通过计算机手段对物理实验进行模拟，形象直观地反映出实验的导热过程和测定原理，学生可自行参与操作，既能激起学生的学习兴趣，又对现有的实验教学提供了必要的补充。

一、传热学物理实验

（一）实验原理

两个同心的紫铜球壁的内半径分别是r1和r2（直径为d1和d2）。将两个紫铜球壁的内外表面温度分别控制为t1和t2，并且保持温度稳定。

根据傅里叶导热定律，对球壁传热进行求解得到如下公式：

由于温度波动的范围较小，可以将材料的导热系数与温度的关系近似成线性关系处理，然后对上式积分求解并代入边界条件，得到：

因此，根据实验时测出的铜球的内外壁的温度t1和t2，然后可由公式（3）可以得出在tm时所填充的粒状材料的导热系数λm。

（二）实验设备

实验装置结构及测量系统。内球壳内部有电加热丝进行加热，内球壳外壁和外球壳内壁之间均匀的填充满被测的粒状物料，外球d2为150mm到200m，内球d1为70mm到100mm。加热温度t1、t2分别由连接于内球和外球表面的两对铜-康铜热电偶测得，电加热功率Q由连接于实验线路中的电压表、电流表监测并读取。外球壳的散热方式采用双水套球结构，使恒温液套球的恒温效果不受外界环境温度的影响。

（三）实验步骤

将待测物料烘干后均匀地填充在同心球的夹层之间;安装并校准测试仪器，确保球体严格对称，检查接线等无误后接通电源，待测试仪温度达到稳定状态记录数据;调整加热功率，重复上述的操作并记录实验数据;实验完毕后关闭电源，整理好实验仪器后按要求离开实验室。

二、虚拟平台的设计与实现

（一）虚拟实验平台入口建立

该虚拟实验平台入口采用VB语句实现。建立VBS文件，用记事本打开。根据fluent.exe路径修改Link.TargetPath。根据“*.scm”文件的路径，修改Link.Arguments。双击运行虚拟VBS文件，生成虚拟实验平台入口文件。双击运行该入口文件，打开“传热学实验平台”菜单即可查看运行结果。

（二）前处理

根据物理实验，设置九组模型：内球70mm-外球150mm-同心、内球85mm-外球150mm-同心、内球100mm-外球150mm-同心、内球70mm-外球200mm-同心、内球85mm-外球200mm-同心、内球100mm-外球200mm-同心、内球70mm-外球150mm-偏心5mm、內球70mm-外球150mm-偏心10mm、内球70mm-外球150mm-偏心20mm。模型采用NX建立，导出Parasolid，保存的格式为“.x_t”。

网格划分采用ICEM。“.x_t”模型导入ICEM后，对球壳进行四面体网格划分，灵活地调整最大单元，网格划分得越细对于最终的迭代计算越有利。

将网格导入Fluent，设置单位，能量方程[6]，区域的属性、重力、观察面以及求解的残差监视，利用write功能生成case文件。

（三）虚拟平台的实现

1.窗口建立

需要实现的功能是在Fluent的现有菜单栏的基础上添加“传热学实验平台”菜单项。在Fluent读入Scheme程序时，没有入口函数，所有函数只加载不执行，只执行函数外的语句。代码由以下部分构成：

A. 定义rp变量（不是函数）。

B. 定义窗口及内部控件函数。

C. 定义菜单（不是函数）。

D. 定义执行函数。

Fluent在载入程序时，只执行了A与C这两部分的代码。

定义rp变量代码如下所示：

（define （set-new-var s v t）

（if （not （rp-var-object s））

（rp-var-define s v t #f）

）

）set-new-var

定义菜单部分代码如下所示：

（let （（menu （cx-add-menu“传热学实验平台”#＼U ）））

（cx-add-item menu“实验一稳态球体法测粒状材料的导热系数” #＼U #f cx-client？ gui-my-input-panel）

;（cx-add-item menu “后处理” #＼O #f cx-client？ gui-output-panel）

（set！ *cx-exit-on-error* #f）

）

2.定义窗口控件

通过菜单栏上“传热学实验平台”按钮打开一个能直观反映需要仿真的实验的具體过程。根据物理实验，目标窗口需要包含以下元素：

A.导热球模型选择（前述九种参数模型）。

B.备选材料库，如表1所示。

C.加热电压（根据换算关系50V—220V，对应热流密度516.5W/m2—10000W/m2）。

D.外球表面换热状态[7]（自然对流换热，对流换热系数为10W/m2.K;强制对流换热，对流换热系数为5W/m2.K;强制对流换热，对流换热系数为20W/m2.K）。

E.恒温冷却套（有无恒温冷却套）。

根据设计，需要一个symbol-list（多选栏输入）来选择九种不同的球壳网格模型;一个drop-down-list（下拉菜单输入）来选择五种实验填充材料;一个反映实验电压的table;一个下拉菜单输入来表示外球表面换热状态;一个切换按钮表示是否有恒温冷却。设计的panel（窗口）实验步骤。

3.窗口提交功能实现

实验平台实现按照实验步骤，设置好实验参数，装填好试验材料，确定对应的实验工况后，点击ok按钮，然后自动载入对应的网格模型，加载实验材料，设置计算模型，并开始计算，输出结果。

而要实现提交功能，首先需要用到rpsetvar方法，点击ok按钮之后，获取窗口输入。

代码如下：

（define （apply-cb . args）

（rpsetvar 'list-instructment-type （cx-show-list-selections list-instructment-type-entry））

（rpsetvar 'list-instructment-cool （cx-show-toggle-button list-instructment-cool-entry））

（rpsetvar 'list-material-type （cx-show-list-selections list-material-type-entry））

（rpsetvar 'r-condition-vlotage （cx-show-scale list-condition-vlotage-entry））

（rpsetvar 'list-condition-convection （cx-show-list-selections list-condition-convection-entry））

（rpsetvar 'list-condition-Temperature （cx-show-scale list-condition-Temperature-entry））

执行函数在表格提交之后根据窗口输入调用Fluent载入case文件，进行设置、计算以及显示温度场[8]云图。执行函数中初始化功能如下：

（ti-menu-load-string

（format#f "solve/initialize/hyb-initialization "））

在点击ok按钮之后，自动实现初始化。命令表达语句本身是控制台命令，实现了初始化的目的。

下面这个语句载入对应的网格模型，是case文件的关键所在：

（define x （rpgetvar 'list-instructment-type））

（define title （format #f "～a.cas" （car x）））

（ti-menu-load-string （format #f "file read-case ～a" （format #f "～s" title）））

虚拟平台系统会根据用户的选择载入对应的case进行运算，前述rpsetvar赋值，这里使用rpgetvar获取变量值。

4.虚拟平台验证

为了突出可视化的效果，最终实验结果以温度场的形式展现。选取内球70mm-外球150mm-同心模型、木炭、自然对流得出的结果。

读出的数据显示：内球壁面温度是最高温度388.3347K，外球壁温度最低是334.7348K。

依据傅里叶导热定律，可以求出材料在361K时导热系数λ=0.2786W/（m.K），与所填充的材料木炭的导热系数0.28 W/（m.K）相比非常接近，误差为ξ=（0.2786-0.28）/0.28=?0.5%。由此可见，所建立的仿真模型在仿真实验的时候数据可信。

上述不仅演示了实验过程，还直观展示了物理实验观察不到的温度场，这一点对于教学来说意义重大。

由此可以看出，该实验平台具备相当可信度。考虑到物理实验中可能出现的误差情况，对球壳不同心的情况做出了仿真设计，在偏心20mm的情况下得到外壁温度316.5K，内壁温度362.5K。根据傅里叶导热定律计算出该材料的导热系数λ=0.302W/（m.K），与该材料（黑炭）实际导热系数λ=0.28的误差为ξ=（0.30-0.28）/0.28≈7.2%，由此可见，当内外球壳不同心时，会出现较大的实验误差。

三、结论

课题组在Fluent平台上运用Scheme程序开发了传热学虚拟实验平台。以此可实现对传热学教学实验“稳态球体法测试粒状材料的导热系数”的仿真模拟。

虽然此虚拟实验平台仅适用于该实验，但是其可视化的效果与这种虚拟实验平台的理念却是通用的。在高校的教学过程中，有大量的实验，且相当一部分实验现象不显著、耗时长，如果能够列出一个开发实验平台计划大纲，鼓励在校有兴趣的学生去尝试开发，这对加深学生对教学实验的理解和对自身掌握知识的融会贯通，都具有重大意义。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 侴爱辉， 冯妍卉， 张欣欣，等.虚拟实验在“传热学”实验教学中的应用[J]. 实验室研究与探索，2011（6）：312-315.

[2] 赵海波， 周秋淑， 高兴奎，等. 传热学实验教学用仿真工具的开发[J]. 科技信息，2013（14）：15.

[3] 路浩杰. 虚拟仿真实验平台研究与设计[D].杭州：杭州电子科技大学，2012.

[4] 姜昌伟， 傅俊萍， 赵李铁. 基于Matlab的传热学虚拟实验开发[J]. 中国电力教育， 2008（z1）：316-317.

[5] Alexandru T， Mantea T， Pupaza C， et al. Heat Transfer Simulation for Thermal Management of Electronic Components [J].Proceedings in Manufacturing Systems， 2016（1）：15-26.

[6] 张书义， 刘松， 曹汝恒，等. 基于Fluent的汽车散热器热耦合仿真[J]. 汽车实用技术，2016（6）：88-89，102.

[7] 杨丽红， 孙小桥， 邓长胜，等.电缆测偏仪散热器的温度场稳态热分析[J]. 现代制造工程，2010（12）：84-87.

[8] 房全国， 李家伟， 姜逢章，等. 基于Fluent的蛇管换热器耦合传热数值模拟[J].化肥设计，2015（6）：15-19.

[责任编辑：钟 岚]