仿真软件在建环专业课程教学中的应用

2023-08-21邵雪赵薇张丹

现代信息科技 2023年12期

邵雪　赵薇　张丹

摘要：面对日益严峻的就业形势，应用型大学需要明晰用人单位的人才需求，培养适应社会发展需要的创新、创业、专业技术型人才。工程热力学、传热学和流体力学作为建筑环境与能源应用工程专业的核心课程，是课程体系的主框架，对学生后续课程的学习影响较大。针对三门课程的教学特点和难点，将仿真软件CFD引入课程教学中，利用其可视性强、颜色突出、动画丰富的特点对三门课程的个别教学案例进行分析，以此强化教学效果，提升学生的工程思维和就业能力。

关键词：CFD；工程热力学；传热学；流体力学；教学案例；工程思维

中图分类号：TP39；G434 文献标识码：A 文章编号：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

仿真软件在数字化教学中被广泛使用，其中计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics， CFD）能够实现产品设计、详细分析、问题保障和优化设计四大任务，已成为企业研发部门和建筑设计部门工程师和设计师必备的专业技能。为了培养具有创新创业能力，适应社会需求，紧跟行业发展的高水平、应用型人才[1]，一些工科院校明晰用人单位相关岗位的岗位职责和任职要求，认识到在教学中引入仿真工具的重要性，尝试在部分教学中引入CFD，并将其逐步推广到本科课程的教学中。对于“工程热力学”课程，王丽丽[2]通过数值仿真与理论应用耦合式教学法的实践，拓展了学生的工程思维，培养了学生的理论应用能力，获得极好的教学效果；刘广强[3]将CFD引入“工程热力学”实验教学中，完善了实验教学体系，并指出该模式对培养创新型人才有促进作用；在流体力学教学过程中，针对伯努利方程和雷诺方程这两大教学难点，杨波[4]运用CFD分析了90°弯管和U型管流阻比对，通过完整的仿真实例，形成了闭环教学设计；在新冠特殊时期，胡箫[5]将CFD引入“流体力学”课程教学，展开了线上线下教学模式的改革，强化了案例教学，提升了学生自主学习和解决难题的能力；张欣宇[6]利用CFD分析“传热学”课程中单层和多层平壁的传热过程，理论与图形相结合，培养了学生的传热思维；进一步地，张红欣[7]结合工程应用案例和CFD仿真技术，对“传热学”教学内容、教学手段及方法进行了探索和改进。可见，CFD可以作为建筑环境与能源应用工程（以下简称“建环”）专业的一种教育方式，成为学生必备的专业技能。基于为满足行业需求而培养顺应时势、与时俱进人才的理念，将CFD引入我校本专业三门专业基础课程中，助力学生就业，构建强化工程实践能力培养的课程体系，落实以持续改进为目标的质量保障体系，抢抓“一流专业”专业建设水平，推动学科建设的跨越发展。

1 课程存在的问题

工程热力学是研究能量转化的一门学科，课程内容包括能量工质、能量传递（数量和方向）、热力过程（热力设备）、热力循环（系统）。学生普遍認为整个课程知识分散不系统，公式多，教学案例灵活多变与实际关联较小，工程问题无法与教学知识点关联，计算数值仅是数据；流体力学是以动力学的理论和方法研究流体（液体、气体）运动规律的学科[8]。典型流体如气体（空气）和液体（水），无色无味，有的看不见，摸不到，有的看得见，无常形，这种抽象无规律的运动，使学生无法进行合乎实际的定性判断和定量估计；传热学是研究热量传递规律的学科[9]，课程内容包括固体导热、流体换热、辐射换热、流固耦合传热等不同类型传热方式，过程复杂多变，涉及大量传热方程，课程算例多数是算出温度数值、压力数值、时间数值，而这些仅是带有单位的数字，对于整体无法形成大、小、高、低、快、慢的层次对比。可见，工程热力学、流体力学和传热学三门学科作为建环专业基础核心课程是逐年开课，且三门学科的内容相辅相成，为了解决三门课程存在的问题，将CFD软件引入适合章节的教学当中，对学生认识热科学、动力学、关联专业课程具有一定的辅助作用，可使学生树立正确和完整的科学三观。

2 数值模拟引入教学的手段

CFD内含多组数学方程式及函数数据库，采用有限体积法以及耦合多重网格求解，对控制方程式进行求解，获得网格节点的数值。从本质上来说是利用计算机代替人脑的大型计算器，不同数值采用不同颜色来区分（红色代表热，对应高的数值；蓝色代表冷，对应低的数值；绿色为中间色，对应中间数值），这样就将数字转为图片，由点连成片，由面连成体，发散学生思维，将抽象晦涩、深奥艰深的理论知识[10]转化为形象直观的图像，便于学生的理解领悟。CFD最难的部分是相关公式的选用，教师引入CFD的教学目的是方便操作和结果展示，对大学本科二、三年级学生而言，知晓积分、微分方和偏微分方程即可，无须掌握公式的选择与编写。

并不是所有的课程内容都适于CFD教学，按照教学内容选取最适合章节，选取典型的工质流动和传热的典型案例以及课程间有关联的知识点作为仿真实例，例如，工程热力学—喷管、绝热节流；流体力学—文丘里流量计、管内流动阻力损失、离心式水泵；传热学—多层平壁稳态导热、管内对流换热，如图1所示。将案例求解精简为四个步骤：简化问题、理论问题、解决问题、分析问题，为便于学生熟悉软件操作，教师提供几何模型并对主要功能进行设置，学生无需把所有内容全部掌握，只需掌握软件操作流程一条主线，能把建模、建网格、数学设置、求解计算这几个主要步骤跑完就可以了，保证一人一机。

3 仿真软件CFD在课程教学中的探索与应用

在教学过程中，按照课程的教学顺序，结合教材的编排顺序，将CFD数值仿真技术引入到课程中开展的教学案例、课程内容设计、教学安排，如表1所示。

表1公式中：q表示单位质量热量（kJ/kg）；h表示比焓（kJ/kg）；g表示重力加速度，取9.8 m/s2；z表示相对高度（m）；ws表示轴功（kJ/kg）；v表示比体积（m3/kg）；p表示压强（pa）；k表示绝热指数，空气取1.4；s表示比熵（kJ/kg）；d表示直径（m）；γ表示容重（N/m3）；ΔH表示相对扬程差值（m）；Q表示流量（m3/s）；μ表示文丘里系数，取0.95～0.98；K表示流量计常数（m2.5/s）；u表示速度（m/s）；μ表示粘性系数（pa.s）；τ表示切应力（pa）；l表示长度（m）；r表示半径（m）；ν表示动力粘度（pa.s）；hf表示沿程阻力损失（m）；λf表示粗糙度；Φ表示热量（J）；t表示温度（℃）；δ表示厚度（m）；A表示接触面积（m2）；λ表示导热系数（W/（m·℃））；R表示热阻（℃/W）；Re表示雷诺数；Pr表示普朗特数。

4 结论

设计、研发岗位是高校毕业生的最佳就业目标，大部分岗位对岗位职员有仿真软件CFD模拟能力的要求，为了使大学生就业能力与用人单位的用人期望相匹配，将CFD引入高校教学势在必行。针对本科生的课程安排，结合学生的学习能力和接纳程度，教师需要进行教学改革，改进教学手段，充实教学内容并完善教学方法。首选建环专业三大专业核心课程，针对每门课程的教学内容、教学难点及课程之间的关联内容，调整教学日程安排，挑选教学案例，讲授CFD数值模拟工具的使用，简化模拟流程，分析结果等，提高课堂教学的生动性和易懂性，形成数字时代的工程思维，从而提高教师的教学效果。

参考文献：

[1] 杨青杰，吴建慧，王竞红.支架式教学在园林植物理论基础教学中的实践探索 [J].黑龙江教育：高教研究与评估，2020，1318（6）：15-16.

[2] 王丽丽，张快，客海滨.数值仿真与理论应用耦合式教学法在《工程热力学》中的实践 [J].大众标准化，2021，339（4）：129-131.

[3] 刘广强.CFD数值模拟在工程热力学实验教学中的应用与探索 [J].才智，2017（5）：53.

[4] 杨波，陈星，王志强，等.数值仿真法在流体力学教学设计中的应用探讨 [J].科技风，2022，512（36）：98-100.

[5] 胡箫，林培锋.CFD线上线下混合式课程改革的探讨 [J/OL].力学与实践，1-5[2023-01-06].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.2064.O3.20221208.1731.001.html.

[6] 张欣宇，杨晓宏，温彩凤，等.传热学思维在本科教学过程中的培养 [J].创新创业理论研究与实践，2022，5（14）：35-38.

[7] 张红欣，韩晨，徐得公，等.“传热学”课程教学的探索——以昌吉学院为例 [J].现代制造技术与装备，2021，57（8）：206-208.

[8] 鄭宏.大功率电力电子变流器散热技术的研究 [D]. 镇江：江苏大学，2013.

[9] 费明利.钢管加热炉新型炉内辊的设计与材料优选 [D].长沙：中南大学，2006.

[10] 李纯.关于概率统计课程的教学思考与探索 [J].内江科技，2019，40（3）：103+80.

作者简介：邵雪（1984—），女，汉族，山东沂水人，副教授，博士，研究方向：低温传热、旋转机械数值仿真。