CFD技術在傳熱學教學改革中的應用

向夏楠

［摘要］本文在分析傳熱學教學現狀的基礎上，結合實踐經驗，提出了將CFD技術引入到傳熱學教學中，以此作為新的教學手段，提高多媒體課堂教學水平和增加雙語教學建設。在實踐教學環節中增加CFD試驗部分，提高了實踐教學的深度和廣度，為傳熱學教學改革開辟了一條新途徑。

［關鍵詞］CFD傳熱學教學改革

［中圖分類號］G642.0［文獻標識碼］A［文章編號］2095-3437（2014）06-0119-02

引言

傳熱學課程是湖南城市學院建筑環境與能源應用工程專業的一門重要的專業基礎課，也是我校重點建設的課程。由于傳熱學課程的知識點多，課時在教學改革的推進中又不斷被壓縮，在這個矛盾中，學生們常感覺對知識點的學習不夠深入，有許多問題想進一步進行深究卻無法實現，導致教學質量有所下降。作為教師應當如何高效地利用課堂時間提高教學質量，使學生們能夠真正掌握該門課程所需要掌握的知識點，為以后專業課的學習打好基礎，是當前傳熱學進行教學改革的重點及難點。要解決以上矛盾問題就必須提高學習效率，筆者認為將目前常用的計算機輔助手段引入傳熱學教學將有效解決這一矛盾現象。

計算流體動力學CFD技術是利用質量守恒，牛頓第二定律和能量守恒這三大定律的最基本形式，即積分方程或者偏微分方程轉換成離散代數形式，然后求解代數方程得到離散的空間或時間上的流程數值，從而揭示其物理特性和規律的一門學科，目前已成為十分熱門的研究領域，目前已廣泛應用于換熱器流固熱耦合三維流場仿真、電子設備熱設計、通風空調設計、多種翅片管換熱及流動特性模擬、多孔介質區域流動模擬、建筑風場模擬、復雜幾何結構氣動外流場模擬等許多工程領域。目前已有部分高校教師嘗試將CFD技術應用到 “傳熱學”的教學中，該教學方法能夠將各種課堂上學習的傳熱現象在屏幕上生動、形象地通過CFD軟件模擬，對于穩態問題，可以通過計算結果的云圖方式表示出來，對于非穩態問題，可以以動態變化的動畫形式表示出來。通過模擬畫面與基礎理論知識進行對比，能夠加深學生對相應知識的理解，另外，計算機模擬又能十分靈活地改變各種參數，參數變化后能得到不同的結果，這也能激發學生的學習興趣，提高教學效果。

一、教學內容和方法的改革

在學習傳熱學的過程中，大部分學生都反映傳熱學基礎理論比較晦澀難懂，特別是講到對流傳熱部分，大篇幅內容都是講經驗公式，讓學生印象不深。作為老師在課堂上沒有具體動態地將傳熱現象講授給學生，容易造成傳熱學理論知識學習無法與工程實踐相結合，對于傳熱學這樣實踐性較強的專業基礎課，該現象需要盡快轉變。傳統的教學把實踐部分的教學放在實驗室中，但是由于學校實驗經費、實驗條件以及實驗課時等問題約束，使得實驗教學無法滿足學生們的需要，比如實驗室的器材無法給每個學生都能動手的機會，導致許多實驗都成為演示性的實驗，理論與實際不能相結合的問題突出。僅使用傳統的教學方法講授傳熱學課程，其教學效果無法得到保障，而該學科在本專業中十分重要，對傳熱學知識的掌握程度將直接影響其他相關專業課程的學習。

CFD技術與傳熱學教學相結合是解決上述問題的捷徑，傳熱學中的一些傳熱過程是可以通過CFD軟件在課堂上進行簡單的演示性模擬的，特別是對一些在實驗室環境難以實現的實驗，更能體現出計算機模擬的優勢。而且模擬過程以及結果都以彩色畫面在屏幕上展示出來，很直觀，能增強學生對傳熱過程的感性認識。在課堂上也能傳授一部分CFD軟件的應用入門知識，學生們掌握一定的應用基礎知識后也能獨立地動手來模擬甚至探索書本以外的傳熱現象，如果在這個過程中遇到難題也更愿意探索深究其中的原因，如此良性循環不但能增加課堂生動性，提高每位學生的學習積極性，同時也得到了最佳的教學效果。

二、教學手段的改進

（一）多媒體教學

目前在課堂上應用最為廣泛的是PPT，其特點是形象、生動、容易制作，但對于建筑環境與設備工程專業這樣的工科專業而言，更重要的是理論與實踐相結合，PPT在直觀性方面還有待加強。而與實踐沒有緊密聯系的教學方法必然與當前學校教育改革的精神相背離，也與大學教育的本質相沖突。在這種情況下多媒體教學的改革勢在必行，筆者認為教學手段除了多媒體PPT教學外應該加入一部分CFD軟件的模擬教學內容。例如在導熱問題數值解法基礎一章中，如果按照教材中所提示的，在課堂中用PPT演示區域與時間的離散化，就會相當抽象，對于初次接觸導熱問題數值解法的學生們來說比較晦澀難懂，但是如果引入CFD技術，比如通過fluent軟件中的前處理軟件gambit對某一生活中常見的物體進行網格的劃分，就能生動形象地解釋離散的含義，有利于學生們對課堂知識的理解。

（二）雙語教學

在課堂中，特別是課件中應引入雙語教學。一方面，要了解傳熱學的最新的研究進展必須查閱外文期刊、國際會議論文集以及相關領域國際知名研究人員的研究報告，如果在該領域進行研究，無論是參加國際會議還是撰寫科技文章，都需要用到專業英語，因此在課堂中學習相關的專業英語是十分必要的；另一方面，各類CFD軟件都是英文界面的，掌握好專業英語對CFD軟件的理解也能提供很好的幫助，以FLUENT軟件為例，該軟件為全英文的，目前也有許多該軟件的教材，教材的形式往往是以實例教學為主。在這些教材中，對實例中的操作進行了詳細的講解，而對于專業英語學得好的學生，其中各種參數的設置含義將十分清晰，學習效果也將事半功倍，而如果專業英語不太好，對于參數設置半知半解，學習完這些教程也沒有理解其實質，往往事倍功半。學生如果想自學該軟件也必須學好專業英語。

三、實踐教學環節的改革

除了課堂上，傳熱學教學中另一個重要的部分就是實踐教學環節，充分利用實踐教學環節加深學生們對所學知識的掌握并提升其創新能力，是教學改革的一項重要任務。

傳統的實踐教學以實驗為主，這一點作為實踐教學的根本，必須繼續加強，一方面積極推進學校實驗裝置的建設，把硬件設備建設好是學生進行創新性研究的基礎。另外，作為實驗的補充，將CFD技術引入實踐教學環節也是十分可行的，CFD技術引入實踐教學后能提高實踐教學的深度和廣度，而且該技術在以后的學習工作中都將有用武之地。在設計CFD實驗中，可以通過設定不同的條件，來保證學生們的題目都不相同，都必須進行獨立思考，避免了互相抄襲的現象。同時CFD試驗帶有更多的不確定性，一個設定條件的改變都能影響最后模擬的結果，這勢必會帶來課下更多的學習探討，開拓了學生的思維，不光在課堂上聽老師講解，更要自己動腦學習，除了掌握所學知識，更能培養學生創新能力。

四、總結

將CFD技術引入“傳熱學”課堂教學中，通過CFD軟件強大的圖形顯示功能，使學生更易于理解和掌握課程中的基本理論，能有效解決課程教學中的一些難于講解的問題，提高多媒體課堂教學水平。在實踐教學環節中增加CFD試驗部分，提高了實踐教學的深度和廣度，為傳熱學教學改革開辟了一條新途徑。

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［責任編輯：左蕓］