《傳熱學(xué)》課程的教學(xué)探討

劉鴻

摘要：《傳熱學(xué)》是熱能工程專業(yè)的一門主干課程，也是發(fā)展石油化工科技的支柱學(xué)科之一。本文對傳熱學(xué)課程的教學(xué)作了分析，得出應(yīng)提高學(xué)生解決具體問題的能力，培養(yǎng)應(yīng)用型人才的目的。

關(guān)鍵詞：傳熱學(xué)；教學(xué)探討；基本概念

中圖分類號：G642.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A？搖？搖？搖？搖？搖文章編號：1674-9324（2014）06-0160-02

科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展，知識更新的周期大大縮短，新學(xué)科、新領(lǐng)域的不斷出現(xiàn)并很快轉(zhuǎn)變?yōu)樯a(chǎn)力。《傳熱學(xué)》是熱能工程專業(yè)的一門主干課程，也是發(fā)展石油化工科技的支柱學(xué)科之一。長期以來，它圍繞熱傳遞現(xiàn)象的基本規(guī)律與工程計算，形成了一整套課程教學(xué)體系，在傳授知識方面發(fā)揮了積極的作用。然而傳熱學(xué)雖然屬于技術(shù)基礎(chǔ)學(xué)科，但它不像流體力學(xué)和工程熱力學(xué)那樣系統(tǒng)嚴(yán)謹(jǐn)完備而偏于理論，而是一門發(fā)展中的實(shí)用性較強(qiáng)的工程學(xué)科。因此，對于傳熱學(xué)教學(xué)來說，應(yīng)更注重培養(yǎng)學(xué)生理解傳熱現(xiàn)象的物理意義，教給學(xué)生解決實(shí)際問題的方法。下面我就按照《傳熱學(xué)》課程的順序，談?wù)勗诮虒W(xué)方面的切身體會。

一、緒論部分

這方面的教學(xué)內(nèi)容除了介紹某些最主要的基本概念外，主要應(yīng)該是加強(qiáng)內(nèi)容的連貫性和系統(tǒng)性，使學(xué)生對學(xué)科結(jié)構(gòu)和三種常見的傳熱方式建立起較完整的輪廓。這部分著重講述兩個問題：（l）傳熱的三種基本方式；（2）傳熱過程與傳熱系數(shù)。此外，向?qū)W生介紹一些參考書，培養(yǎng)他們的自學(xué)能力。為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，我舉了日常生活中經(jīng)常碰到的兩個例子：①為什么熱水瓶中的水在相當(dāng)長的時間內(nèi)不會冷？②我們吃燙的食物時，舌頭、嘴巴都有哪些習(xí)慣動作？這兩個問題一個是常見的事物，另一個是學(xué)生的親身體驗(yàn)。讓學(xué)生帶著這兩個問題，我把傳熱的三種基本方式講了一遍，并簡要地介紹了熱阻的概念。這樣在課程一開始就吸引學(xué)生的興趣，讓他們帶著問題進(jìn)行下面的學(xué)習(xí)。

二、導(dǎo)熱部分

由于現(xiàn)在的高等教育從“精英教育”向“大眾教育”轉(zhuǎn)變，學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)是以應(yīng)用型的工程技術(shù)人員為主，所以除了推導(dǎo)導(dǎo)熱微分方程外，更注重對一個具體問題微分方程的建立，邊界條件從已知條件的抽象，以及對所得結(jié)果的物理意義的分析，在物理概念上多花功夫，使之對傳熱學(xué)的基本概念加深印象。對于穩(wěn)態(tài)問題，一般采用導(dǎo)熱微分方程（或傅立葉定理）加邊界條件便可求解。熱阻法在穩(wěn)態(tài)求解中簡便和直觀，并且用類比法與電阻聯(lián)系起來，使學(xué)生能理解一維穩(wěn)態(tài)下熱流處處相等（串連）。在教學(xué)方法上，采用由淺入深的教學(xué)方法。例如：在講變導(dǎo)熱系數(shù)的導(dǎo)熱問題時，先講定導(dǎo)熱系數(shù)的求解方法，然后通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)，得出只要求出變導(dǎo)熱系數(shù)的平均值，可把變導(dǎo)熱系數(shù)的問題轉(zhuǎn)化為定導(dǎo)熱系數(shù)問題的結(jié)論。在肋片導(dǎo)熱的教學(xué)過程中，先講裝肋片的必要條件，然后建立數(shù)學(xué)模型，并給出精確解、近似解、修正解。讓學(xué)生掌握對具體對象的數(shù)學(xué)建模，明白精確解和近似解之間的差別，懂得工程上對某些問題進(jìn)行近似的合理性。這樣處理，思路清楚，由簡到繁，步步深入，加強(qiáng)了各內(nèi)容之間的聯(lián)系。對于非穩(wěn)態(tài)問題，首先要向?qū)W生講解什么是非穩(wěn)態(tài)，它和穩(wěn)態(tài)傳熱有什么區(qū)別？一般非穩(wěn)態(tài)的問題都要查圖表，學(xué)生只要認(rèn)真做幾道習(xí)題一般都能掌握圖表的查閱方法。這部分的重點(diǎn)是集總參數(shù)法，用畢渥數(shù)來判斷能否使用集總參數(shù)法，畢渥數(shù)的物理意義是表征內(nèi)部導(dǎo)熱熱阻與外部對流熱阻的比值，當(dāng)然畢渥數(shù)要小到一定程度才能用集總參數(shù)法。這時物體內(nèi)部的導(dǎo)熱熱阻遠(yuǎn)小于其表面的換熱熱阻，物體內(nèi)部的溫度趨于一致，以致可以認(rèn)為整個物體在同一瞬間均處于同一溫度下。這些物理意義既可以使學(xué)生更深刻理解計算公式的推導(dǎo)基礎(chǔ)，也可以使學(xué)生靈潔運(yùn)用所學(xué)公式解決工程計算問題，此外它更是學(xué)生對新問題進(jìn)行簡化分析的理論依據(jù)。

三、對流換熱部分

影響對流換熱的因素有五個方面：（1）流體流動的因素；（2）流體有無相變；（3）流體的流動狀態(tài)；（4）換熱表面的幾何因素；（5）流體的物理性質(zhì)。在這一部分我們最關(guān)心的是對流換熱系數(shù)，通過分析知道粘性流體在壁面上流動時，由于粘性的作用，在靠近壁面的地方流速逐漸減小，而在貼壁處流體將被滯止。貼壁處這一極薄的流體層相對于壁面是不流動的，壁面與流體間的熱量傳遞必須穿過這個流體層，而熱量傳遞方式只能是導(dǎo)熱。因此將傅立葉定律應(yīng)用于貼壁流體層，就把對流換熱系數(shù)和流體的溫度場聯(lián)系起來。為了求解有關(guān)未知數(shù)，需用質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程，這就使學(xué)生對對流換熱系數(shù)的求解過程有總體的概念。對“對流換熱的數(shù)學(xué)描寫”、“層流邊界層微分方程組”等內(nèi)容，注重對建立方程的簡化，假設(shè)條件的講解，以及有關(guān)準(zhǔn)則數(shù)物理意義的分析，即把時間花在重點(diǎn)和難點(diǎn)的講解。這部分的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式較多，主要講解特征長度的選取，定性溫度的選擇，局部換熱系數(shù)和平均換熱系數(shù)的區(qū)別。對某一具體問題如何選擇恰當(dāng)?shù)年P(guān)聯(lián)式以及在允許的誤差范圍內(nèi)對同一問題用不同公式計算的合理性，培養(yǎng)學(xué)生工程應(yīng)用能力。對于特征數(shù)方程和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存在誤差的問題，要引導(dǎo)學(xué)生用辨證和發(fā)展的眼光來看待，一個復(fù)雜的物理現(xiàn)象往往要經(jīng)歷長時間的探索，而目前的誤差反映了現(xiàn)有的認(rèn)識水平。

四、熱輻射部分

我們把這部分的主要概念分成四組：（1）吸收率、反射率、透射率以及對應(yīng)的黑體、鏡體、透明體；（2）黑體輻射力、黑體單色輻射力及黑體輻射基本定律；（3）黑度、單色黑度及定向黑度；（4）投入輻射、光譜吸收比、灰體及基爾霍夫定律。每一組的概念存在數(shù)量關(guān)系和交叉關(guān)系。通過這種有意識地劃類比較，更能清楚地揭示概念之間的內(nèi)在聯(lián)系，“信息”特征鮮明，從而有利提高學(xué)生的理解性、記憶力。角系數(shù)是這一部分的重點(diǎn)和難點(diǎn)，為了讓學(xué)生理解角系數(shù)是與幾何相對位置有關(guān)，我舉了大量的例子，讓學(xué)生在解題過程中靈活應(yīng)用角系數(shù)的各項(xiàng)性質(zhì)，加深理解。在多表面系統(tǒng)輻射換熱的計算中，采用換熱等效網(wǎng)絡(luò)圖，重點(diǎn)講解了有一個表面為黑體和有一個表面絕熱的區(qū)別，這樣學(xué)生就明白為什么一個能采用并聯(lián)熱阻的求解法而另一個卻不能的原因。

傳熱學(xué)是一門工程應(yīng)用性很強(qiáng)的學(xué)科，需要考慮綜合經(jīng)濟(jì)問題，像如何正確處理增強(qiáng)傳熱和流動阻力增大的矛盾。能量守恒是熱傳遞現(xiàn)象所遵循的一個基本規(guī)律，《傳熱學(xué)》的形成、發(fā)展與它的運(yùn)用息息相關(guān)。能否通過課程教學(xué)深刻理解熱傳遞過程與能量守恒的關(guān)系，并基本掌握建立能量方程的方法與技巧，就成為提高學(xué)生解決問題能力的關(guān)鍵之一。隨著計算機(jī)的迅速發(fā)展及應(yīng)用的普及，熱物理問題的數(shù)值模擬方法已越來越顯示出其重要的作用，向?qū)W生介紹一些大型的商業(yè)計算軟件，如：Fluent、ANSYS等，同時使學(xué)生了解傳熱學(xué)在現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)、高新技術(shù)中的重要作用，這能夠啟發(fā)學(xué)生善于發(fā)現(xiàn)和解決工程問題，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性以及學(xué)習(xí)的創(chuàng)新熱情，進(jìn)一步鞏固所學(xué)理論知識，提高工程實(shí)踐能力和學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)應(yīng)用型高級技術(shù)人才。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)[M].北京：高等教育出版社.1998.

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