Fluent軟件在本科傳熱學教學中的應用

潘剛

摘 要：該文提出將Fluent軟件引入傳熱學中導熱問題數值求解法的教學環節，同時結合傅里葉定律、多層平壁導熱問題進行講解數值求解法。形象的展示了墻壁的溫度分布，將抽象的概念和理論轉變為形象的畫面，激發學生學習該課程的興趣。從而達到改善教學效果和提高教學質量的目的，使學生深入的理解所學內容。

關鍵詞：傳熱學 導熱 fluent

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）09（a）-0144-02

Abstract：Fluent software was introduced in heat transfer teaching for numerical solution method of heat conduction problem. Numerical solution method was explained combination with Fourier law and heat conduction problem of multi wall.Wall temperature distribution was show by picture，the abstract concept and the theory change into the image picture，to raise studentsinterest in learning the course.And to make students deeper understanding of what is learned，to achieve the purposes of improving the teaching effect and quality.

Key Words：Heat transfer；Heat conduction；Fluent

傳熱學就是研究由溫差引起的熱能傳遞規律的科學[1]，要求學生掌握強化傳熱、削弱傳熱以及能計算簡單情況下的溫度分布。熱傳導問題數值解法的是學生比較難以掌握的難點，同時也是重點，要求學生能對簡單的熱傳導問題進行數值求解。通過將Fluent軟件引入教學過程，是學生講學習的重點放在熱傳導問題數值計算的基本原理上，而求解過程由Fluent軟件實現，進一步掌握該軟件的用法，為做畢業論文打下一定的基礎。

1 Fluent軟件的特點

對導熱問題數值求解的基本思想是：把原來在時間、空間坐標中連續的物理量的場，如導熱物體的溫度場，用一系列有限個離散點上的值的集合來代替，通過一定的原則建立起這些離散點上變量值之間關系的代數方程，求解所建立起來的代數方程以獲得所求物理量的近似值[2]。Fluent軟件是一個模擬和分析在復雜集合區域內的流體流動與傳熱問題的專用CFD軟件，同時也能模擬固體的導熱問題[3]。Fluent軟件由前處理器、求解器和后處理器組成。其中前處理器Gambit用于網格的生成，網格的生成過程即為計算區域離散化的過程。求解器用于求解所建立起來的代數方程。而后處理器用于處理計算的結果，可以把計算得到的數據可視化[4]。

2 教學案例

分析帶有保溫層的墻壁的傳熱過程，在教學中以長3m（x方向），高3.2m（y方向），厚0.3m（z方向）的墻作為研究對象，其中保溫層厚度為0.05m，如圖1所示。在教學過程中分析以下兩種情況下爐墻的傳熱過程：（1）分析有保溫層和無保溫層時墻壁的溫度分布；（2）保溫層厚度不變，分析保溫層導熱系數對爐墻溫度分布以及散熱量的影響。水泥墻和保溫層的物性參數表1所示。

（1）數學模型。

（2）邊界條件。

（3）墻壁中的溫度分布。

計算得到不同厚度方向（z方向） xy截面的溫度分布，從圖中可以看出不同截面上的溫度相等，根據傅里葉定律可知熱量沿著厚度方向傳遞。從而驗證了傳熱學中大平板模型中（長度、寬度遠遠大于厚度的平板）熱量沿著厚度方向傳遞。

計算保溫層存在時以及沒有保溫層時墻壁的溫度分布，計算結果如圖3所示。圖3（a）為爐墻厚度方向yz截面的溫度分布，從圖中可以看出溫度在z方向及墻壁厚度方向發生變化，而在y方向爐墻的溫度保持不變。對比有保溫層和無保溫層兩種情況的溫度分布，在有保溫層時，墻壁中的溫度發生劇烈的變化，而無保溫層時，墻壁中的溫度變化比較平緩。可見保溫層對墻壁的溫度分布影響比較大。

根據墻壁厚度方向的溫度變化，得到墻壁溫度在厚度方向的變化曲線，如圖3（b）所示。由于墻壁內外的邊界條件相同，有保溫層時和無保溫層時內墻壁的溫度為296K、外墻壁溫度為260K。無保溫層時墻壁內的溫度幾乎成線性變化，而有保溫層時，墻壁的溫度變化比較平緩，在墻壁和保溫層的交界面處z=0.3m，溫度發生劇烈變化，在保溫層中溫度急劇下降，這是由于保溫層的熱阻非常小而導致的。在厚度0m

（4）保溫層導熱系數對熱流量的影響規律。

在保溫層厚度保持不變的情況下，保溫層導熱系數的大小，直接影響墻壁的散熱，因此分析保溫層導熱系數對墻壁熱流量的影響，如圖4所示。隨著保溫層導熱系數從0.06 W/（m·K）減小到0.01 W/（m·K），墻壁散熱的熱流量從180W減少到40W。導熱系數越小，保溫層的熱阻越大，根據傳熱過程熱流量與熱阻的關系可知墻壁的熱流量越小，從而減少墻壁的散熱。

3 結語

在傳熱學導熱問題數值解法的教學過程中，引入Fluent軟件，同時結合傅里葉定律、多層平壁導熱問題進行講解。以墻壁的溫度分布為例，分析了有保溫層時和無保溫層時墻壁的溫度分布，比較這兩種情況下墻壁的熱流量大小，有保溫層時能顯著的減小墻壁的散熱。同時分析了保溫層導熱系數對墻壁熱流量的影響規律。將較強理論的教學內容形象化，激發學生的學習興趣，加深對傳熱學基礎理論的理解。

參考文獻

[1] 楊世銘，陶文銓.傳熱學[M].北京：高等教育出版社，2006：1-2.

[2] 陶文銓.數值傳熱學[M].西安：西安交通大學出版社，2001：28-29.

[3] 韓占忠，王敬，蘭小平.FLUENT流體工程仿真計算實例與應用[M].北京：北京理工大學出版社，2004：249-264.

[4] 王福軍.計算流體動力學分析[M].北京：清華大學出版社，2004：185-199.