基于Fluent的傳熱學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的開發(fā)

王輝 解明杰 向文鳳 羅馬吉 袁守利

[摘 要]針對目前傳熱學(xué)課程實(shí)驗(yàn)課時(shí)不斷壓縮，實(shí)驗(yàn)與講課脫節(jié)以及實(shí)驗(yàn)資源有限導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)難的情況，課題組提出了建立傳熱學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的方法。基于Fluent仿真平臺，以傳熱學(xué)“穩(wěn)態(tài)球體法測試粒狀材料的導(dǎo)熱系數(shù)”實(shí)驗(yàn)為例，通過利用Scheme開放編程工具，建立虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的界面，實(shí)現(xiàn)對后臺Fluent案例的調(diào)用、初始化和自動執(zhí)行，完成虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的建立。將虛擬實(shí)驗(yàn)平臺得到的模擬結(jié)果與理論結(jié)果相比較，驗(yàn)證該虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的合理性和科學(xué)性，可以此來替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。

[關(guān)鍵詞]傳熱學(xué);虛擬實(shí)驗(yàn)平臺;開發(fā);Fluent;Scheme語言

[中圖分類號] G64 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2019）03-0080-04

傳熱學(xué)課程概念多且抽象，公式復(fù)雜，理解困難等特點(diǎn)，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)困難甚至厭學(xué)[1-2]。麻省理工學(xué)院開發(fā)基于Matlab的用于傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺，在課程教學(xué)中起到一定作用[3]。華中科技大學(xué)的許國良開發(fā)了Saints2000的傳熱學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺，功能強(qiáng)大，但學(xué)生只能用它模擬傳熱學(xué)現(xiàn)象，而不能參與到其模塊的擴(kuò)充[4]。當(dāng)前虛擬實(shí)驗(yàn)平臺對于復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)建模難以再現(xiàn)，比如三維瞬態(tài)對流換熱實(shí)驗(yàn)，無法真實(shí)的再現(xiàn)傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)過程。

本文以傳熱學(xué)中“穩(wěn)態(tài)球體法測試粒狀材料的導(dǎo)熱系數(shù)”為例，提出基于Fluent軟件開發(fā)傳熱學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的方法。在Fluent仿真平臺的基礎(chǔ)上[5]，利用Scheme語言建立虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的界面，實(shí)現(xiàn)對后臺Fluent案例的調(diào)用和執(zhí)行，完成虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的建立。通過將虛擬實(shí)驗(yàn)平臺上得到的模擬結(jié)果與理論結(jié)果相比較，驗(yàn)證該虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的合理性和科學(xué)性。

該平臺通過計(jì)算機(jī)手段對物理實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬，形象直觀地反映出實(shí)驗(yàn)的導(dǎo)熱過程和測定原理，學(xué)生可自行參與操作，既能激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又對現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了必要的補(bǔ)充。

一、傳熱學(xué)物理實(shí)驗(yàn)

（一）實(shí)驗(yàn)原理

兩個(gè)同心的紫銅球壁的內(nèi)半徑分別是r1和r2（直徑為d1和d2）。將兩個(gè)紫銅球壁的內(nèi)外表面溫度分別控制為t1和t2，并且保持溫度穩(wěn)定。

根據(jù)傅里葉導(dǎo)熱定律，對球壁傳熱進(jìn)行求解得到如下公式：

由于溫度波動的范圍較小，可以將材料的導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的關(guān)系近似成線性關(guān)系處理，然后對上式積分求解并代入邊界條件，得到：

因此，根據(jù)實(shí)驗(yàn)時(shí)測出的銅球的內(nèi)外壁的溫度t1和t2，然后可由公式（3）可以得出在tm時(shí)所填充的粒狀材料的導(dǎo)熱系數(shù)λm。

（二）實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)及測量系統(tǒng)。內(nèi)球殼內(nèi)部有電加熱絲進(jìn)行加熱，內(nèi)球殼外壁和外球殼內(nèi)壁之間均勻的填充滿被測的粒狀物料，外球d2為150mm到200m，內(nèi)球d1為70mm到100mm。加熱溫度t1、t2分別由連接于內(nèi)球和外球表面的兩對銅-康銅熱電偶測得，電加熱功率Q由連接于實(shí)驗(yàn)線路中的電壓表、電流表監(jiān)測并讀取。外球殼的散熱方式采用雙水套球結(jié)構(gòu)，使恒溫液套球的恒溫效果不受外界環(huán)境溫度的影響。

（三）實(shí)驗(yàn)步驟

將待測物料烘干后均勻地填充在同心球的夾層之間;安裝并校準(zhǔn)測試儀器，確保球體嚴(yán)格對稱，檢查接線等無誤后接通電源，待測試儀溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)記錄數(shù)據(jù);調(diào)整加熱功率，重復(fù)上述的操作并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù);實(shí)驗(yàn)完畢后關(guān)閉電源，整理好實(shí)驗(yàn)儀器后按要求離開實(shí)驗(yàn)室。

二、虛擬平臺的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

（一）虛擬實(shí)驗(yàn)平臺入口建立

該虛擬實(shí)驗(yàn)平臺入口采用VB語句實(shí)現(xiàn)。建立VBS文件，用記事本打開。根據(jù)fluent.exe路徑修改Link.TargetPath。根據(jù)“*.scm”文件的路徑，修改Link.Arguments。雙擊運(yùn)行虛擬VBS文件，生成虛擬實(shí)驗(yàn)平臺入口文件。雙擊運(yùn)行該入口文件，打開“傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺”菜單即可查看運(yùn)行結(jié)果。

（二）前處理

根據(jù)物理實(shí)驗(yàn)，設(shè)置九組模型：內(nèi)球70mm-外球150mm-同心、內(nèi)球85mm-外球150mm-同心、內(nèi)球100mm-外球150mm-同心、內(nèi)球70mm-外球200mm-同心、內(nèi)球85mm-外球200mm-同心、內(nèi)球100mm-外球200mm-同心、內(nèi)球70mm-外球150mm-偏心5mm、內(nèi)球70mm-外球150mm-偏心10mm、內(nèi)球70mm-外球150mm-偏心20mm。模型采用NX建立，導(dǎo)出Parasolid，保存的格式為“.x_t”。

網(wǎng)格劃分采用ICEM。“.x_t”模型導(dǎo)入ICEM后，對球殼進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分，靈活地調(diào)整最大單元，網(wǎng)格劃分得越細(xì)對于最終的迭代計(jì)算越有利。

將網(wǎng)格導(dǎo)入Fluent，設(shè)置單位，能量方程[6]，區(qū)域的屬性、重力、觀察面以及求解的殘差監(jiān)視，利用write功能生成case文件。

（三）虛擬平臺的實(shí)現(xiàn)

1.窗口建立

需要實(shí)現(xiàn)的功能是在Fluent的現(xiàn)有菜單欄的基礎(chǔ)上添加“傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺”菜單項(xiàng)。在Fluent讀入Scheme程序時(shí)，沒有入口函數(shù)，所有函數(shù)只加載不執(zhí)行，只執(zhí)行函數(shù)外的語句。代碼由以下部分構(gòu)成：

A. 定義rp變量（不是函數(shù)）。

B. 定義窗口及內(nèi)部控件函數(shù)。

C. 定義菜單（不是函數(shù)）。

D. 定義執(zhí)行函數(shù)。

Fluent在載入程序時(shí)，只執(zhí)行了A與C這兩部分的代碼。

定義rp變量代碼如下所示：

（define （set-new-var s v t）

（if （not （rp-var-object s））

（rp-var-define s v t #f）

）

）set-new-var

定義菜單部分代碼如下所示：

（let （（menu （cx-add-menu“傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺”#＼U ）））

（cx-add-item menu“實(shí)驗(yàn)一穩(wěn)態(tài)球體法測粒狀材料的導(dǎo)熱系數(shù)” #＼U #f cx-client？ gui-my-input-panel）

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

（set！ *cx-exit-on-error* #f）

）

2.定義窗口控件

通過菜單欄上“傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺”按鈕打開一個(gè)能直觀反映需要仿真的實(shí)驗(yàn)的具體過程。根據(jù)物理實(shí)驗(yàn)，目標(biāo)窗口需要包含以下元素：

A.導(dǎo)熱球模型選擇（前述九種參數(shù)模型）。

B.備選材料庫，如表1所示。

C.加熱電壓（根據(jù)換算關(guān)系50V—220V，對應(yīng)熱流密度516.5W/m2—10000W/m2）。

D.外球表面換熱狀態(tài)[7]（自然對流換熱，對流換熱系數(shù)為10W/m2.K;強(qiáng)制對流換熱，對流換熱系數(shù)為5W/m2.K;強(qiáng)制對流換熱，對流換熱系數(shù)為20W/m2.K）。

E.恒溫冷卻套（有無恒溫冷卻套）。

根據(jù)設(shè)計(jì)，需要一個(gè)symbol-list（多選欄輸入）來選擇九種不同的球殼網(wǎng)格模型;一個(gè)drop-down-list（下拉菜單輸入）來選擇五種實(shí)驗(yàn)填充材料;一個(gè)反映實(shí)驗(yàn)電壓的table;一個(gè)下拉菜單輸入來表示外球表面換熱狀態(tài);一個(gè)切換按鈕表示是否有恒溫冷卻。設(shè)計(jì)的panel（窗口）實(shí)驗(yàn)步驟。

3.窗口提交功能實(shí)現(xiàn)

實(shí)驗(yàn)平臺實(shí)現(xiàn)按照實(shí)驗(yàn)步驟，設(shè)置好實(shí)驗(yàn)參數(shù)，裝填好試驗(yàn)材料，確定對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)工況后，點(diǎn)擊ok按鈕，然后自動載入對應(yīng)的網(wǎng)格模型，加載實(shí)驗(yàn)材料，設(shè)置計(jì)算模型，并開始計(jì)算，輸出結(jié)果。

而要實(shí)現(xiàn)提交功能，首先需要用到rpsetvar方法，點(diǎn)擊ok按鈕之后，獲取窗口輸入。

代碼如下：

（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））

執(zhí)行函數(shù)在表格提交之后根據(jù)窗口輸入調(diào)用Fluent載入case文件，進(jìn)行設(shè)置、計(jì)算以及顯示溫度場[8]云圖。執(zhí)行函數(shù)中初始化功能如下：

（ti-menu-load-string

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

在點(diǎn)擊ok按鈕之后，自動實(shí)現(xiàn)初始化。命令表達(dá)語句本身是控制臺命令，實(shí)現(xiàn)了初始化的目的。

下面這個(gè)語句載入對應(yīng)的網(wǎng)格模型，是case文件的關(guān)鍵所在：

（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）））

虛擬平臺系統(tǒng)會根據(jù)用戶的選擇載入對應(yīng)的case進(jìn)行運(yùn)算，前述rpsetvar賦值，這里使用rpgetvar獲取變量值。

4.虛擬平臺驗(yàn)證

為了突出可視化的效果，最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果以溫度場的形式展現(xiàn)。選取內(nèi)球70mm-外球150mm-同心模型、木炭、自然對流得出的結(jié)果。

讀出的數(shù)據(jù)顯示：內(nèi)球壁面溫度是最高溫度388.3347K，外球壁溫度最低是334.7348K。

依據(jù)傅里葉導(dǎo)熱定律，可以求出材料在361K時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.2786W/（m.K），與所填充的材料木炭的導(dǎo)熱系數(shù)0.28 W/（m.K）相比非常接近，誤差為ξ=（0.2786-0.28）/0.28=?0.5%。由此可見，所建立的仿真模型在仿真實(shí)驗(yàn)的時(shí)候數(shù)據(jù)可信。

上述不僅演示了實(shí)驗(yàn)過程，還直觀展示了物理實(shí)驗(yàn)觀察不到的溫度場，這一點(diǎn)對于教學(xué)來說意義重大。

由此可以看出，該實(shí)驗(yàn)平臺具備相當(dāng)可信度。考慮到物理實(shí)驗(yàn)中可能出現(xiàn)的誤差情況，對球殼不同心的情況做出了仿真設(shè)計(jì)，在偏心20mm的情況下得到外壁溫度316.5K，內(nèi)壁溫度362.5K。根據(jù)傅里葉導(dǎo)熱定律計(jì)算出該材料的導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.302W/（m.K），與該材料（黑炭）實(shí)際導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.28的誤差為ξ=（0.30-0.28）/0.28≈7.2%，由此可見，當(dāng)內(nèi)外球殼不同心時(shí)，會出現(xiàn)較大的實(shí)驗(yàn)誤差。

三、結(jié)論

課題組在Fluent平臺上運(yùn)用Scheme程序開發(fā)了傳熱學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺。以此可實(shí)現(xiàn)對傳熱學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)“穩(wěn)態(tài)球體法測試粒狀材料的導(dǎo)熱系數(shù)”的仿真模擬。

雖然此虛擬實(shí)驗(yàn)平臺僅適用于該實(shí)驗(yàn)，但是其可視化的效果與這種虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的理念卻是通用的。在高校的教學(xué)過程中，有大量的實(shí)驗(yàn)，且相當(dāng)一部分實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不顯著、耗時(shí)長，如果能夠列出一個(gè)開發(fā)實(shí)驗(yàn)平臺計(jì)劃大綱，鼓勵在校有興趣的學(xué)生去嘗試開發(fā)，這對加深學(xué)生對教學(xué)實(shí)驗(yàn)的理解和對自身掌握知識的融會貫通，都具有重大意義。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1] 侴愛輝， 馮妍卉， 張欣欣，等.虛擬實(shí)驗(yàn)在“傳熱學(xué)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011（6）：312-315.

[2] 趙海波， 周秋淑， 高興奎，等. 傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)用仿真工具的開發(fā)[J]. 科技信息，2013（14）：15.

[3] 路浩杰. 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺研究與設(shè)計(jì)[D].杭州：杭州電子科技大學(xué)，2012.

[4] 姜昌偉， 傅俊萍， 趙李鐵. 基于Matlab的傳熱學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)開發(fā)[J]. 中國電力教育， 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] 張書義， 劉松， 曹汝恒，等. 基于Fluent的汽車散熱器熱耦合仿真[J]. 汽車實(shí)用技術(shù)，2016（6）：88-89，102.

[7] 楊麗紅， 孫小橋， 鄧長勝，等.電纜測偏儀散熱器的溫度場穩(wěn)態(tài)熱分析[J]. 現(xiàn)代制造工程，2010（12）：84-87.

[8] 房全國， 李家偉， 姜逢章，等. 基于Fluent的蛇管換熱器耦合傳熱數(shù)值模擬[J].化肥設(shè)計(jì)，2015（6）：15-19.

[責(zé)任編輯：鐘 嵐]