仿真軟件在建環專業課程教學中的應用

邵雪　趙薇　張丹

摘? 要：面對日益嚴峻的就業形勢，應用型大學需要明晰用人單位的人才需求，培養適應社會發展需要的創新、創業、專業技術型人才。工程熱力學、傳熱學和流體力學作為建筑環境與能源應用工程專業的核心課程，是課程體系的主框架，對學生后續課程的學習影響較大。針對三門課程的教學特點和難點，將仿真軟件CFD引入課程教學中，利用其可視性強、顏色突出、動畫豐富的特點對三門課程的個別教學案例進行分析，以此強化教學效果，提升學生的工程思維和就業能力。

關鍵詞：CFD；工程熱力學；傳熱學；流體力學；教學案例；工程思維

中圖分類號：TP39；G434 文獻標識碼：A 文章編號：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

仿真軟件在數字化教學中被廣泛使用，其中計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics， CFD）能夠實現產品設計、詳細分析、問題保障和優化設計四大任務，已成為企業研發部門和建筑設計部門工程師和設計師必備的專業技能。為了培養具有創新創業能力，適應社會需求，緊跟行業發展的高水平、應用型人才[1]，一些工科院校明晰用人單位相關崗位的崗位職責和任職要求，認識到在教學中引入仿真工具的重要性，嘗試在部分教學中引入CFD，并將其逐步推廣到本科課程的教學中。對于“工程熱力學”課程，王麗麗[2]通過數值仿真與理論應用耦合式教學法的實踐，拓展了學生的工程思維，培養了學生的理論應用能力，獲得極好的教學效果；劉廣強[3]將CFD引入“工程熱力學”實驗教學中，完善了實驗教學體系，并指出該模式對培養創新型人才有促進作用；在流體力學教學過程中，針對伯努利方程和雷諾方程這兩大教學難點，楊波[4]運用CFD分析了90°彎管和U型管流阻比對，通過完整的仿真實例，形成了閉環教學設計；在新冠特殊時期，胡簫[5]將CFD引入“流體力學”課程教學，展開了線上線下教學模式的改革，強化了案例教學，提升了學生自主學習和解決難題的能力；張欣宇[6]利用CFD分析“傳熱學”課程中單層和多層平壁的傳熱過程，理論與圖形相結合，培養了學生的傳熱思維；進一步地，張紅欣[7]結合工程應用案例和CFD仿真技術，對“傳熱學”教學內容、教學手段及方法進行了探索和改進。可見，CFD可以作為建筑環境與能源應用工程（以下簡稱“建環”）專業的一種教育方式，成為學生必備的專業技能。基于為滿足行業需求而培養順應時勢、與時俱進人才的理念，將CFD引入我校本專業三門專業基礎課程中，助力學生就業，構建強化工程實踐能力培養的課程體系，落實以持續改進為目標的質量保障體系，搶抓“一流專業”專業建設水平，推動學科建設的跨越發展。

1? 課程存在的問題

工程熱力學是研究能量轉化的一門學科，課程內容包括能量工質、能量傳遞（數量和方向）、熱力過程（熱力設備）、熱力循環（系統）。學生普遍認為整個課程知識分散不系統，公式多，教學案例靈活多變與實際關聯較小，工程問題無法與教學知識點關聯，計算數值僅是數據；流體力學是以動力學的理論和方法研究流體（液體、氣體）運動規律的學科[8]。典型流體如氣體（空氣）和液體（水），無色無味，有的看不見，摸不到，有的看得見，無常形，這種抽象無規律的運動，使學生無法進行合乎實際的定性判斷和定量估計；傳熱學是研究熱量傳遞規律的學科[9]，課程內容包括固體導熱、流體換熱、輻射換熱、流固耦合傳熱等不同類型傳熱方式，過程復雜多變，涉及大量傳熱方程，課程算例多數是算出溫度數值、壓力數值、時間數值，而這些僅是帶有單位的數字，對于整體無法形成大、小、高、低、快、慢的層次對比。可見，工程熱力學、流體力學和傳熱學三門學科作為建環專業基礎核心課程是逐年開課，且三門學科的內容相輔相成，為了解決三門課程存在的問題，將CFD軟件引入適合章節的教學當中，對學生認識熱科學、動力學、關聯專業課程具有一定的輔助作用，可使學生樹立正確和完整的科學三觀。

2? 數值模擬引入教學的手段

CFD內含多組數學方程式及函數數據庫，采用有限體積法以及耦合多重網格求解，對控制方程式進行求解，獲得網格節點的數值。從本質上來說是利用計算機代替人腦的大型計算器，不同數值采用不同顏色來區分（紅色代表熱，對應高的數值；藍色代表冷，對應低的數值；綠色為中間色，對應中間數值），這樣就將數字轉為圖片，由點連成片，由面連成體，發散學生思維，將抽象晦澀、深奧艱深的理論知識[10]轉化為形象直觀的圖像，便于學生的理解領悟。CFD最難的部分是相關公式的選用，教師引入CFD的教學目的是方便操作和結果展示，對大學本科二、三年級學生而言，知曉積分、微分方和偏微分方程即可，無須掌握公式的選擇與編寫。

并不是所有的課程內容都適于CFD教學，按照教學內容選取最適合章節，選取典型的工質流動和傳熱的典型案例以及課程間有關聯的知識點作為仿真實例，例如，工程熱力學—噴管、絕熱節流；流體力學—文丘里流量計、管內流動阻力損失、離心式水泵；傳熱學—多層平壁穩態導熱、管內對流換熱，如圖1所示。將案例求解精簡為四個步驟：簡化問題、理論問題、解決問題、分析問題，為便于學生熟悉軟件操作，教師提供幾何模型并對主要功能進行設置，學生無需把所有內容全部掌握，只需掌握軟件操作流程一條主線，能把建模、建網格、數學設置、求解計算這幾個主要步驟跑完就可以了，保證一人一機。

3? 仿真軟件CFD在課程教學中的探索與應用

在教學過程中，按照課程的教學順序，結合教材的編排順序，將CFD數值仿真技術引入到課程中開展的教學案例、課程內容設計、教學安排，如表1所示。

表1公式中：q表示單位質量熱量（kJ/kg）；h表示比焓（kJ/kg）；g表示重力加速度，取9.8 m/s2；z表示相對高度（m）；ws表示軸功（kJ/kg）；v表示比體積（m3/kg）；p表示壓強（pa）；k表示絕熱指數，空氣取1.4；s表示比熵（kJ/kg）；d表示直徑（m）；γ表示容重（N/m3）；ΔH表示相對揚程差值（m）；Q表示流量（m3/s）；μ表示文丘里系數，取0.95～0.98；K表示流量計常數（m2.5/s）；u表示速度（m/s）；μ表示粘性系數（pa.s）；τ表示切應力（pa）；l表示長度（m）；r表示半徑（m）；ν表示動力粘度（pa.s）；hf表示沿程阻力損失（m）；λf表示粗糙度；Φ表示熱量（J）；t表示溫度（℃）；δ表示厚度（m）；A表示接觸面積（m2）；λ表示導熱系數（W/（m·℃））；R表示熱阻（℃/W）；Re表示雷諾數；Pr表示普朗特數。

4? 結? 論

設計、研發崗位是高校畢業生的最佳就業目標，大部分崗位對崗位職員有仿真軟件CFD模擬能力的要求，為了使大學生就業能力與用人單位的用人期望相匹配，將CFD引入高校教學勢在必行。針對本科生的課程安排，結合學生的學習能力和接納程度，教師需要進行教學改革，改進教學手段，充實教學內容并完善教學方法。首選建環專業三大專業核心課程，針對每門課程的教學內容、教學難點及課程之間的關聯內容，調整教學日程安排，挑選教學案例，講授CFD數值模擬工具的使用，簡化模擬流程，分析結果等，提高課堂教學的生動性和易懂性，形成數字時代的工程思維，從而提高教師的教學效果。

參考文獻：

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[2] 王麗麗，張快，客海濱.數值仿真與理論應用耦合式教學法在《工程熱力學》中的實踐 [J].大眾標準化，2021，339（4）：129-131.

[3] 劉廣強.CFD數值模擬在工程熱力學實驗教學中的應用與探索 [J].才智，2017（5）：53.

[4] 楊波，陳星，王志強，等.數值仿真法在流體力學教學設計中的應用探討 [J].科技風，2022，512（36）：98-100.

[5] 胡簫，林培鋒.CFD線上線下混合式課程改革的探討 [J/OL].力學與實踐，1-5[2023-01-06].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.2064.O3.20221208.1731.001.html.

[6] 張欣宇，楊曉宏，溫彩鳳，等.傳熱學思維在本科教學過程中的培養 [J].創新創業理論研究與實踐，2022，5（14）：35-38.

[7] 張紅欣，韓晨，徐得公，等.“傳熱學”課程教學的探索——以昌吉學院為例 [J].現代制造技術與裝備，2021，57（8）：206-208.

[8] 鄭宏.大功率電力電子變流器散熱技術的研究 [D]. 鎮江：江蘇大學，2013.

[9] 費明利.鋼管加熱爐新型爐內輥的設計與材料優選 [D].長沙：中南大學，2006.

[10] 李純.關于概率統計課程的教學思考與探索 [J].內江科技，2019，40（3）：103+80.

作者簡介：邵雪（1984—），女，漢族，山東沂水人，副教授，博士，研究方向：低溫傳熱、旋轉機械數值仿真。

收稿日期：2023-02-06

基金項目：遼寧省一流本科專業建設點建設項目（教高廳函〔2022〕14號）；遼寧省普通本科高等學校校際合作項目（遼教發〔2021〕45號）；遼寧工業大學課程思政示范課程建設教學改革研究項目（2022030）