將仿真工具引入工程熱力學和傳熱學課程教學中的探索與實踐

邵 雪，趙 薇，劉 崢，于 戈

(遼寧工業大學 土木建筑工程學院，遼寧 錦州 121001)

面向遼寧省社會經濟發展和行業的轉型升級，圍繞遼寧工業大學“省內一流高水平應用型大學”的辦學定位，建筑環境與能源應用工程（簡稱“建環”）專業建設瞄準科技前沿和建筑行業轉型方向，納入行業新發展、新技術、新手段，以滿足應用型專業人才培養要求。

仿真是以相似性原理、信息技術、數學計算及相關領域的有關知識為基礎，利用物理或數學方法來建立模型，以計算機為工具，利用物理或數學方法建立虛擬模型，對真實系統進行試驗研究的一門綜合性技術[1]。它尋求過程的規律，研究系統的動態特性，從而實現認識和改造實際系統的目的[2]，具有很高的科學研究價值和巨大的經濟效益，可解決大量實際工程問題。應用較多的為計算流體力學Ansys 仿真技術，其可以輔助工程師快速解決設計難題，減少周期，降低成本，且已進入企業研發部門和建筑設計部門，被廣泛應用于概念設計、詳細設計、樣機運行、樣機改進四大階段，目前已成為產品設計流程的基本要素。

為了推進培養適應行業、產業需求、具有創新能力、高水平、應用型人才[3]，一些工科院校也逐漸認識到仿真工具的重要性，并且明晰了用人單位的崗位職責和任職要求，同時工科專業教師也意識到其在教學中的重要意義，領悟其對理論聯系工程實際的重要性，逐步將其推廣到本科課程的教學中。但是從目前來看，Ansys 的引用多是在本科高年級的學生中以團隊、小組開展工程項目研究的方式進行的，其未進入課堂，可見，Ansys 應用于課程的教學效果不理想。而課堂是教學活動的主陣地，具有推廣范圍大、普及性強的特點，將Ansys引入兩門專業基礎課程，能夠踐行我校建環專業以學生為中心、成果為導向、持續改進的人才培養理念[4]，構建強化工程實踐能力培養的課程體系、實踐教學體系和創新教育體系，推動專業建設的內涵發展。

一、引入仿真工具的必要性

（一）將理論圖像化，加強學生的理解

美國當代著名教育心理學家、認知心理學家與實驗心理學家理查德·邁耶[5]認為：“給學習者呈現教學信息時，語音和畫面是設計者可利用的有效方式”。

“工程熱力學”是研究熱、力等能量相互轉化的一門學科，內容包括：能量工質性質、能量轉化過程和方向、能量轉化設備、能量傳遞系統流程。學生普遍認為，整個課程理論性強、系統較分散、教學案例抽象，熱力計算得出的結果僅僅是數值。“傳熱學”是研究熱量傳遞規律的學科，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，傳熱過程復雜多變，學生很難掌握多種類傳熱的應用，不能說明計算出來的結果的意義，得出的溫度數值、壓力數值、能量數值僅是靜態參數，無法形成完整流場。可見，“工程熱力學”和“傳熱學”作為理論公式較多、基礎性較強的課程，如果將數字轉為圖像，由點連成片，由面連成體，利用仿真工具作為輔助，發散學生思維，可以使學生在理解吸收教材知識的同時培養其想象力和創造力。所以，在教學中，將抽象的、理論性強的理論知識轉化成形象、直觀的圖像來講解是行之有效的方法。

（二）提高學生興趣

Ansys 是實驗的補充，涉及多方面的工業領域，例如評估空調房間內部的空氣流動，以了解風口布置、風速、溫度對人體舒適性的影響；評估建筑保溫材料的保溫性能，以了解對北方地區減少的耗煤量而達到的經濟效益；評估電腦、手機等電子產品冷卻方式和冷環境下的待機時間等。利用身邊的實例激發學生的學習興趣，同時把握授課良機，適當引入仿真案例，使學生明白所學知識點在行業的用途：一是，利用模型+游戲，使案例教學更簡易；二是，結果直觀+創意，使熱力計算教學不費時；三是，數值計算獲得變工況熱力性能變化趨勢，減少計算工作量；四是，將專業知識轉成動畫，使學習兩大專業主課的學生不再感到困難。

（三）培養創新創業能力

就業難是大學教育以及社會發展客觀存在的問題，創新創業教育是實現就業的載體。創業，是捕獲機會并由此創造新穎的產品或實現其潛在價值的過程；創新，是以新思維、新發明和新描述具體特征的一種過程。為了推進大學生創新創業能力的培養，學生從大二開始參加學校定期舉行的大學生創業計劃大賽、創新創業訓練計劃、創新創業競賽等活動。整個大賽理念是倡導學校和企業兩個知識生產主體共同參與知識生產全過程的產品型合作模式。這就要借助仿真工具這個載體來實現，開展現場調研—數據采集—模型搭建—結果分析—預測過程等工業設計產業鏈型研發小團隊協作，凸顯大學生創新創業的本領，為大學生創新、就業、創業助力。

二、將仿真工具引入課程的難點和解決方法

Ansys 是目前應用性最廣、推廣性最強的一款計算機軟件。仿真工具從本質上來說是大型計算器，使用電腦代替人腦，運用復雜的數學公式進行大量計算。Ansys 內含多組數學方程式及函數數據庫，采用有限體積法以及全隱式耦合網格求解，在計算機中對控制方程式進行求解，從而可以預測流場的傳熱與流動。雖然此內容是“傳熱學”數值解法中的一個章節，但引入時是從有限差分理論本質上剖析實例，再加上有限元理論，這對于本科生而言是非常繁瑣的。

以Ansys 操作和結果展示為主要教學目的，針對以上難點解決的方法是：（1）利用學生大一、大二所學的數學方程中的積分方程、微分方程和偏微分方程進行解釋與分析——積分是由部分求整體、微分是將整體分隔為部分求解、偏微分方程是部分的未知量二次求解；（2）為了方便學生操作，僅需要下載Ansys-Fluent 和Ansys-Workbench 兩個模塊；（3）按照教學內容選取最適合的章節，典型的工質流動和傳熱的典型案例作為仿真實例，如：“工程熱力學”——節流閥、“傳熱學”——穩態導熱；（4）將案例求解精簡為三個步驟：提出問題、化簡問題、解決問題；（5）簡化軟件操作為一條流程主線：幾何建模—網格劃分—求解計算—后處理，完成這幾個步驟就可以了，其中幾何建模部分可以把機械設計基礎、建筑設備CAD 技術、工程制圖等課程貫穿進去。這樣一來，既提高了學生綜合能力，同時一人一機，也培養了學生實際動手解決問題的能力。

三、課程中引入仿真工具的教學案例

（一）應用ANSYS-CFD 分析“工程熱力學”教學案例

絕熱節流：絕熱節流是教學授課重點，很多高校把此章節內容作為考研知識點，大部分學生的解決辦法是死記硬背，不明白流動的原理。以教材例題為案例，簡要建模，依據給定條件設置案例邊界條件，計算得到云圖（見圖1），學生們通過數值驗證了當流體通過絕熱節流原件時，面積突然縮小，局部阻力損失就會變大，這會出現壓力下降、熵增加、焓近似相等典型不可逆過程。通過顏色（紅色代表熱，對應高的數值，藍色代表冷，對應低的數值），學生進一步明確了流體從進口到出口的整體變化趨勢，與教材中如圖2所示的參數變化值進行比照

圖1 節流閥內各參數云圖

圖2 節流閥參數沿軸向變化的示意圖

（二）應用ANSYS-CFD 分析“傳熱學”教學案例

三維穩態單方向導熱：“傳熱學”的授課順序為導熱—對流換熱—輻射換熱。導熱是傳熱之首，決定學生傳熱思維的建立。Ansys 模擬三維穩態單方向導熱問題，給定上下兩個面不同受熱溫度（見圖3），計算得到兩個面漸層的溫度分布情況（見圖4），使學生明白了不同材料的導熱系數、傳導方向厚度以及溫差三個參數之間的關聯，驗證了熱傳導的動力是溫差，傳導的厚度、材質是過程的阻力，而實質是熱量的轉移的能量傳遞原理。

圖3 邊界及材料設置條件

圖4 單方向傳導溫度分布云圖

四、結論

Ansys應用于建筑環境與能源應用行業是大勢分析，驗證了節流閥是一種耗功元件，在實踐和實驗中利用閥門來調節壓力和控制流量是有用的。所趨，是建筑能源領域一個重要的工具。為了使大學生就業能力與用人單位的用人期望相匹配，將仿真工具引入課程教學勢在必行。針對本科生難以領悟到仿真有限元理論本質的問題，教師需更新教學手段、教學內容和教學方法，結合學生特點進行選科教學、適時引入仿真工具、挑選案例、簡化流程、分析結果等一系列教學路線改革。利用一人一機，激發學生的主動性；通過有限元學習，提高學生的數學計算和物理分析能力；通過軟件學習，使學生掌握一款仿真工具的使用，培養學生利用信息技術工具對理論知識點進行預測和模擬的能力；通過案例演練，使學生具備對教材中的例題進行計算與分析的能力，培養學生工程熱物理思維，使學生的熱分析和熱設計綜合能力有所提高，并為后續課程的學習打下良好基礎。