基于《新能源汽車電池散熱系統數值模擬》案例啟發的《傳熱學》教學改革

摘 要：傳熱學是研究熱量傳遞過程的科學，在工程技術領域有廣泛的應用。然而傳熱學知識覆蓋面廣、公式較多，對于生活經驗不足和工程背景知識較為欠缺的學生而言，學習難度較大，導致學習動力不足。針對該問題，本文依托日常生活中常見的新能源汽車動力電池散熱問題，開展傳熱學的課堂教學改革。提出了以案例式啟發的教學方法改革，結合傳熱過程進行理論分析并建模，通過數值計算方法對傳熱過程進行模擬，建立及時反饋，從而驗證學生的學習成果，形成互動式教學。從計算結果出發，對新能源汽車動力電池的散熱過程進行可視化及結構設計，以提升其傳熱效果，最后通過實驗研究測試設計系統的效果。通過上述過程，使學生更好地掌握傳熱學的基本概念、原理和方法，為理解熱傳導、對流換熱等傳熱理論的內涵及其在工程中的應用提供了很好的案例，避免了傳統教學中填鴨式教學方法，顯著提高了教學效果。

關鍵詞：傳熱學 模擬計算 動力電池散熱 互動式教學

1 緒論

近年來，隨著我國科學技術和新產業的蓬勃發展，科技興國、人才強國成為我國發展的重要戰略，從而對科技人才的專業能力素質和業務水平提出了更高的要求。因此，亟須培養一大批工程科技和產業創新人才，這為高等工程教育帶來了重大的挑戰和機遇。傳統的擴大教學規模、增加專業數量等模式難以滿足上述要求，因此需要各高校進行卓有成效地建設“新工科”，從而全面推進復合型創新工程人才的培養。

自然界中廣泛存在著熱現象及熱過程，這些現象和過程都可以用傳熱學知識進行解釋和研究。另一方面，隨著工業生產的快速發展和居民生活水平的日益提高，對能源利用效率提出了更高的要求。能源利用過程離不開熱能的利用，而熱能的利用，80%通過熱量傳遞過程來實現[1]。在能源危機和環境溫度的背景下，面向國家的“碳達峰、碳中和”重要戰略目標，“傳熱學”作為經典專業基礎核心課程，成為各類工科專業科學技術人才所必備的重要理論知識[2]。在國家重視高質量新工科建設的背景下，“傳熱學”課程應大力推進工程教育教學改革，全面提高教學質量，全方位提升大學生的創新思維、理論知識和分析解決實際問題的能力。

傳熱學主要研究溫差驅動下以導熱、對流和輻射三種方式進行熱量傳遞過程的規律[3]，在能源、化工、環境、材料、航天航空、通信、醫學等領域具有廣泛的應用。傳熱學作為能源與動力工程類專業的一門重要的專業基礎核心課程，要求學生掌握物理學、微積分、線性代數、工程熱力學、流體力學等預備基礎知識，同時課程中涉及的大量的案例背景，要求學生對工程技術問題有一定的了解，以加深對其中的理論和工程知識的理解。傳熱學的特點在于理論與實踐緊密結合，具有較強的跨學科性。課程旨在培養學生的創新性思維和解決實際熱工問題的能力，通過理論學習和實驗實踐，使學生能夠掌握熱量傳遞過程的特點和規律，以及實際傳熱過程的綜合分析。傳熱學課程注重培養學生的科學抽象、邏輯思維能力，以及運用常用工質物性表、諾謨圖等分析熱量傳遞過程的能力。通過傳熱學課程的學習，學生將具備綜合分析實際傳熱問題的能力，能夠從實際問題抽象為理論數學方程，并運用相關理論分析和解決實際熱工問題。

傳熱學課程具有數學公式較多、知識覆蓋面廣、內容相對分散，理論性較強等特點。傳統的傳熱學教學主要依賴于課堂教學和課本學習，學生往往缺乏將理論知識應用于實際問題的機會，照本宣科式的填鴨式教學方式也容易使課堂教學變得乏味，難以激發學生的學習興趣。從往年幾屆《傳熱學》課程學生的學習效果來看，往往期末考試成績出現兩極分化的現象，尤其是部分學生對傳熱學基本概論理解不到位、對理論公式記憶不清晰，因而無法靈活應用傳熱學理論分析熱量傳遞現象，影響了學生的學習積極性和教學效果。為了解決上述問題，結合當前科研和工程應用中的新案例進行講解，并利用計算機數值模擬方法讓學生對實際問題進行快速求解，從而讓學生在短時間內檢驗自己所學習的知識在實際生活中應用，解決生活中的實際熱工問題，并結合理論知識進行調整優化，調控熱量傳遞過程，實現學以致用。在模擬計算中采用了量綱分析方法提取主要影響因素、忽略次要因素，是鍛煉學生工程思維能力的一種重要途徑。結合數值模擬的新案例教學方式，既可以讓學生深刻體會到傳熱學在生活和工作中的重要性，同時也可以讓學生了解到當前的前沿科研技術問題，提高學生的學習動力和學習興趣，增強學生對專業的認同感和自豪感，實現科研反哺教學，有助于提升教學效果。

2 傳熱學教學現狀

傳統的傳熱學教學主要側重于理論知識的傳授，而忽視了學生實踐能力的培養。教學內容與實際工程需求之間的脫節，限制了學生創新能力和實踐技能的培養。在傳熱學課程的教學反饋中，學生普遍反映課程的數學公式多、推導復雜、理論深、難度大，難以很好地激發學生的學習興趣。因此，傳熱學的教學課堂普遍存在學生學習興致不高、主動性較差、教學效果不佳等問題。

通過總結團隊多年來的課堂教學實踐和教學理論，提出了基于案例啟發的《傳熱學》教學改革。首先，案例選取與時俱進，從當前關乎國計民生的科研和工程案例出發，力求做到具有代表性和應用性，從導入環節激發學生的學習興趣；其次，案例的難度應適中合理，其解析過程應符合學生的知識掌握程度，避免超綱以及過多與課程無關的步驟，重點突出傳熱學課程知識點在其中的作用；最后，案例的解決盡可能實現可視化，使學生親身感受到，利用傳熱學知識解決實際問題的成就感，進一步增強學習的自信心，樹立工程化思維，培養學生的科學研究思維。結合本人在傳熱強化技術中多年來的模擬和實驗研究，以新能源汽車中動力電池為對象，以《動力電池散熱系統的傳熱過程數值模擬》為案例進行課程教學，是一種很好的教學嘗試和教學改革。

3 案例式課堂教學改革

3.1 案例選取契合時代發展

如何選取合適的案例，是案例式課堂教學改革實施成功的靈魂。在案例的選取過程中，需要考慮學生的知識背景和生活經驗，同時也要考慮國家科技發展需求中的高新技術問題，具有一定的挑戰性和前沿性。受限空間內的動力電池散熱問題是當前限制新能源汽車發展的“卡脖子”問題，關乎人民生活安全，并影響著我國“碳達峰、碳中和”戰略目標的實現。因此，以受限空間動力電池散熱系統的傳熱過程為案例，既貼近學生的日常生活，同時也符合當前科技發展熱點和前沿。動力電池組是新能源汽車的關鍵部件，決定其動力性能。動力電池充放電過程的產熱是日常生活中的常見現象。然而，如果產生的熱量不能及時散走，將導致動力電池組出現溫度過高和溫差過大的問題。過高的溫度會影響動力電池的性能，過大的溫差會影響動力電池組的壽命，嚴重時甚至會造成安全事故，從而威脅人民的生命安全。從新能源汽車出發，引導學生分析動力電池散熱系統中的產熱規律和散熱方式，從熱阻的角度分析不同傳熱方式所占的比例，結合傳熱學理論啟發學生提出改善動力電池組散熱性能和降低系統功耗的有效方式。通過該案例，學生充分認識到傳熱學在生活實踐和在科技發展中的重要性。

3.2 案例問題分析促進學生思考

由于教學時長有限，通過計算機數值模擬方法將動力電池散熱系統的熱量傳遞過程實現可視化，有助于學生親身體驗如何將課堂上所學習到的傳熱學知識應用到生產生活實踐。通過模擬計算，可以對動力電池內部的熱量傳遞過程進行精確分析，從而設計出更加合理的散熱系統。本文以某型號動力電池為例，介紹了模擬計算在電池散熱設計中的應用過程。首先，采用小組討論的形式引導學生分析動力電池的不同散熱方式的特點，包括空氣冷卻、液體冷卻、相變冷卻及復合冷卻技術等，讓學生從散熱能力、便攜程度、安全角度、成本角度和技術難度等角度總結不同散熱方式的優缺點，同時給學生講解不同散熱技術在實際動力電池組中的應用場景，最終著眼于空氣冷卻這一應用廣泛、成本較低、系統簡單的動力電池散熱技術，通過這一過程讓學生理解傳熱學在工業中應用。在此基礎上，引導學生分析動力電池的產熱過程和冷卻系統中的每個區域的傳熱過程，包括電池的產熱量、電池中的傳導、冷卻工質與電池之間的對流傳熱等，指導學生通過物理問題建立數學模型，然后利用傳熱學熱阻理論和工程思維分析各個傳熱過程的主次地位，確定影響系統性能的主要傳熱過程，最后采用數值模擬的思維解決實際傳熱問題。以面向方形動力電池的空氣冷卻系統為例，其物理過程如下：一定流量的冷卻空氣從進口流入系統，通過動力電池表面時，帶走電池產生的熱量，使電池的溫度和溫差始終保持在合適的范圍，攜帶熱量的空氣最終從系統出口流出。針對上述物理過程的每個熱量傳遞環節，分解建立數學模型：首先將動力電池等效為一個矩形熱源，根據動力電池產熱與溫度、荷電狀態等因素，建立一個與影響因素相關的動力電池產熱模型；電池中的熱量傳遞為熱傳導過程，其控制方程為熱傳導方程，考慮電池的各向異性導熱系數；空氣與電池之間的熱量傳遞為對流換熱過程，其控制方程為連續性方程、動量方程和對流傳熱方程；空氣與電池的截面為無滑移速度邊界條件和溫度、熱流連續邊界條件，散熱系統邊界為無滑移的絕熱邊界條件。

針對上述數學模型，數值求解步驟如下：采用結構化網格劃分動力電池區域和冷卻空氣得到網格節點，采用控制容積法離散熱傳導方程、對流傳熱方程、初始條件和邊界條件，得到離散方程組，并采用迭代法求解離散方程組，得到冷卻系統中流道流量分布以及電池組溫度隨時間的變化規律；研究系統中流量分配情況和電池組溫度分布的匹配關系，分析流場流型如何帶走電池組的熱量，探討存在較大電池組溫差的內在原因；進一步討論并行流道寬度分布和導流板角度等影響電池組溫度場和系統功耗的關鍵參數對電池組散熱性能的影響規律，從而得到優選參數提高系統的冷卻性能，并降低系統功耗。這一過程激發學生對動力電池散熱過程和傳熱強化機理的思考，并通過互動式的討論進一步加深對傳熱學控制方程和基本原理的理解。同時，該案例也可以延伸到學生生活中對新能源汽車動力電池組冷卻和維護的思考和理解。

3.3 實驗裝置搭建驗證模擬計算強化傳熱理論理解

針對本案例中的動力電池散熱系統，在實驗室內部搭建了與之對應的小型實驗裝置，驗證數值模擬結果的準確性。實驗裝置上連接的多個熱電偶可反映實驗過程中各測試點的溫度。因此，通過搭建優化前和優化后的兩套散熱系統實驗裝置，利用實驗結果驗證數值模擬結果的準確性；對比系統設計前后同一位置的溫度，驗證設計系統的優越性，從而進一步加深學生對散熱系統強化傳熱的理解。因此，在課程講解結束后，鼓勵學有余力的學生進入實驗室搭建實驗系統，采用安捷倫測溫儀和熱電偶進行測溫實驗，并記錄實驗結果；進一步分析實驗結果，通過比較優化前后實驗系統結果的差異，增加學生的學習成就感，也增強學生利用傳熱學知識解決實際工程問題的信心及對傳熱學課程的興趣。常規傳熱實驗有明確的實驗步驟解析及實驗分析引導思路，實驗數據與結果存在多人借鑒的現象，難以取得令人滿意的實驗教學效果。而本實驗裝置為實驗室自主搭建，系統結構和運行工況，如電池個數、電池分布方式、電池產熱量、系統進出口位置等均可調控，因此可充分調動學生的發散思維能力和加深其對傳熱學知識的理解，可彌補純理論較為枯燥且難以可視化的不足，進一步強化了教學效果。

這種授課模式成功培養了本科生的學習積極性，吸引了多名本科生加入本實驗室進行科學研究工作，同時積極申報大學生創新創業項目，通過參加創新創業項目，相關本科生申請了發明專利，發表了學術論文，取得了較好的科研成果。

4 結論

在傳熱學的教學實踐中，以動力電池散熱系統中的傳熱過程為案例，引出學生對傳熱學在新能源汽車中應用的思考，并進一步結合該案例進行熱量傳遞過程分析、數學建模、數值模擬與實驗驗證。在熱量傳遞過程分析中，注重引導學生運用傳熱學理論知識分析實際問題的能力；在數學建模階段，培養學生從傳熱工程問題的表象建立數學模型的思維能力；在數值模擬階段，鍛煉學生將偏微分數學方程轉化為離散代數方程的能力；在實驗階段，培養學生掌握基本的傳熱學實驗器件的使用能力，讓學生搭建與物理模型匹配的驗證性實驗裝置，并結合理論知識分析實驗結果。該案例是理論知識、數值計算與實驗研究相結合的很好的教學案例，可以在有限的教學時間內將一個典型的熱量傳遞過程可視化，將理論知識與生活實際深度結合。通過這一過程，學生形象直觀地感受到傳熱學在生活和科技中的應用。在案例的不同階段，可對學生的不同能力進行鍛煉，實現因材施教。該案例具有很好的科技感和時代感，有利于建立學生對傳熱學的學習興趣，促進了學生對熱傳導和對流傳熱過程中傳熱學理論知識的理解，取得了很好的教學效果。未來，可進一步完善案例課件和案例內容，融入人工智能相關理論和方法，進一步提升教學質量。

基金項目：華南理工大學校級本科教研教改項目。

參考文獻：

[1]陳群.對流傳遞過程的不可逆性及其優化[M].北京：清華大學，2008.

[2]盧青波，范寶偉，邵霞，等.“傳熱學”課程教學改革探索[J].中國電力教育，2024（07）.

[3]楊世銘，陶文銓，編著.傳熱學（第五版）[M].北京：高等教育出版社.