CFD技术在传热学教学改革中的应用

向夏楠

［摘要］本文在分析传热学教学现状的基础上，结合实践经验，提出了将CFD技术引入到传热学教学中，以此作为新的教学手段，提高多媒体课堂教学水平和增加双语教学建设。在实践教学环节中增加CFD试验部分，提高了实践教学的深度和广度，为传热学教学改革开辟了一条新途径。

［关键词］CFD传热学教学改革

［中图分类号］G642.0［文献标识码］A［文章编号］2095-3437（2014）06-0119-02

引言

传热学课程是湖南城市学院建筑环境与能源应用工程专业的一门重要的专业基础课，也是我校重点建设的课程。由于传热学课程的知识点多，课时在教学改革的推进中又不断被压缩，在这个矛盾中，学生们常感觉对知识点的学习不够深入，有许多问题想进一步进行深究却无法实现，导致教学质量有所下降。作为教师应当如何高效地利用课堂时间提高教学质量，使学生们能够真正掌握该门课程所需要掌握的知识点，为以后专业课的学习打好基础，是当前传热学进行教学改革的重点及难点。要解决以上矛盾问题就必须提高学习效率，笔者认为将目前常用的计算机辅助手段引入传热学教学将有效解决这一矛盾现象。

计算流体动力学CFD技术是利用质量守恒，牛顿第二定律和能量守恒这三大定律的最基本形式，即积分方程或者偏微分方程转换成离散代数形式，然后求解代数方程得到离散的空间或时间上的流程数值，从而揭示其物理特性和规律的一门学科，目前已成为十分热门的研究领域，目前已广泛应用于换热器流固热耦合三维流场仿真、电子设备热设计、通风空调设计、多种翅片管换热及流动特性模拟、多孔介质区域流动模拟、建筑风场模拟、复杂几何结构气动外流场模拟等许多工程领域。目前已有部分高校教师尝试将CFD技术应用到 “传热学”的教学中，该教学方法能够将各种课堂上学习的传热现象在屏幕上生动、形象地通过CFD软件模拟，对于稳态问题，可以通过计算结果的云图方式表示出来，对于非稳态问题，可以以动态变化的动画形式表示出来。通过模拟画面与基础理论知识进行对比，能够加深学生对相应知识的理解，另外，计算机模拟又能十分灵活地改变各种参数，参数变化后能得到不同的结果，这也能激发学生的学习兴趣，提高教学效果。

一、教学内容和方法的改革

在学习传热学的过程中，大部分学生都反映传热学基础理论比较晦涩难懂，特别是讲到对流传热部分，大篇幅内容都是讲经验公式，让学生印象不深。作为老师在课堂上没有具体动态地将传热现象讲授给学生，容易造成传热学理论知识学习无法与工程实践相结合，对于传热学这样实践性较强的专业基础课，该现象需要尽快转变。传统的教学把实践部分的教学放在实验室中，但是由于学校实验经费、实验条件以及实验课时等问题约束，使得实验教学无法满足学生们的需要，比如实验室的器材无法给每个学生都能动手的机会，导致许多实验都成为演示性的实验，理论与实际不能相结合的问题突出。仅使用传统的教学方法讲授传热学课程，其教学效果无法得到保障，而该学科在本专业中十分重要，对传热学知识的掌握程度将直接影响其他相关专业课程的学习。

CFD技术与传热学教学相结合是解决上述问题的捷径，传热学中的一些传热过程是可以通过CFD软件在课堂上进行简单的演示性模拟的，特别是对一些在实验室环境难以实现的实验，更能体现出计算机模拟的优势。而且模拟过程以及结果都以彩色画面在屏幕上展示出来，很直观，能增强学生对传热过程的感性认识。在课堂上也能传授一部分CFD软件的应用入门知识，学生们掌握一定的应用基础知识后也能独立地动手来模拟甚至探索书本以外的传热现象，如果在这个过程中遇到难题也更愿意探索深究其中的原因，如此良性循环不但能增加课堂生动性，提高每位学生的学习积极性，同时也得到了最佳的教学效果。

二、教学手段的改进

（一）多媒体教学

目前在课堂上应用最为广泛的是PPT，其特点是形象、生动、容易制作，但对于建筑环境与设备工程专业这样的工科专业而言，更重要的是理论与实践相结合，PPT在直观性方面还有待加强。而与实践没有紧密联系的教学方法必然与当前学校教育改革的精神相背离，也与大学教育的本质相冲突。在这种情况下多媒体教学的改革势在必行，笔者认为教学手段除了多媒体PPT教学外应该加入一部分CFD软件的模拟教学内容。例如在导热问题数值解法基础一章中，如果按照教材中所提示的，在课堂中用PPT演示区域与时间的离散化，就会相当抽象，对于初次接触导热问题数值解法的学生们来说比较晦涩难懂，但是如果引入CFD技术，比如通过fluent软件中的前处理软件gambit对某一生活中常见的物体进行网格的划分，就能生动形象地解释离散的含义，有利于学生们对课堂知识的理解。

（二）双语教学

在课堂中，特别是课件中应引入双语教学。一方面，要了解传热学的最新的研究进展必须查阅外文期刊、国际会议论文集以及相关领域国际知名研究人员的研究报告，如果在该领域进行研究，无论是参加国际会议还是撰写科技文章，都需要用到专业英语，因此在课堂中学习相关的专业英语是十分必要的；另一方面，各类CFD软件都是英文界面的，掌握好专业英语对CFD软件的理解也能提供很好的帮助，以FLUENT软件为例，该软件为全英文的，目前也有许多该软件的教材，教材的形式往往是以实例教学为主。在这些教材中，对实例中的操作进行了详细的讲解，而对于专业英语学得好的学生，其中各种参数的设置含义将十分清晰，学习效果也将事半功倍，而如果专业英语不太好，对于参数设置半知半解，学习完这些教程也没有理解其实质，往往事倍功半。学生如果想自学该软件也必须学好专业英语。

三、实践教学环节的改革

除了课堂上，传热学教学中另一个重要的部分就是实践教学环节，充分利用实践教学环节加深学生们对所学知识的掌握并提升其创新能力，是教学改革的一项重要任务。

传统的实践教学以实验为主，这一点作为实践教学的根本，必须继续加强，一方面积极推进学校实验装置的建设，把硬件设备建设好是学生进行创新性研究的基础。另外，作为实验的补充，将CFD技术引入实践教学环节也是十分可行的，CFD技术引入实践教学后能提高实践教学的深度和广度，而且该技术在以后的学习工作中都将有用武之地。在设计CFD实验中，可以通过设定不同的条件，来保证学生们的题目都不相同，都必须进行独立思考，避免了互相抄袭的现象。同时CFD试验带有更多的不确定性，一个设定条件的改变都能影响最后模拟的结果，这势必会带来课下更多的学习探讨，开拓了学生的思维，不光在课堂上听老师讲解，更要自己动脑学习，除了掌握所学知识，更能培养学生创新能力。

四、总结

将CFD技术引入“传热学”课堂教学中，通过CFD软件强大的图形显示功能，使学生更易于理解和掌握课程中的基本理论，能有效解决课程教学中的一些难于讲解的问题，提高多媒体课堂教学水平。在实践教学环节中增加CFD试验部分，提高了实践教学的深度和广度，为传热学教学改革开辟了一条新途径。

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［责任编辑：左芸］