本科毕业设计中FLUENT软件相关课题可行性及问题探讨

张源 胡自成 葛凤华 宋新南 王谦

【摘要】本文探讨了在本科毕业设计中加入运用FLUENT软件进行工程计算分析的相关课题的可行性。实践证明，学生通过运用FLUENT软件进行工程计算，夯实了理论基础，增强了解决本领域传热和流动问题的能力，提高了学生的学习兴趣和未来的专业竞争力。在做好本文所提及的三点问题（学生和课题的选择、指导过程中的问题）的前提下，在毕业设计中加入FLUENT软件工程计算相关课题不仅可行，还值得在一定范围内推广。

【关键词】FLUENT  计算流体力学  计算传热学  毕业设计

【中图分类号】G642.0 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2015）08-0028-02

1.引言

本科毕业设计是在本科教学过程的最后阶段进行的总结性的实践教学环节。在毕业设计环节中，学生应当综合运用本科阶段所学的各科知识和技能，对所需解决的课题进行思考、分析、设计和研究，从而全面、系统地完成课题交给的任务。可见，毕业设计是对学生本科阶段学习质量的全面性的检验，也对学生能否顺利拿到毕业证书和学位证书起到直接和决定性的作用。

计算传热学又称数值传热学，是研究用数值方法求解传热问题的一门科学。它可以理解为：根据所需求解的实际问题建立合理的数学模型，利用离散化处理的数值方法，再通过用计算机高级语言编制的程序，以计算机作为工具来求解传热问题的、与工程实践密切结合的一门应用基础科学[1]。而市场占有率高达40%[2]的数值计算软件FLUENT是解决传热领域数值计算问题的较好的通用软件之一[3]。

运用FLUENT等CFD软件，可以在不具备实验条件或暂不需要对研究对象进行实验的情况下，借助计算的方法进行相关工程分析，从而极大地节约人力、物力、财力和时间成本。因此，在本科学习最后的毕业设计阶段，若能让部分学生学习并基本掌握FLUENT软件对本领域问题的计算过程，将会在很大程度上促进学生今后对相关问题的建模和分析等工作。

2.毕业设计指导工作应注意的问题

由于FLUENT软件的专业性，在指导与FLUENT软件工程计算相关课题的时候，应注意以下几个问题：

（1）学生的选择

要能较好地掌握FLUENT软件相关计算过程，首先需要具有较为过硬的微积分、流体力学、传热学、计算传热学（也称数值传热学）等相关学科的基础知识。这不仅要求学生较好地理解课堂所讲知识，还要能够灵活运用课内外相关知识。有的学生学习能力和成绩相对较弱，并不具备过硬的知识储备和学习能力;有的学生未来从事的工作与本专业距离较远，或者对相关的数值计算兴趣不大，因此缺乏从事相关课题毕业设计工作的原动力;这些因素都会影响整个毕业设计工作的正常进行。因此，对于与FLUENT软件工程计算相关联的毕业设计课题，并不是所有学生都适合来做。为了有效地开展相关的毕业设计课题，在学生的选择上往往优先推荐让学习相对努力的、有兴趣和求知欲的以及未来将继续深造或从事相关科研工作的学生来进行。

（2）课题的选择

在本科教学阶段，由于受限于书本和教学大纲的安排，教师在对流体力学、传热学等课程的讲授中往往较少涉及数值计算相关知识，书本上只有一章内容与之相关，课堂上一般只传授数值计算的基本概念、简单情况下的离散方法、离散方程的建立等较为浅显的知识，这与FLUENT软件中对相应问题处理方法的深度和难度相去甚远;然而，在毕业设计的短短一学期时间内，要让学生完全掌握相关知识是比较牵强的。因此，在FLUENT软件工程计算相关课题的选择上，应选择相对基础性的、与实践结合紧密的、具有科研应用前景的课题作为毕业设计课题。这样既可保证毕业设计工作的正常开展，也能使学生在软件方面得到基本训练，为后续科研工作以及研究生阶段的学习打下良好的基础。

（3）指导过程中的问题

在毕业设计的指导过程中，笔者发现有部分学生在使用软件进行计算时，较为注重结果的可视化，而恰恰对计算中关键参数的设置、计算方法的选择等关键问题较为忽视。造成该现象的原因可能是，无论在软件中设置怎样的参数、选择怎样的计算方法，总能通过软件的计算得到一个可视化的结果，即使参数设置或计算方法的选择欠妥或有误，只要计算过程没有脱离现实太远，计算结果看上去都有一定的可信度，再加上学生对具体计算过程的“不求甚解”、不仔细推敲，往往易使人误认为该计算过程是正确的。因此，在指导过程中，应对学生使用软件的具体计算过程进行仔细地把关，确保计算过程和结果的正确性。

3.毕业设计算例

算例一：建筑空心砌块传热问题

图1a为所需计算的典型建筑空心砌块的尺寸标注图。该砌块是某典型普通混凝土空心砌块，三排孔结构，每排均由大小相等的两个孔组成，孔厚30mm。热量由室外侧（左侧）传向室内侧（右侧），室外侧为稳态或非稳态热边界条件，室内侧为稳态热边界条件。

图1b为数值计算得到的该砌块传热的某时刻温度分布图。可以看到，温度从左到右大体上呈现由高到低的分布状况。由于空心砌块为非均质构件，砌块材料的热导率与空气层的当量热导率不相等，造成了内部等温线的非均匀分布。

（a）空心砌块结构俯视图（单位：mm）     （b）典型砌块温度分布图                   图1 空心砌块结构俯视图

算例二：加气混凝土墙体结露问题判断

待计算的房屋的加气混凝土自保温墙体结构类型如图2所示，图中的B05表示型号为B05的加气混凝土砌块。计算中，加气混凝土砌块可以认为是热均质结构，这样导热系数相对较高的混凝土柱或梁便成为了结构体系中的热桥。由图3、图4可以看到，加气混凝土自保温墙体内表面温度最低点均发生在熱桥部位室内表面宽度的中心处或阴角处。将该处的温度与当地室内空气的露点温度相比较，既可判断是否会产生结露现象。

图2 框架结构房屋自保温墙体结构

图3 B05厚度为50 mm墙体的温度场

图4 B05厚度为100 mm墙体的温度场

4.总结

利用FLUENT软件对实际工程问题进行数值计算，大大节约了经济开支和时间成本，也为学生对本领域的传热和流动问题的解决提供了有效手段，夯实了学生的理论基础，增强了其解决问题的能力。通过与从事相关毕业设计课题的学生的交流得知，学习FLUENT软件的工程计算对学生更好地掌握相关物理过程起到了很好的帮助作用，拓宽了学生的视野，也提高了学生对相关问题的兴趣，有助于提高他们的专业竞争力。由于兴趣的作用，采用FLUENT软件进行工程计算的学生的毕业设计得分总体较进行其它课题的学生的得分高约15%。由此可见，在做好本文所提及的三点问题（学生和课题的选择、指导过程中的问题）的前提下，在毕业设计中加入FLUENT软件工程计算相关课题不仅可行，还值得在一定范围内推广。

参考文献：

[1]陶文铨.数值传热学（第2版）[M].西安：西安交通大学出版社，2001.

[2]姚征，陈康民.CFD通用软件综述[J].上海理工大学学报，2002，24（2）：137-144.

[3]韩占忠，王小敬，兰小平.FLUENT流体工程仿真计算的实例与应用[M].北京：北京理工大学出版社，2004.

作者简介：

张源（1983.10-），男，博士，江苏大学能源与动力工程学院讲师，主要从事相变蓄能建筑围护结构热性能研究。

王谦（1968.02-），男，博士，江苏大学能源与动力工程学院院长，教授，博士生导师，主要从事动力机械燃油喷射与燃烧理论及技术研究。