针对建筑类研究生的计算流体力学课程建构研究

刘京 郭亮 王昭俊 冷红

摘  要：文章结合教改项目的实施，确立了建筑类相关学科计算力体力学研究生课程“为工程服务”和“理论与实践并举”的教学原则，介绍了在课堂教学内容组织、教材建设和实践环节等方面的有益探索和实践。通过推行“项目”考核方法，全面提高建筑类研究生的学习兴趣与教学效果。

关键词：计算流体力学;教学方法;虚拟仿真教学平台;课程考核

作者简介：刘京，哈尔滨工业大学建筑学院教授、博导，研究方向为建筑环境相关研究;郭亮，哈尔滨工业大学环境学院;王昭俊，哈尔滨工业大学建筑学院;冷红，哈尔滨工业大学建筑学院。（黑龙江 哈尔滨 150090）

基金项目：本文系2017-2019黑龙江省高等教育教学改革项目“市政环境虚拟仿真实验教学模式探索”（项目编号：SJGY20170649）的研究成果。

中图分类号：G643     文献标识码：A      文章编号：1671-0568（2019）03-0028-03

随着计算机硬件、软件功能的飞速提升和计算算法的发展，计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，以下简称CFD）目前在所有與流体相关的学科，如物理学、天文学、气象学、海洋学、宇宙机械、机械、土木与建筑学、环境学、生物学等领域内得到了广泛的应用。很多相关学科开设了以CFD为教学内容的研究生课程，积累了大量的教学经验和成果，反过来又推进了计算流体力学的普及发展。[1][2]

CFD模拟越来越受到建筑类相关学术界和工程界的重视。[3]但近年来出现了令人忧虑的趋势，一些CFD使用者只是简单地把CFD商用软件作为“傻瓜型”的计算工具来使用，对CFD的基本理论和应用原则缺乏必要的认识。因此，针对建筑类相关学科开设有针对性的CFD模拟研究生课程就显得十分必要。

一、教学难点

笔者自2009年起为哈尔滨工业大学本部供热、供燃气、通风及空调学科（下文简称“暖通”）开设并主讲“计算流体及数值模拟技术”，2012年起为哈尔滨工业大学深圳研究生院建筑学与城乡规划学科开设并主讲“城市区域热气候与风环境CFD模拟”，自2013年起为哈尔滨工业大学本部建筑学、城乡规划学、风景园林学等学科开设并主讲“建筑物理环境模拟”等研究生课程。教学实践表明，与暖通等工科色彩更鲜明的学科相比，针对建筑类相关学科开设CFD课程存在一些特殊的困难。主要包括：

1. 知识基础差异大。哈尔滨工业大学建筑学及建筑环境与能源应用工程专业的部分本科课程开设情况的不完全统计对比如下：

（1）数学类基础课程。建筑学：文科数学I、II（计96学时）。建筑环境与能源应用工程专业：微积分I、II，代数与几何、概率论与数理统计（计288学时）。

（2）物理类基础课程。建筑学：无。建筑环境与能源应用工程专业：大学物理I、II，大学物理实验（计185学时）

（3）力学类专业基础课、专业课。建筑学：建筑力学与结构、建筑物理（热）（计104学时）。建筑环境与能源应用工程专业：工程流体力学、工程热力学、传热学（计208学时）;其他所有相关专业基础课、专业课（计408学时）。

（4）计算机类课程。建筑学：大学计算机—计算思维导论（计32学时）。建筑环境与能源应用工程专业：大学计算机—计算思维导论、C语言程序设计、暖通计算机应用实践（计136学时）。

（5）制图、设计类课程。建筑学：计1120学时。建筑环境与能源应用工程专业：计56学时。

可以明显看出，两个专业的课程体系完全不同。这意味着暖通学科学生具有更扎实的数理和计算机理论基础，同时绝大多数专业基础课及专业课都在不断强化与建筑环境、设备相关的物理概念和运算能力。另一方面，建筑类相关学科的学生更侧重于培养解决复杂多元的建筑设计问题的能力，艺术、人文气息更为浓厚，但数理及数值计算的理论基础相对薄弱，除了建筑物理课外，对于建筑环境及能源问题的分析更多来自直观感受，缺乏更深层面的知识储备。

2. 课程内容与课时之间的矛盾。由于研究生课程学时总数的限制，笔者承担的“城市区域热气候与风环境CFD模拟”和“建筑物理环境模拟”课程均只有16学时。而CFD模拟作为揭示和预测复杂湍流流动内在规律的学科，本身有着严谨的理论支撑和丰富的实践内涵，相关的教材、文献汗牛充栋，在如此短的教学周期内对CFD进行充分讲解并使缺乏相关知识基础的学生掌握正确的使用方法几乎是不可能完成的任务。如何精心地挑选课程内容，在有限的时间内让学生学有所得，是本课程面临的最大挑战。

二、课程建设原则

1. 为工程服务原则。对于建筑类相关学科的学生来讲，最关心的是如何用CFD手段来解决本领域的工程实际问题，一般不会深入讨论CFD的数值理论以及湍流的内在机理。所以，最重要的是培养学生在进行CFD模拟时所需要的正确的工程概念，对计算流体力学理论的介绍要提纲挈领，能够宏观了解即可，不追求面面俱到。但另一方面，对计算流体力学所依赖的核心理论又不能完全回避。如果完全不讲理论，则学生在将来实际应用时无法对模拟结果进行科学合理的解释和分析。

2. 理论与实践并举原则。目前CFD商用软件在工程界发挥着越来越大的作用，是利用CFD来研究建筑环境问题，提出改善建筑环境设计方法的强有力工具。虽然总体课时极为有限，仍然有必要通过实践环节的有效设置，结合具体案例，让学生初步掌握CFD商用软件的基本操作技巧，以及利用商用软件进行CFD模拟的大致流程，以便于将来的科研工作和工程实际应用。

三、课程建设思路与方法

基于上述课程建设原则，笔者提出了建筑类相关学科计算流体力学课程的建设思路和方法，具体如下：

1. 课堂教学内容组织。课程分为课堂教学和上机实践教学两部分。课堂教学共计13学时，首先是计算流体力学的背景知识介绍，包括增加了少量讲解CFD所必须的本科流体力学知识，如流动性、湍流、绕流阻力等的基本概念，注意教学的深入浅出，用图片、视频等方式提高内容的趣味性。其次，挑选出进行CFD模拟最为关键的知识环节，包括湍流计算模型、网格划分、边界条件、离散方法、迭代求解和误差分析等进行较为系统的介绍。讲解时尽可能做到：①突出主线，如湍流计算模型有很多种，每一种的建模思路和适用性都不尽相同。②淡化各环节的理论部分，如一般CFD教材中，关于离散处理部分会涉及到有限体积法的数学推导、空间和时间微分项中各种离散格式的数学表述和性质分析等，内容比较抽象枯燥。③精选出建筑热环境、空气品质、建筑外环境等前人文献中的经典研究案例，结合之前的学习内容，从问题的导入、CFD模拟过程到模拟结果分析予以较为细致地解读，在有限的教学时间内加强学生对CFD模拟知识的掌握，同时提高对建筑环境问题的分析能力。

2. 教材建设。课程的教学效果在很大程度上依赖于教材的帮助。结合自身的实际教学经验和学生反馈意见，编写了研究生教材《建筑环境计算流体力学及其应用》，由哈尔滨工业大学出版社出版，该教材被列入“十二五”国家重点图书出版规划项目。该书的特点是前半部分对CFD计算原理和计算方法进行了简明扼要的介绍，后半部分通过大量与建筑环境相关的具体案例，系统介绍了利用商用CFD软件模拟的正确操作方法以及CFD在建筑环境领域的应用。

3. 實践平台建设与应用。3学时的上机实践环节在哈尔滨工业大学市政环境国家级虚拟仿真实验教学中心进行。该实验教学中心在借鉴国外经验的基础上，充分考虑国情和专业特点，综合利用互联网、将多屏显示、圆桌体验、可移动终端、人机交互、情境感知等技术手段有机组合，建设成虚拟仿真专用实验场地。其特点是融教室和实验室的角色于一体，营造出以学生为主体，激发主动学习兴趣、强调分工合作、启发与创新并存的新颖虚拟仿真实验教学环境。

4. 课程考核。本课程采用“项目”考核方法。设计了四种典型的建筑环境模拟案例，再加上湍流计算模型、边界条件等的不同组合，可实现一人一项目。学生利用课余时间按3.2节所述教材第4章《建筑环境CFD软件模拟》的详细讲解，在规定期限内完成模拟任务并参考实际项目要求撰写研究报告。学生还可通过虚拟仿真实验教学中心的实验管理平台与任课教师、助教进行在线答疑等互动，进一步提高学习质量。

四、结语

针对建筑类相关学科开设计算流体力学课程是一项具有挑战性的教学探索。由于课程理论性强、概念抽象、教学内容相对枯燥，同时又紧密结合现代计算技术，对学生的计算机软件操作能力要求也较高，对于数理基础相对薄弱的建筑类研究生掌握难度很大。笔者所在教学团队结合自身教学经验及教改项目的实施，在该课程教学体系、教学内容及教学方法、教材等方面进行了有益的改革和实践，同时充分利用虚拟仿真教学平台、加强实践环节，采用“项目”考核办法，全面提高学生学习兴趣，提高教学效果。

参考文献：

[1] 王福军，周凌九，严海军.计算流体力学课程教学改革与实践[J].高等农业教育，2005，（11）： 65-66.

[2] 李强，章大海，许伟伟，周昌静.基于工程实践能力培养的计算流体力学课程教学改革实践与探索[J].化工高等教育，2017，34，（1）： 36-40.

[3] 郭卫宏，刘骁，袁旭.基于CFD模拟的绿色建筑自然通风优化设计研究[J].建筑节能，2015，（9）： 45-52.

责任编辑  郝  婵