将仿真工具引入工程热力学和传热学课程教学中的探索与实践

邵 雪，赵 薇，刘 峥，于 戈

(辽宁工业大学 土木建筑工程学院，辽宁 锦州 121001)

面向辽宁省社会经济发展和行业的转型升级，围绕辽宁工业大学“省内一流高水平应用型大学”的办学定位，建筑环境与能源应用工程（简称“建环”）专业建设瞄准科技前沿和建筑行业转型方向，纳入行业新发展、新技术、新手段，以满足应用型专业人才培养要求。

仿真是以相似性原理、信息技术、数学计算及相关领域的有关知识为基础，利用物理或数学方法来建立模型，以计算机为工具，利用物理或数学方法建立虚拟模型，对真实系统进行试验研究的一门综合性技术[1]。它寻求过程的规律，研究系统的动态特性，从而实现认识和改造实际系统的目的[2]，具有很高的科学研究价值和巨大的经济效益，可解决大量实际工程问题。应用较多的为计算流体力学Ansys 仿真技术，其可以辅助工程师快速解决设计难题，减少周期，降低成本，且已进入企业研发部门和建筑设计部门，被广泛应用于概念设计、详细设计、样机运行、样机改进四大阶段，目前已成为产品设计流程的基本要素。

为了推进培养适应行业、产业需求、具有创新能力、高水平、应用型人才[3]，一些工科院校也逐渐认识到仿真工具的重要性，并且明晰了用人单位的岗位职责和任职要求，同时工科专业教师也意识到其在教学中的重要意义，领悟其对理论联系工程实际的重要性，逐步将其推广到本科课程的教学中。但是从目前来看，Ansys 的引用多是在本科高年级的学生中以团队、小组开展工程项目研究的方式进行的，其未进入课堂，可见，Ansys 应用于课程的教学效果不理想。而课堂是教学活动的主阵地，具有推广范围大、普及性强的特点，将Ansys引入两门专业基础课程，能够践行我校建环专业以学生为中心、成果为导向、持续改进的人才培养理念[4]，构建强化工程实践能力培养的课程体系、实践教学体系和创新教育体系，推动专业建设的内涵发展。

一、引入仿真工具的必要性

（一）将理论图像化，加强学生的理解

美国当代著名教育心理学家、认知心理学家与实验心理学家理查德·迈耶[5]认为：“给学习者呈现教学信息时，语音和画面是设计者可利用的有效方式”。

“工程热力学”是研究热、力等能量相互转化的一门学科，内容包括：能量工质性质、能量转化过程和方向、能量转化设备、能量传递系统流程。学生普遍认为，整个课程理论性强、系统较分散、教学案例抽象，热力计算得出的结果仅仅是数值。“传热学”是研究热量传递规律的学科，内容包括：固体导热、流体换热、辐射换热、流固耦合传热等不同类型传热方式，传热过程复杂多变，学生很难掌握多种类传热的应用，不能说明计算出来的结果的意义，得出的温度数值、压力数值、能量数值仅是静态参数，无法形成完整流场。可见，“工程热力学”和“传热学”作为理论公式较多、基础性较强的课程，如果将数字转为图像，由点连成片，由面连成体，利用仿真工具作为辅助，发散学生思维，可以使学生在理解吸收教材知识的同时培养其想象力和创造力。所以，在教学中，将抽象的、理论性强的理论知识转化成形象、直观的图像来讲解是行之有效的方法。

（二）提高学生兴趣

Ansys 是实验的补充，涉及多方面的工业领域，例如评估空调房间内部的空气流动，以了解风口布置、风速、温度对人体舒适性的影响；评估建筑保温材料的保温性能，以了解对北方地区减少的耗煤量而达到的经济效益；评估电脑、手机等电子产品冷却方式和冷环境下的待机时间等。利用身边的实例激发学生的学习兴趣，同时把握授课良机，适当引入仿真案例，使学生明白所学知识点在行业的用途：一是，利用模型+游戏，使案例教学更简易；二是，结果直观+创意，使热力计算教学不费时；三是，数值计算获得变工况热力性能变化趋势，减少计算工作量；四是，将专业知识转成动画，使学习两大专业主课的学生不再感到困难。

（三）培养创新创业能力

就业难是大学教育以及社会发展客观存在的问题，创新创业教育是实现就业的载体。创业，是捕获机会并由此创造新颖的产品或实现其潜在价值的过程；创新，是以新思维、新发明和新描述具体特征的一种过程。为了推进大学生创新创业能力的培养，学生从大二开始参加学校定期举行的大学生创业计划大赛、创新创业训练计划、创新创业竞赛等活动。整个大赛理念是倡导学校和企业两个知识生产主体共同参与知识生产全过程的产品型合作模式。这就要借助仿真工具这个载体来实现，开展现场调研—数据采集—模型搭建—结果分析—预测过程等工业设计产业链型研发小团队协作，凸显大学生创新创业的本领，为大学生创新、就业、创业助力。

二、将仿真工具引入课程的难点和解决方法

Ansys 是目前应用性最广、推广性最强的一款计算机软件。仿真工具从本质上来说是大型计算器，使用电脑代替人脑，运用复杂的数学公式进行大量计算。Ansys 内含多组数学方程式及函数数据库，采用有限体积法以及全隐式耦合网格求解，在计算机中对控制方程式进行求解，从而可以预测流场的传热与流动。虽然此内容是“传热学”数值解法中的一个章节，但引入时是从有限差分理论本质上剖析实例，再加上有限元理论，这对于本科生而言是非常繁琐的。

以Ansys 操作和结果展示为主要教学目的，针对以上难点解决的方法是：（1）利用学生大一、大二所学的数学方程中的积分方程、微分方程和偏微分方程进行解释与分析——积分是由部分求整体、微分是将整体分隔为部分求解、偏微分方程是部分的未知量二次求解；（2）为了方便学生操作，仅需要下载Ansys-Fluent 和Ansys-Workbench 两个模块；（3）按照教学内容选取最适合的章节，典型的工质流动和传热的典型案例作为仿真实例，如：“工程热力学”——节流阀、“传热学”——稳态导热；（4）将案例求解精简为三个步骤：提出问题、化简问题、解决问题；（5）简化软件操作为一条流程主线：几何建模—网格划分—求解计算—后处理，完成这几个步骤就可以了，其中几何建模部分可以把机械设计基础、建筑设备CAD 技术、工程制图等课程贯穿进去。这样一来，既提高了学生综合能力，同时一人一机，也培养了学生实际动手解决问题的能力。

三、课程中引入仿真工具的教学案例

（一）应用ANSYS-CFD 分析“工程热力学”教学案例

绝热节流：绝热节流是教学授课重点，很多高校把此章节内容作为考研知识点，大部分学生的解决办法是死记硬背，不明白流动的原理。以教材例题为案例，简要建模，依据给定条件设置案例边界条件，计算得到云图（见图1），学生们通过数值验证了当流体通过绝热节流原件时，面积突然缩小，局部阻力损失就会变大，这会出现压力下降、熵增加、焓近似相等典型不可逆过程。通过颜色（红色代表热，对应高的数值，蓝色代表冷，对应低的数值），学生进一步明确了流体从进口到出口的整体变化趋势，与教材中如图2所示的参数变化值进行比照

图1 节流阀内各参数云图

图2 节流阀参数沿轴向变化的示意图

（二）应用ANSYS-CFD 分析“传热学”教学案例

三维稳态单方向导热：“传热学”的授课顺序为导热—对流换热—辐射换热。导热是传热之首，决定学生传热思维的建立。Ansys 模拟三维稳态单方向导热问题，给定上下两个面不同受热温度（见图3），计算得到两个面渐层的温度分布情况（见图4），使学生明白了不同材料的导热系数、传导方向厚度以及温差三个参数之间的关联，验证了热传导的动力是温差，传导的厚度、材质是过程的阻力，而实质是热量的转移的能量传递原理。

图3 边界及材料设置条件

图4 单方向传导温度分布云图

四、结论

Ansys应用于建筑环境与能源应用行业是大势分析，验证了节流阀是一种耗功元件，在实践和实验中利用阀门来调节压力和控制流量是有用的。所趋，是建筑能源领域一个重要的工具。为了使大学生就业能力与用人单位的用人期望相匹配，将仿真工具引入课程教学势在必行。针对本科生难以领悟到仿真有限元理论本质的问题，教师需更新教学手段、教学内容和教学方法，结合学生特点进行选科教学、适时引入仿真工具、挑选案例、简化流程、分析结果等一系列教学路线改革。利用一人一机，激发学生的主动性；通过有限元学习，提高学生的数学计算和物理分析能力；通过软件学习，使学生掌握一款仿真工具的使用，培养学生利用信息技术工具对理论知识点进行预测和模拟的能力；通过案例演练，使学生具备对教材中的例题进行计算与分析的能力，培养学生工程热物理思维，使学生的热分析和热设计综合能力有所提高，并为后续课程的学习打下良好基础。