基于《新能源汽车电池散热系统数值模拟》案例启发的《传热学》教学改革

摘 要：传热学是研究热量传递过程的科学，在工程技术领域有广泛的应用。然而传热学知识覆盖面广、公式较多，对于生活经验不足和工程背景知识较为欠缺的学生而言，学习难度较大，导致学习动力不足。针对该问题，本文依托日常生活中常见的新能源汽车动力电池散热问题，开展传热学的课堂教学改革。提出了以案例式启发的教学方法改革，结合传热过程进行理论分析并建模，通过数值计算方法对传热过程进行模拟，建立及时反馈，从而验证学生的学习成果，形成互动式教学。从计算结果出发，对新能源汽车动力电池的散热过程进行可视化及结构设计，以提升其传热效果，最后通过实验研究测试设计系统的效果。通过上述过程，使学生更好地掌握传热学的基本概念、原理和方法，为理解热传导、对流换热等传热理论的内涵及其在工程中的应用提供了很好的案例，避免了传统教学中填鸭式教学方法，显著提高了教学效果。

关键词：传热学 模拟计算 动力电池散热 互动式教学

1 绪论

近年来，随着我国科学技术和新产业的蓬勃发展，科技兴国、人才强国成为我国发展的重要战略，从而对科技人才的专业能力素质和业务水平提出了更高的要求。因此，亟须培养一大批工程科技和产业创新人才，这为高等工程教育带来了重大的挑战和机遇。传统的扩大教学规模、增加专业数量等模式难以满足上述要求，因此需要各高校进行卓有成效地建设“新工科”，从而全面推进复合型创新工程人才的培养。

自然界中广泛存在着热现象及热过程，这些现象和过程都可以用传热学知识进行解释和研究。另一方面，随着工业生产的快速发展和居民生活水平的日益提高，对能源利用效率提出了更高的要求。能源利用过程离不开热能的利用，而热能的利用，80%通过热量传递过程来实现[1]。在能源危机和环境温度的背景下，面向国家的“碳达峰、碳中和”重要战略目标，“传热学”作为经典专业基础核心课程，成为各类工科专业科学技术人才所必备的重要理论知识[2]。在国家重视高质量新工科建设的背景下，“传热学”课程应大力推进工程教育教学改革，全面提高教学质量，全方位提升大学生的创新思维、理论知识和分析解决实际问题的能力。

传热学主要研究温差驱动下以导热、对流和辐射三种方式进行热量传递过程的规律[3]，在能源、化工、环境、材料、航天航空、通信、医学等领域具有广泛的应用。传热学作为能源与动力工程类专业的一门重要的专业基础核心课程，要求学生掌握物理学、微积分、线性代数、工程热力学、流体力学等预备基础知识，同时课程中涉及的大量的案例背景，要求学生对工程技术问题有一定的了解，以加深对其中的理论和工程知识的理解。传热学的特点在于理论与实践紧密结合，具有较强的跨学科性。课程旨在培养学生的创新性思维和解决实际热工问题的能力，通过理论学习和实验实践，使学生能够掌握热量传递过程的特点和规律，以及实际传热过程的综合分析。传热学课程注重培养学生的科学抽象、逻辑思维能力，以及运用常用工质物性表、诺谟图等分析热量传递过程的能力。通过传热学课程的学习，学生将具备综合分析实际传热问题的能力，能够从实际问题抽象为理论数学方程，并运用相关理论分析和解决实际热工问题。

传热学课程具有数学公式较多、知识覆盖面广、内容相对分散，理论性较强等特点。传统的传热学教学主要依赖于课堂教学和课本学习，学生往往缺乏将理论知识应用于实际问题的机会，照本宣科式的填鸭式教学方式也容易使课堂教学变得乏味，难以激发学生的学习兴趣。从往年几届《传热学》课程学生的学习效果来看，往往期末考试成绩出现两极分化的现象，尤其是部分学生对传热学基本概论理解不到位、对理论公式记忆不清晰，因而无法灵活应用传热学理论分析热量传递现象，影响了学生的学习积极性和教学效果。为了解决上述问题，结合当前科研和工程应用中的新案例进行讲解，并利用计算机数值模拟方法让学生对实际问题进行快速求解，从而让学生在短时间内检验自己所学习的知识在实际生活中应用，解决生活中的实际热工问题，并结合理论知识进行调整优化，调控热量传递过程，实现学以致用。在模拟计算中采用了量纲分析方法提取主要影响因素、忽略次要因素，是锻炼学生工程思维能力的一种重要途径。结合数值模拟的新案例教学方式，既可以让学生深刻体会到传热学在生活和工作中的重要性，同时也可以让学生了解到当前的前沿科研技术问题，提高学生的学习动力和学习兴趣，增强学生对专业的认同感和自豪感，实现科研反哺教学，有助于提升教学效果。

2 传热学教学现状

传统的传热学教学主要侧重于理论知识的传授，而忽视了学生实践能力的培养。教学内容与实际工程需求之间的脱节，限制了学生创新能力和实践技能的培养。在传热学课程的教学反馈中，学生普遍反映课程的数学公式多、推导复杂、理论深、难度大，难以很好地激发学生的学习兴趣。因此，传热学的教学课堂普遍存在学生学习兴致不高、主动性较差、教学效果不佳等问题。

通过总结团队多年来的课堂教学实践和教学理论，提出了基于案例启发的《传热学》教学改革。首先，案例选取与时俱进，从当前关乎国计民生的科研和工程案例出发，力求做到具有代表性和应用性，从导入环节激发学生的学习兴趣；其次，案例的难度应适中合理，其解析过程应符合学生的知识掌握程度，避免超纲以及过多与课程无关的步骤，重点突出传热学课程知识点在其中的作用；最后，案例的解决尽可能实现可视化，使学生亲身感受到，利用传热学知识解决实际问题的成就感，进一步增强学习的自信心，树立工程化思维，培养学生的科学研究思维。结合本人在传热强化技术中多年来的模拟和实验研究，以新能源汽车中动力电池为对象，以《动力电池散热系统的传热过程数值模拟》为案例进行课程教学，是一种很好的教学尝试和教学改革。

3 案例式课堂教学改革

3.1 案例选取契合时代发展

如何选取合适的案例，是案例式课堂教学改革实施成功的灵魂。在案例的选取过程中，需要考虑学生的知识背景和生活经验，同时也要考虑国家科技发展需求中的高新技术问题，具有一定的挑战性和前沿性。受限空间内的动力电池散热问题是当前限制新能源汽车发展的“卡脖子”问题，关乎人民生活安全，并影响着我国“碳达峰、碳中和”战略目标的实现。因此，以受限空间动力电池散热系统的传热过程为案例，既贴近学生的日常生活，同时也符合当前科技发展热点和前沿。动力电池组是新能源汽车的关键部件，决定其动力性能。动力电池充放电过程的产热是日常生活中的常见现象。然而，如果产生的热量不能及时散走，将导致动力电池组出现温度过高和温差过大的问题。过高的温度会影响动力电池的性能，过大的温差会影响动力电池组的寿命，严重时甚至会造成安全事故，从而威胁人民的生命安全。从新能源汽车出发，引导学生分析动力电池散热系统中的产热规律和散热方式，从热阻的角度分析不同传热方式所占的比例，结合传热学理论启发学生提出改善动力电池组散热性能和降低系统功耗的有效方式。通过该案例，学生充分认识到传热学在生活实践和在科技发展中的重要性。

3.2 案例问题分析促进学生思考

由于教学时长有限，通过计算机数值模拟方法将动力电池散热系统的热量传递过程实现可视化，有助于学生亲身体验如何将课堂上所学习到的传热学知识应用到生产生活实践。通过模拟计算，可以对动力电池内部的热量传递过程进行精确分析，从而设计出更加合理的散热系统。本文以某型号动力电池为例，介绍了模拟计算在电池散热设计中的应用过程。首先，采用小组讨论的形式引导学生分析动力电池的不同散热方式的特点，包括空气冷却、液体冷却、相变冷却及复合冷却技术等，让学生从散热能力、便携程度、安全角度、成本角度和技术难度等角度总结不同散热方式的优缺点，同时给学生讲解不同散热技术在实际动力电池组中的应用场景，最终着眼于空气冷却这一应用广泛、成本较低、系统简单的动力电池散热技术，通过这一过程让学生理解传热学在工业中应用。在此基础上，引导学生分析动力电池的产热过程和冷却系统中的每个区域的传热过程，包括电池的产热量、电池中的传导、冷却工质与电池之间的对流传热等，指导学生通过物理问题建立数学模型，然后利用传热学热阻理论和工程思维分析各个传热过程的主次地位，确定影响系统性能的主要传热过程，最后采用数值模拟的思维解决实际传热问题。以面向方形动力电池的空气冷却系统为例，其物理过程如下：一定流量的冷却空气从进口流入系统，通过动力电池表面时，带走电池产生的热量，使电池的温度和温差始终保持在合适的范围，携带热量的空气最终从系统出口流出。针对上述物理过程的每个热量传递环节，分解建立数学模型：首先将动力电池等效为一个矩形热源，根据动力电池产热与温度、荷电状态等因素，建立一个与影响因素相关的动力电池产热模型；电池中的热量传递为热传导过程，其控制方程为热传导方程，考虑电池的各向异性导热系数；空气与电池之间的热量传递为对流换热过程，其控制方程为连续性方程、动量方程和对流传热方程；空气与电池的截面为无滑移速度边界条件和温度、热流连续边界条件，散热系统边界为无滑移的绝热边界条件。

针对上述数学模型，数值求解步骤如下：采用结构化网格划分动力电池区域和冷却空气得到网格节点，采用控制容积法离散热传导方程、对流传热方程、初始条件和边界条件，得到离散方程组，并采用迭代法求解离散方程组，得到冷却系统中流道流量分布以及电池组温度随时间的变化规律；研究系统中流量分配情况和电池组温度分布的匹配关系，分析流场流型如何带走电池组的热量，探讨存在较大电池组温差的内在原因；进一步讨论并行流道宽度分布和导流板角度等影响电池组温度场和系统功耗的关键参数对电池组散热性能的影响规律，从而得到优选参数提高系统的冷却性能，并降低系统功耗。这一过程激发学生对动力电池散热过程和传热强化机理的思考，并通过互动式的讨论进一步加深对传热学控制方程和基本原理的理解。同时，该案例也可以延伸到学生生活中对新能源汽车动力电池组冷却和维护的思考和理解。

3.3 实验装置搭建验证模拟计算强化传热理论理解

针对本案例中的动力电池散热系统，在实验室内部搭建了与之对应的小型实验装置，验证数值模拟结果的准确性。实验装置上连接的多个热电偶可反映实验过程中各测试点的温度。因此，通过搭建优化前和优化后的两套散热系统实验装置，利用实验结果验证数值模拟结果的准确性；对比系统设计前后同一位置的温度，验证设计系统的优越性，从而进一步加深学生对散热系统强化传热的理解。因此，在课程讲解结束后，鼓励学有余力的学生进入实验室搭建实验系统，采用安捷伦测温仪和热电偶进行测温实验，并记录实验结果；进一步分析实验结果，通过比较优化前后实验系统结果的差异，增加学生的学习成就感，也增强学生利用传热学知识解决实际工程问题的信心及对传热学课程的兴趣。常规传热实验有明确的实验步骤解析及实验分析引导思路，实验数据与结果存在多人借鉴的现象，难以取得令人满意的实验教学效果。而本实验装置为实验室自主搭建，系统结构和运行工况，如电池个数、电池分布方式、电池产热量、系统进出口位置等均可调控，因此可充分调动学生的发散思维能力和加深其对传热学知识的理解，可弥补纯理论较为枯燥且难以可视化的不足，进一步强化了教学效果。

这种授课模式成功培养了本科生的学习积极性，吸引了多名本科生加入本实验室进行科学研究工作，同时积极申报大学生创新创业项目，通过参加创新创业项目，相关本科生申请了发明专利，发表了学术论文，取得了较好的科研成果。

4 结论

在传热学的教学实践中，以动力电池散热系统中的传热过程为案例，引出学生对传热学在新能源汽车中应用的思考，并进一步结合该案例进行热量传递过程分析、数学建模、数值模拟与实验验证。在热量传递过程分析中，注重引导学生运用传热学理论知识分析实际问题的能力；在数学建模阶段，培养学生从传热工程问题的表象建立数学模型的思维能力；在数值模拟阶段，锻炼学生将偏微分数学方程转化为离散代数方程的能力；在实验阶段，培养学生掌握基本的传热学实验器件的使用能力，让学生搭建与物理模型匹配的验证性实验装置，并结合理论知识分析实验结果。该案例是理论知识、数值计算与实验研究相结合的很好的教学案例，可以在有限的教学时间内将一个典型的热量传递过程可视化，将理论知识与生活实际深度结合。通过这一过程，学生形象直观地感受到传热学在生活和科技中的应用。在案例的不同阶段，可对学生的不同能力进行锻炼，实现因材施教。该案例具有很好的科技感和时代感，有利于建立学生对传热学的学习兴趣，促进了学生对热传导和对流传热过程中传热学理论知识的理解，取得了很好的教学效果。未来，可进一步完善案例课件和案例内容，融入人工智能相关理论和方法，进一步提升教学质量。

基金项目：华南理工大学校级本科教研教改项目。

参考文献：

[1]陈群.对流传递过程的不可逆性及其优化[M].北京：清华大学，2008.

[2]卢青波，范宝伟，邵霞，等.“传热学”课程教学改革探索[J].中国电力教育，2024（07）.

[3]杨世铭，陶文铨，编著.传热学（第五版）[M].北京：高等教育出版社.