1、CFD軟件在傳熱學教學中的應用及淺析“傳熱學”是一門研究由溫度差引起的熱能傳遞規律的學 科， 1 根據熱力學第二定律，只要是有溫差存在，就有熱能自 發地從高溫物體傳遞給低溫物體。 2 而無論是自然環境里，還 是在人類生產技術領域里， 到處都存在著溫差， 所以熱能傳遞現 象在我們生存的世界中廣泛存在。 因此， 作為一門研究熱量傳遞 規律的科學， 傳熱學所涉及的范圍極其廣泛， 成為了人類認識世 界、改造世界的重要工具。隨著科技的進步，新能源、化工制藥、航天航空等領域都在 蓬勃發展，而它們都離不開大量的或簡單、或復雜的傳熱過程。 所以，在當代的高等教育中， “傳熱學”課程不僅是能源動力類 專業主要的

2、專業基礎課，同樣也是建筑環境、化學工程、機械制 造等專業學科的重要課程。 3一、傳熱學課程存在的問題及 CFD技術簡介1.傳熱學教學中存在的問題 傳熱學的教學內容豐富， 因專業所需不同、 所用教材版本不 同，所以側重點也不盡相同， 但通常都包括穩態和非穩態的熱傳 導及其數值解法、 對流傳熱相關理論和計算、 熱輻射相關理論和 計算，以及傳熱過程分析等內容。 我國開設傳熱學的歷史已頗悠 久，廣大教育工作者在長期的教學實踐中總結出了很多有效、 實 用的教學方法。 但由于熱量的傳遞過程比較抽象， 而且通常伴隨 著流體的流動現象，過程復雜多變，學生理解起來往往很吃力。 實驗教學無疑是幫助學生理解傳熱現象

3、的好途徑， 但成本甚 高、操作復雜， 如果實驗設備昂貴笨重則更是根本無法帶到課堂 上來。而且流動傳熱過程往往瞬息萬變， 稍縱即逝的實驗現象不 易捕捉、顯示，這也為實驗教學帶來了一定困難。傳統的粉筆黑 板式教學模式經濟、簡便，但相對古板、靜態，難以將熱量傳遞 現象描述得流暢生動。 新興的多媒體教學是很適合講解傳熱學的 教學方式，但如果沒有專門的配圖、動畫等資源來輔助，也很難 將復雜的流動、傳熱過程表達清楚。所以，急需尋找一種能針對 具體物理過程的演示方法， 為課堂教學提供支持， 以便學生更好 地觀摩、理解傳熱過程。2.CFD技術簡介CFD是 Computational Fluid Dynamic

4、s （計算流體力學）的 簡稱，特指通過計算機的數值計算和數據匯總處理、 圖像顯示等 功能，是對包含有流體流動和傳熱等相關物理現象進行求解分析 的技術。通過CFD技術，我們可以利用計算機來計算、分析并顯 示流動與傳熱現象， 在較短的時間內解決流體力學、 傳熱學問題。 CFD的基本思想可以歸結為：把原來在時間域及空間域上連續的 物理場（如速度場和壓力場），用有限個離散點上的變量的集合 來代替，通過一定的方式建立起關于這些離散點上場變量之間的 代數方程組， 然后通過對代數方程組的迭代求解， 來獲得場變量 的近似值。 4一個完整的CFD模擬過程通常包含如下幾個主要環節：根據 實際情況建立數學模型； 將

5、計算區域離散化； 選擇合適的數值算 法求解；計算結果的顯示與后處理。簡單地說，CFD相當于“虛擬”地在計算機里做實驗，用以 模擬實際的流體流動與傳熱情況。由于其不用搭建實體的試驗 臺，不用購買、制作真實的工程儀器，僅僅把計算機作為工具和 場所，所以相對于傳統實驗研究具有速度快、成本低、操作性強 等優勢。隨著計算機技術的蓬勃發展， 越來越多的科研工作者和工程 技術人員把實驗室搬到了電腦里，用數值模擬方式代替傳統實 驗，取得了理想的結果。如今， CFD在各行各業都有廣泛應用， 大到飛機的外部流場和電站鍋爐內部燃燒、 傳熱過程的仿真， 小 到燃料電池內的化學反應、 人體血管血液流動過程的模擬， 都有

6、 CFD參與其中。目前全世界已有幾十種求解流動與傳熱問題的商用CFD軟件，比較著名的有 FLUENT、CFX、PHOENIC、SIcepak 等，而 FLUENT 是其中較為成熟、使用較為廣泛的一款。FLUENT內置了多種算法（包括非耦合隱式算法、耦合顯式算法、耦合隱式算法），包 含豐富而先進的物理模型， 能夠勝任對各種流體的對流換熱、 固 體或流體間的熱傳導、 熱輻射等復雜傳熱現象的模擬。 而且其操 作界面友好、迭代過程迅速準確、計算結果顯示美觀清晰，無疑 是傳熱學多媒體教學的好幫手。作者基于多年傳熱學教學經驗，希望通過用 fluent 軟件模 擬傳熱過程的方式，在課堂上簡潔、生動地展示傳熱

7、現象，為學 生對流動傳熱過程的理解提供幫助。二、CFD軟件在課堂教學中的應用1.CFD教學模式的優勢與常規的多媒體課件模式 （以下簡稱為“傳統模式”） 相比， 直接用CFD軟件在課堂教學中進行演示（以下簡稱為“ CFD模 式”）有如下優勢：（1）CFD模式使學生產生強烈的“參與感”。在傳統模式 教學中，多媒體課件往往是教師根據教材和教學大綱在課下制作 的，包括思路的整理、教學內容的展示、素材的選取等，都是由 教師一手操辦，再到課堂上宣講。在這種傳統模式下的教學，學 生沒有看到知識點的組織和梳理過程，更沒有親身去參與到其 中，這樣他們往往是在被動地接受知識，缺少參與感。而CFD模式則不然， 它可

8、以直接針對具體的傳熱過程實例， 教師在課下先 畫好模型，在課堂上用 fluent 軟件一步步地設置邊界條件、物 性參數、求解方法。 這樣，例子的求解全過程同學們都能參與到， 該過程是對流還是輻射、 是層流還是紊流、 是可壓縮還是不可壓 縮、是定常還是非定常，同學們都能親眼看到?？梢?，CFD模式可以把知識概念的灌輸， 變成知識脈絡的整理， 這對鞏固學生們 的知識、加深同學們對傳熱流動現象的理解都有巨大幫助。（2）CFD模式能極好地活躍課堂氛圍。在傳統模式教學中，盡 管多媒體課件中有較為豐富的圖片、 動畫等元素， 比粉筆黑板式 教學要多元化得多， 但教師在依靠其授課的過程中， 本質仍是在 照本宣科

9、， 只不過“本”換成了“課件”。 除去教師個人能力因 素來看，只依靠多媒體課件，課堂氣氛難以活躍。在CFD模式中， 對多媒體課件的“依靠”變成了對 CFD軟件的“操作”，教師把 參數的設置過程、 求解的迭代過程、 后處理的顯示過程全部展現 在了同學們的面前。 設置參數時的周密思考， 求解時的緊張興奮， 結果顯示時的成就感， 甚至計算失誤時的小失落， 都會使課堂氣 氛變得活躍、熱烈。（3）CFD模式能有效激發學生對傳熱學的興趣。在傳統模 式教學中， 復雜的公式和抽象的邊界條件只能借助一些相對活潑 新鮮的圖片或簡單動畫來顯示，無法在學生腦中形成感性認識， 更難以把傳熱問題復雜的求解過程“平易化”，

10、 很難激發學生的 興趣。我們知道，對于當代大學生來說，生活中最熟悉的東西莫 過于電腦了， 計算機技術的飛速發展使電腦普及到學生身邊， 新 鮮的、功能強大的軟件是大多數年輕人關注的熱點， 也是強烈的 興趣點。而CFD模式則正是利用flue nt等商業軟件，使相對枯 燥的數學模型變得生動， 把抽象的傳熱現象通過眼前新鮮的軟件 展示出來。 這樣能使學生對軟件產生濃厚的興趣， 甚至會把興趣 帶到課下，在摸索、學習軟件的過程中自覺地加強對傳熱學、流 體力學等基礎課程的學習，把被動接受知識變成主動汲取知識。2.CFD教學模式過程中需要注意的問題作者通過在課堂上對CFD模式的摸索實踐，深切感受到其優 勢，同

11、時也發現了一些需要注意的問題。（1）CFD模式對教師的軟件操作能力要求較高。傳統模式 教學中， 課件是事先做好的， 課堂上只要按照預先的準備來放映 即可，節奏與內容都很容易掌握。但在 CFD模式中，由于教師要 在課堂上當場用 fluent 演示全部求解過程，甚至即興根據所講 的知識點進行建模和求解，所以需要教師對CFD軟件有深刻的理 解和高超的操作水平。（2）CFD模式需要教師具備一定的臨場應變能力。而且課 堂上同學們可能會希望看到更多工況下的模擬結果， 對于這些工 況教師在課前未必會準備得很充分， 不可避免會使教學過程出現 小波折，比如出現求解不收斂、結果偽收斂等情況，這就需要教 師有相應的

12、應變能力， 將這些小瑕疵轉化成活躍課堂氣氛的興趣 點。（3）CFD模式對電腦有一定要求。CFD軟件的求解過程需要 電腦的CPU和內存共同高速運轉，如果電腦狀況很差，處理的模 型比較大、網格比較多，就可能會出現死機現象。這種情況在課 堂教學中真的很掃興， 應該盡量避免出現。 所以需要教室內配備 有相應配置的電腦， 或是由教師自帶性能足夠的筆記本電腦， 以 便順利完成教學。三、教學實例根據傳熱學中外部強制對流傳熱部分， 1 模擬流體橫 掠管束的傳熱過程。外掠管束換熱在各種換熱設備中極為常見， 通常管束的排列有叉排和順排兩種方式。 為幫助同學們理解， 現 假設了如下兩個模型（見圖 1）：溫度為T1=

13、300K的空氣以u=1m/s的速度分別沖刷叉排和順排的兩組管束，管束的溫度均為 T2=700&d=100mms仁s2=150mm 網格事先畫好，在課堂上利用 fluent 軟件對此二維模型進行模擬，展示相應的參數設置（見圖2） o湍流模型選用k- 模 型，氣體的粘度等參數按照相應溫度下的物性設置， 松弛因子用 軟件默認的即可 （若希望加快收斂， 可以將相應方程的松弛因子 調低些）。計算收斂后可以清晰地得到流場的速度云圖 （見圖 3，圖 5）、 溫度云圖（見圖 4，圖 6）、局部放大速度矢量圖（見圖7），非常直觀地展示了兩種排列方式流動、換熱過程的異同。通過觀看、 參與參數的設置過程， 使同學們

14、明確了解決傳熱 學問題的步驟和條件； 而通過計算后得到的這些物理場圖， 可以 加深同學們對空氣流沖刷管束時強制對流傳熱的感性認識。為進一步幫助學生對傳熱過程的理解， 可以將穩態問題轉化成非穩態問題，逐時進行求解。即在求解器中將Steady改成Transient （見圖 8），并設置時間步長（見圖 9），模擬出傳熱 過程中特定時刻的狀態。圖 10-圖 13分別顯示了叉排橫掠管束內 t=0.03s 、 t=0.1s 、 t=0.5s和t=1s時的溫度云圖。從這幾張圖中可清晰地看到叉排 橫掠管束強制對流的換熱過程： 換熱器內原本溫度較高， 當空氣 流入時，由于管子與空氣間存在溫差，二者間發生了熱的傳遞。 流入的空氣逐漸被高溫管子加熱， 而內部原本溫度很高的流場則 被流入的空氣冷卻。 整個過程最終會趨于穩態， 漸漸與圖 4 的穩 態溫度云圖相吻合。最后，用 fluent 進行簡單的后處理，生成兩種排列方式出 口處的溫度曲線圖（見圖 14），疊在一起后便可以看出兩種方 式的換熱差別?？梢姡ㄟ^對傳熱過程的穩態模擬和逐時模擬， 可以把原本 難以捕捉的傳熱過程生動地展現出來， 把抽象問題具體化、 形象 化，大大加深學生對傳熱過程的理解， 激發大家對傳熱學的興趣。四、結論綜上所述，將CFD軟件引入傳熱學課堂教學的教學方式能使 學生更清晰地觀察到流動傳熱現象，