CFD在本科教学中的应用_以传热学为例.pdfVIP

2009 年第 10 期（下半月刊） CFD 在本科教学中的应用——— 以传热学为例 邓权威 刘欣华* [摘 要] 本文通过对导热、对流、辐射三种传热现象分别进行 CFD 模拟，直观展示传热规律， 对传热学理论教学形成有益补充。教学实践表明 CFD 模拟能有效增强学生学习传热学的兴趣，并提 高其主动性和创造性。 [ 关键词] CFD ；传热学；导热；对流；辐射 传热学是研究热量传递规律的科学，是现代技术 入了一个快速应用的阶段，正如十几年前的计算机技 学科中主要的基础学科之一。传热学主要内容包括导 术，虽然其本身研究起来依然很困难，但在应用层面 热、对流、辐射三种传热方式以及传热过程。其传热 上，却容易得多。从中南大学（2004 年）和河南理工 规律往往采用偏微分方程表示，教会学生正确理解基 大学（2007 年）将数值模拟引入到本科传热学教学的 本规律和公式较为困难。对流部分的大部分传热问题 实践来看，此方法获得了学生的普遍认可，学生的积 由于理论求解存在困难，能求解的个别问题求解过程 极性和主动性明显提高，不少学生主动要求加入到教 也是相当复杂，因而通用传热学教材中都是采用经验 师的科研活动中去。传热学后面确实还有高等传热学、 公式，这些缺乏理论支撑的经验公式一方面很容易使 数值传热学等课程，但这两者可以有不同的界限，分 得本部分的教学变得枯燥而乏味，而另一方面学生普 属于不同的层次，本科传热学的数值模拟主要强调在 遍不知道该如何利用这些知识解决实际问题（最多是 应用层面，也就是识其然，着重提高学生学习的兴趣 会直接套用公式），这些使得教与学陷入两难境地。本 和培养运用工具解决简单问题的能力；而研究生传热 68 文基于计算流体动力学方法 CFD （Computational Fluid 学数值模拟则应强调在更深一层的研究层面，也就是 Dynamics），对一些传热现象进行数值求解，建立传热 识其所以然，着重解决处理复杂实际问题的能力。 学数值模拟实例，直观形象地展示传热规律，既增强 二、CFD 模拟在传热学中的应用实例 学生学习的兴趣与动力，使其从枯燥的灌输中解放出 在讲授了导热、对流、辐射基本理论之后，为了 来；又能在动手模拟中加强对传热基本概念、规律的 加强学生对基本理论的理解，分别对一维导热、 二维 理解和掌握。 自然对流、 二维自然对流与辐射结合三个方面进行 一、CFD 应用于传热学本科教学可行性分析 CFD 模拟。 近些年，国际传热领域的科研论文主要集中在对 （一）一维稳态导热的数值模拟 流传热的研究，其中 CFD 数值模拟占据较大比重，譬 如：International Journal of Heat and Mass Transfer 与 Numerical Heat Transfer 等传热顶尖期刊每年都有很多对 流方面的 CFD 数值模拟方面的论文发表。本科传热学 的一些现行通用教材则明显对这部分重视不够，基本 上都是导热部分稍微提到了数值解法。在现行高校的 本科传热学教学教改中，一些教改论文都或多或少的 提到将数值模拟适当引进到传热学的教学中，但大部 分仍停留在理论上可行阶段，实际应用比较少。原因 可能是多方面的，一部分人认为数值模拟本身是一门 涉及高等数理方程的复杂学问，本科生难以接受；另 外一部分人认为数值模拟应该是研究生的课程，传热