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浅谈数值模拟软件在本科教学中的应用

［摘要］?能源动力专业主要研究能源开发与利用，对热工设备进行设计和测试。该专业学生需要学习能量的转换和利用理论，提高能量利用效率。传热学作为能源动力专业的核心基础课程之一，在学生了解专业内容、架构专业知识体系过程中有着重要的作用。因数学性和逻辑性较强，在传热学理论学习过程中，学生面临着很大的困难。因此，为强化学生对传热理论的理解，在传热学教学中，引入数值模拟方法，将实际的传热问题理论化、模型化，运用计算机进行求解，并利用后处理软件描绘温度场。通过实践证明，通过利用模拟软件对传热问题进行计算和后处理，能够使学生直观地观察温度分布，有助于学生深入理解传热机理，有利于学生对传热学知识的学习和掌握，更有利于培养学生的创新意识和科学素养，激发学生投身科学研究事业的兴趣和热情。

［关键词］?传热学；数值模拟；教学方法

一、引言

数值传热学是传热学与数值计算方法相结合的交叉学科[1]，在探索未知领域和促进科技发展方面有着不可替代的作用[2]，因而，在现有本科生及研究生的传热学教学设计中，已经将数值模拟计算作为一种重要的教学方法。王锁芳在能源动力类研究生的协同培养中提出，在传热学的教学中，增加学生对模拟软件的使用频率，鼓励学生将仿真模拟结果与实验结果相结合，培养学生解决问题的动手能力，锻炼学生思维的转化能力[3]。杜敏和王助良提出将CFD技术引入“数值传热学”教学中，介绍了网格划分技术和湍流模型的选择，并对耦合传热问题进行求解，通过CFD的图显功能解决传热学抽象不易理解的问题，提高了教学质量和效率[4]。向夏楠在课堂教学中引入CFD技术，以网格划分、外掠管束和换热器等几个实践教学案例，提高教学质量，奠定专业课基础[5]。吉昌学院能源与动力工程专业的张红欣等人在课题组以往的教学经验基础上，将CFD技术与现代多媒体技术相融合，对传热学教学过程进行改革，改革后的教学模式极大地激发了学生的学习热情，授课效果得到明显提升[6]。南京工程学院能源与动力工程学院的张喜东等人对CFD技术在教学中的应用情况进行分析和思考，认为CFD技术相较于传统教学手段，具有直观呈现教学知识点、使用成本低、充分调动学生学习积极性等优点，实现从掌握利用理论知识到解决实际问题的过渡，加深学生对传热过程的理解，提升教学效果[7]。姚玉和吴逸飞在传热学的教学中新增CFD技术对航空发动机热端部件的应用，引导学生构建模型、设定边界并计算和分析结果，既锻炼学生软件使用能力，又加深学生对发动机部件冷却机理的理解，更加明确传热学的学习目标[8]。邓权威采用CFD对导热、对流和辐射三种传热现象进行模拟，通过得到的模拟图像来增强学生对传热理论的掌握，既增强学生学习兴趣，也培养学生的创新能力[9]。柏静儒分析了CFD教学的优势，并模拟了流体横略管束的对流换热过程，给出直观的速度云图和温度云图，加深学生对对流传热的理解[10]。王小静将流体力学和传热学课程内容进行结合，利用CFD技术和流动与传热的工程项目的结合，开展“线上+线下”混合教学模式，培养学生分析和解决实际工程问题的能力，提升学生知识和技能的核心竞争力[11]。

本文根据前述的CFD技术在传热教学中的应用，在理论讲授中将CFD技术与导热理论知识相结合，课堂演示导热模型的建立和边界条件的设定，并根据课本知识点改变导热系数，得到不同导热系数条件下导热模型内部的温度分布，并将得到的结果进行对比，直观展示导热系数对物体内部温度分布的影响。

二、传热学学情分析

本专业的传热学课程安排在大三上学期，在传热学学习之前，学生已经学习过高等数学、大学物理、能源与动力工程专业导论、工程热力学等基础课程，基本掌握微分方程、积分方法和各种函数及图线的绘制，对能源动力领域内常见的热工设备具有一定的了解，已经完成传热学的理论知识和技能储备。但是，对于“传热”这一现象，日常生活中虽常见，要以数学思维建立传热模型，会给学生带来心理认知和思维转换的困难，学生在学习过程中容易產生“畏难”“厌学”的心理。此外，本专业主要就业方向是电厂和制冷方向，后续课程锅炉原理、换热器原理及设计以及毕业设计都需要基于传热学基础理论知识开展教学。夯实传热学的基础，有助于后续课程教学的开展，增强学生对专业课的学习信心，提高就业核心竞争力。

三、传热学的课程地位及特点

传热学与流体力学、工程热力学并称为能源与动力工程专业的三大基础课，一起构成能动领域的理论知识结构。传热学对于本专业学生而言，是日后开展工程实践的理论基础，是培养创新意识和创新能力的基石，因而，学好传热学对于本科生及研究生的意义重大。

传热是一种常见的日常及工程现象，但是对于传热的机理研究却相当复杂。为了能够客观地描述传热过程，传热学中引入了质量、能量和动量的守恒方程，同时还设定相关的边界作为求解方