流動與傳熱數值計算教學實踐中的幾點體會

錢琳+王利軍+齊聰

摘要：流動與傳熱數值計算是借助于計算機用數值計算方法研究流動與傳熱問題的一門學科，它是能源與動力工程專業的一門專業選修研究性課程。本文從教材的選擇和案例的補充、課堂教學的組織、實踐環節的配合以及分組過程考核與論文考核機制的實施等多個方面，結合自身教學實踐進行了探討，以提高本課程的教學質量，實現教學目標。

關鍵詞：流動與傳熱；數值計算；教學實踐

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）38-0218-02

流動與傳熱數值計算是借助于計算機用數值計算方法研究流動與傳熱問題的一門學科，它是能源與動力工程專業的一門專業選修研究性課程。能源與動力工程關系國計民生，是國家經濟、社會發展和人民生活的重要基礎產業。流動與傳熱問題是能源與動力工程各方向工程領域中必然會遇到的問題。如何解決這些問題，除了依賴于理論分析以及實驗研究外，隨著計算機技術的迅猛發展，數值計算方法正發揮著越來越重要的作用。流動與傳熱數值計算這門課程的掌握對于能源與動力工程拔尖創新人才的培養至關重要。

通過該課程的學習使學生掌握數值計算法的基礎理論，掌握數值計算法求解流體力學、傳熱學問題的基本思路，并熟悉商業數值計算軟件求解流動與傳熱問題的基本應用。培養學生對工程實際中流動與傳熱問題進行模擬和分析的能力，提高創新意識，以達到學科專業對畢業生知識結構要求和解決復雜工程問題能力要求的培養目標。該課程涉及廣泛的流體力學和傳熱學的理論知識，對數學知識要求高，需要大量的數學推導，具有高度的抽象性、嚴密的邏輯性、廣泛的應用性。學生在學習過程中較難理解、疲于掌握抽象的數學方法，往往學習積極性不高，學習效果也不好，學習完基礎理論后，對實際流動傳熱問題進行數值計算仍然無從下手，無法學以致用。如何解決課程難度大、學生掌握困難和實現課程培養目標之間的矛盾，是從事該課程教學的高校教師必須思考的問題。作者經過幾屆學生的教學實踐，總結了流動與傳熱數值計算教學實踐中的幾點體會。

一、依據教學目標、培養方案，選擇合適的教材，構建課程體系

教材是教學的重要載體，根據這門課程的教學目標，結合課程的特點，選擇合適的教材非常重要。以合適的教材為理論基礎，結合實際工程數值計算應用案例，構建完整的課程體系，再穿插最新科研成果，開闊思路、拓寬視野，使學生能夠很好地掌握課程內容。目前，商用數值計算軟件學習的參考書有很多，內容重點在于數值計算軟件工具的操作使用，操作實踐性很強，但理論性欠缺。而經典的計算流體力學、數值傳熱學領域的教材，理論體系完整，理論復雜程度、深入程度均超出了本科教育的范圍，一般作為研究生的課程教材來使用。因此需要選擇難度適中，兼顧理論體系完整，同時具有工程實踐應用性的參考教材。本課程選用陶文銓編著的《計算流體力學與傳熱學》，在此理論基礎上結合商用數值計算軟件FLUENT中的算例來安排課程，算例的選擇依據流體力學傳熱學理論，并兼顧能源與動力工程的各專業方向。參考教材包括王福軍主編的《計算流體動力學分析——CFD軟件原理與應用》、陶文銓編著的《數值傳熱學》等。

二、合理組織教學過程，提高教學質量，鍛煉學生綜合能力

1.加強與學生的交流互動，提高教學效果。當代大學生的個性和自我意識強、集體意識和紀律性較弱。在教學過程中，采用開放性的教學思路。從第一堂課就介紹課程的教學內容、教學目標、上機實踐安排、課程考核辦法，使學生對課程有全面的認識。結合課程考核辦法，從出勤、課堂紀律、作業要求、上機要求等方面提出要求，與學生制定規則，無規矩不成方圓，要讓學生嚴格遵守各項規章制度，以保證課堂教學的效果。建立便捷的溝通交流渠道，例如班級QQ群，給予學生聯系方式，及時與學生溝通教學過程中的問題，保證教學成果在課堂之外的延伸鞏固。

2.結合工程實際案例，突出課程重要性，提高學生學習興趣。本課程具有很強的工程應用性。在緒論時就提出一些工程實際問題，引導學生積極思考，使他們能夠積極參與到發現問題、解決問題的過程中，建立良好的研究學習氛圍。采用引導式的教學方法，引導學生各抒己見，采用不同方法的解決問題，拓寬思路。通過對各類方法的分析比較，認識到數值計算方法的重要性。詳細介紹某一典型工程實際案例，結合數值模擬的動畫結果，直觀地讓學生了解到抽象的數值計算方法解決實際工程問題的強大優勢，以提高學生的學習興趣。涉及流動、傳熱現象的工程問題，幾乎都可以通過數值計算的方法來進行模擬分析，通過展示各類工程實際數值計算結果的圖片、動畫，如水輪機、泵和風機等流體機械內部的流動、機翼擾流、固體燃料電池散熱、鍋爐煤燃燒、多相流流動等，以加深學生對于課程應用廣泛性的認識。

3.理論聯系實際，結合計算實例，提升課程教學質量。建立正確、完善的數學模型是數值模擬的出發點，要求學生掌握較強的流體力學、傳熱學知識。劃分計算網格，結合區域離散化的理論內容，介紹Gambit、ICEM等網格劃分工具，對工程實際對象，如換熱器，進行網格劃分。及時地將理論聯系實際，在鞏固理論知識的同時，掌握其應用。建立離散方程，求解離散方程均為數值方法，詳細介紹離散方程的有限差分法、有限體積法、有限元法以及求解離散方程的各類算法。為了便于學習和理解，結合簡單的流動傳熱問題的例題，對計算方法進行詳細的解釋和推導，布置課后作業，以此鞏固教學內容。課程中適時穿插國內外數值模擬文獻中最新的研究成果，介紹新的模型、算法，使學生了解數值計算的最新研究現狀。采用多媒體教學法，介紹商業數值計算軟件FLUENT，采用FLUENT對所學例題進行數值計算，使學生能夠快速直觀地領會采用FLUENT進行數值計算的基本過程。將各個領域的較為復雜的流動傳熱問題的FLUENT計算成果展示給學生，作為算例，鼓勵學生課后自己動手去解決這些算例中的問題。

4.加強教學實踐，鞏固教學效果。中國礦業大學的前身是1909年創辦的焦作路礦學堂，是礦業學府中辦學規模最大、辦學實力最強、學科體系最全的高校。能源與動力工程專業作為學校的重要學科，擁有能源與動力工程實驗中心及省級學科綜合訓練中心。其中計算流體力學（CFD）中心，是蘇北地區唯一獲得美國ANSYS公司授權的技術服務中心。本課程設置有8個學時的上機實踐，作為課程教學的重要組成部分穿插在教學過程中。通過具體的算例培養學生分析問題、求解問題的能力以及對數值計算軟件的操作應用能力。在上機操作中，確保人手一臺電腦，保證每個學生完成算例的實踐操作。在操作過程中遇到任何問題，教師都要及時給予解答。對于學有余力的學生，鼓勵他們嘗試采用不同的模型、算法來進行模擬計算，從而使其更深刻地理解各類模型、算法；鼓勵他們深入分析模擬結果。

5.培養學生利用文獻的自學能力、發現問題解決問題的能力，培養團隊合作學習能力。本課程設置過程考核，采用分組考核制，2—3名學生一組，自由組合；每組學生完成給定的實際工程流動傳熱問題，按組提交數值計算成果。學生需要分工合作，查找相關文獻，分析數值計算的思路、方法，應用數值計算軟件完成模擬計算，并給出分析結果。如此，學生的自學能力、團隊協作能力均得到了鍛煉。課程最終考核采用論文考核的方式，要求學生自己提出一個關于流動傳熱的實際工程問題，并用數值計算的方法解決，最終形成正式的研究性論文。通過論文的撰寫，鍛煉了學生發現問題、解決問題的能力，培養了學生運用所學知識自主分析問題的能力，也訓練了他們對論文的撰寫能力，以便為將來畢業論文的撰寫打好基礎。

三、結語

《流動與傳熱數值計算》課程理論性強、應用性強，學生掌握難度大。通過幾年的教學實踐，從教材的選擇和案例的補充、課堂教學的組織、實踐環節的配合以及分組過程考核與論文考核機制的實施等多個方面進行努力，提高教學質量，保證教學效果，以實現培養學生解決復雜工程問題能力的教學目標。本文是作者在教學實踐過程中的一些體會，如何更好地上好這門課程，還需要堅持不懈的探索與實踐。

參考文獻：

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