管內充分發(fā)展流動與傳熱數(shù)值模擬的教學方法探討1)

毛宇飛 上官燕琴 肖 洪

(河海大學機電工程學院，江蘇常州 213022)

筆者多年來從事能源與動力工程專業(yè)的本科教學工作，在指導學生進行本科畢業(yè)設計過程中，發(fā)現(xiàn)學生學習了流體力學、工程熱力學和傳熱學等專業(yè)基礎知識，也學習了計算機編程語言，但在將程序設計應用于工程計算這方面卻掌握得非常薄弱。因此，筆者結合教學實踐和研究方向，給本科學生開設了一門專業(yè)提升課程——熱工計算與程序設計。與本科引入計算流體力學（computational fluid dynamics，CFD）軟件教學[1]不同，該課程要求學生針對流體力學、熱力學和傳熱學領域的一些典型算例，進行數(shù)學建模、程序設計及計算分析。通過該課程的學習，訓練學生編寫MATLAB 程序，將流體物性計算、物理過程數(shù)值計算、數(shù)據(jù)處理及圖像繪制設計成一個整體[2-3]，課程的教學思路與同濟大學付小莉老師的工作[4]有相似之處。

管內不可壓縮流體充分發(fā)展流動與傳熱是一個很常見的工程問題，層流工況時存在理論解析解，湍流工況時存在近似解和經(jīng)典公式，是計算流體力學和數(shù)值傳熱學課程中一個很好的入門算例。目前，學生圍繞該算例進行程序設計和數(shù)值模擬，通常是在研究生階段完成的[5]，這是因為相關計算數(shù)學理論超出了本科生的知識儲備。本文將邊界層積分方法應用于管內充分發(fā)展流動與傳熱的數(shù)值模擬，從而簡化了數(shù)值求解過程；并基于數(shù)值積分和有限差分法（或有限容積法），發(fā)展出適用于層流和湍流工況下管內對流傳熱的數(shù)值計算方法。……