CFD軟件在傳熱學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用及淺析

2016-09-01 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號(hào):G642.421 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1007-0079(2014)29-0043-03

“傳熱學(xué)”是一門研究由溫度差引起的熱能傳遞規(guī)律的學(xué)科,[1]根據(jù)熱力學(xué)第二定律,只要是有溫差存在,就有熱能自發(fā)地從高溫物體傳遞給低溫物體。[2]而無論是自然環(huán)境里,還是在人類生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域里,到處都存在著溫差,所以熱能傳遞現(xiàn)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(guī)律的科學(xué),傳熱學(xué)所涉及的范圍極其廣泛,成為了人類認(rèn)識(shí)世界、改造世界的重要工具。

隨著科技的進(jìn)步,新能源、化工制藥、航天航空等領(lǐng)域都在蓬勃發(fā)展,而它們都離不開大量的或簡(jiǎn)單、或復(fù)雜的傳熱過程。所以,在當(dāng)代的高等教育中,“傳熱學(xué)”課程不僅是能源動(dòng)力類專業(yè)主要的專業(yè)基礎(chǔ)課,同樣也是建筑環(huán)境、化學(xué)工程、機(jī)械制造等專業(yè)學(xué)科的重要課程。[3]

一、傳熱學(xué)課程存在的問題及CFD技術(shù)簡(jiǎn)介

1.傳熱學(xué)教學(xué)中存在的問題

傳熱學(xué)的教學(xué)內(nèi)容豐富,因?qū)I(yè)所需不同、所用教材版本不同,所以側(cè)重點(diǎn)也不盡相同,但通常都包括穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)的熱傳導(dǎo)及其數(shù)值解法、對(duì)流傳熱相關(guān)理論和計(jì)算、熱輻射相關(guān)理論和計(jì)算,以及傳熱過程分析等內(nèi)容。我國(guó)開設(shè)傳熱學(xué)的歷史已頗悠久,廣大教育工作者在長(zhǎng)期的教學(xué)實(shí)踐中總結(jié)出了很多有效、實(shí)用的教學(xué)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(dòng)現(xiàn)象,過程復(fù)雜多變,學(xué)生理解起來往往很吃力。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)無疑是幫助學(xué)生理解傳熱現(xiàn)象的好途徑,但成本甚高、操作復(fù)雜,如果實(shí)驗(yàn)設(shè)備昂貴笨重則更是根本無法帶到課堂上來。而且流動(dòng)傳熱過程往往瞬息萬變,稍縱即逝的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不易捕捉、顯示,這也為實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來了一定困難。傳統(tǒng)的粉筆黑板式教學(xué)模式經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)便,但相對(duì)古板、靜態(tài),難以將熱量傳遞現(xiàn)象描述得流暢生動(dòng)。新興的多媒體教學(xué)是很適合講解傳熱學(xué)的教學(xué)方式,但如果沒有專門的配圖、動(dòng)畫等資源來輔助,也很難將復(fù)雜的流動(dòng)、傳熱過程表達(dá)清楚。所以,急需尋找一種能針對(duì)具體物理過程的演示方法,為課堂教學(xué)提供支持,以便學(xué)生更好地觀摩、理解傳熱過程。

2.CFD技術(shù)簡(jiǎn)介

CFD是Computational Fluid Dynamics(計(jì)算流體力學(xué))的簡(jiǎn)稱,特指通過計(jì)算機(jī)的數(shù)值計(jì)算和數(shù)據(jù)匯總處理、圖像顯示等功能,是對(duì)包含有流體流動(dòng)和傳熱等相關(guān)物理現(xiàn)象進(jìn)行求解分析的技術(shù)。通過CFD技術(shù),我們可以利用計(jì)算機(jī)來計(jì)算、分析并顯示流動(dòng)與傳熱現(xiàn)象,在較短的時(shí)間內(nèi)解決流體力學(xué)、傳熱學(xué)問題。CFD的基本思想可以歸結(jié)為:把原來在時(shí)間域及空間域上連續(xù)的物理場(chǎng)(如速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)),用有限個(gè)離散點(diǎn)上的變量的集合來代替,通過一定的方式建立起關(guān)于這些離散點(diǎn)上場(chǎng)變量之間的代數(shù)方程組,然后通過對(duì)代數(shù)方程組的迭代求解,來獲得場(chǎng)變量的近似值。[4]

一個(gè)完整的CFD模擬過程通常包含如下幾個(gè)主要環(huán)節(jié):根據(jù)實(shí)際情況建立數(shù)學(xué)模型;將計(jì)算區(qū)域離散化;選擇合適的數(shù)值算法求解;計(jì)算結(jié)果的顯示與后處理。

簡(jiǎn)單地說,CFD相當(dāng)于“虛擬”地在計(jì)算機(jī)里做實(shí)驗(yàn),用以模擬實(shí)際的流體流動(dòng)與傳熱情況。由于其不用搭建實(shí)體的試驗(yàn)臺(tái),不用購(gòu)買、制作真實(shí)的工程儀器,僅僅把計(jì)算機(jī)作為工具和場(chǎng)所,所以相對(duì)于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究具有速度快、成本低、操作性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的蓬勃發(fā)展,越來越多的科研工作者和工程技術(shù)人員把實(shí)驗(yàn)室搬到了電腦里,用數(shù)值模擬方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn),取得了理想的結(jié)果。如今,CFD在各行各業(yè)都有廣泛應(yīng)用,大到飛機(jī)的外部流場(chǎng)和電站鍋爐內(nèi)部燃燒、傳熱過程的仿真,小到燃料電池內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)、人體血管血液流動(dòng)過程的模擬,都有CFD參與其中。

目前全世界已有幾十種求解流動(dòng)與傳熱問題的商用CFD軟件,比較著名的有FLUENT、CFX、PHOENICS、Icepak等,而FLUENT是其中較為成熟、使用較為廣泛的一款。FLUENT內(nèi)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(jìn)的物理模型,能夠勝任對(duì)各種流體的對(duì)流換熱、固體或流體間的熱傳導(dǎo)、熱輻射等復(fù)雜傳熱現(xiàn)象的模擬。而且其操作界面友好、迭代過程迅速準(zhǔn)確、計(jì)算結(jié)果顯示美觀清晰,無疑是傳熱學(xué)多媒體教學(xué)的好幫手。

作者基于多年傳熱學(xué)教學(xué)經(jīng)驗(yàn),希望通過用fluent軟件模擬傳熱過程的方式,在課堂上簡(jiǎn)潔、生動(dòng)地展示傳熱現(xiàn)象,為學(xué)生對(duì)流動(dòng)傳熱過程的理解提供幫助。

二、CFD軟件在課堂教學(xué)中的應(yīng)用

1.CFD教學(xué)模式的優(yōu)勢(shì)

與常規(guī)的多媒體課件模式(以下簡(jiǎn)稱為“傳統(tǒng)模式”)相比,直接用CFD軟件在課堂教學(xué)中進(jìn)行演示(以下簡(jiǎn)稱為“CFD模式”)有如下優(yōu)勢(shì):

(1)CFD模式使學(xué)生產(chǎn)生強(qiáng)烈的“參與感”。在傳統(tǒng)模式教學(xué)中,多媒體課件往往是教師根據(jù)教材和教學(xué)大綱在課下制作的,包括思路的整理、教學(xué)內(nèi)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(tǒng)模式下的教學(xué),學(xué)生沒有看到知識(shí)點(diǎn)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(dòng)地接受知識(shí),缺少參與感。而CFD模式則不然,它可以直接針對(duì)具體的傳熱過程實(shí)例,教師在課下先畫好模型,在課堂上用fluent軟件一步步地設(shè)置邊界條件、物性參數(shù)、求解方法。這樣,例子的求解全過程同學(xué)們都能參與到,該過程是對(duì)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(xué)們都能親眼看到?？梢?CFD模式可以把知識(shí)概念的灌輸,變成知識(shí)脈絡(luò)的整理,這對(duì)鞏固學(xué)生們的知識(shí)、加深同學(xué)們對(duì)傳熱流動(dòng)現(xiàn)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(tǒng)模式教學(xué)中,盡管多媒體課件中有較為豐富的圖片、動(dòng)畫等元素,比粉筆黑板式教學(xué)要多元化得多,但教師在依靠其授課的過程中,本質(zhì)仍是在照本宣科,只不過“本”換成了“課件”。除去教師個(gè)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(duì)多媒體課件的“依靠”變成了對(duì)CFD軟件的“操作”,教師把參數(shù)的設(shè)置過程、求解的迭代過程、后處理的顯示過程全部展現(xiàn)在了同學(xué)們的面前。設(shè)置參數(shù)時(shí)的周密思考,求解時(shí)的緊張興奮,結(jié)果顯示時(shí)的成就感,甚至計(jì)算失誤時(shí)的小失落,都會(huì)使課堂氣氛變得活躍、熱烈。

(3)CFD模式能有效激發(fā)學(xué)生對(duì)傳熱學(xué)的興趣。在傳統(tǒng)模式教學(xué)中,復(fù)雜的公式和抽象的邊界條件只能借助一些相對(duì)活潑新鮮的圖片或簡(jiǎn)單動(dòng)畫來顯示,無法在學(xué)生腦中形成感性認(rèn)識(shí),更難以把傳熱問題復(fù)雜的求解過程“平易化”,很難激發(fā)學(xué)生的興趣。我們知道,對(duì)于當(dāng)代大學(xué)生來說,生活中最熟悉的東西莫過于電腦了,計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展使電腦普及到學(xué)生身邊,新鮮的、功能強(qiáng)大的軟件是大多數(shù)年輕人關(guān)注的熱點(diǎn),也是強(qiáng)烈的興趣點(diǎn)。而CFD模式則正是利用fluent等商業(yè)軟件,使相對(duì)枯燥的數(shù)學(xué)模型變得生動(dòng),把抽象的傳熱現(xiàn)象通過眼前新鮮的軟件展示出來。這樣能使學(xué)生對(duì)軟件產(chǎn)生濃厚的興趣,甚至?xí)雅d趣帶到課下,在摸索、學(xué)習(xí)軟件的過程中自覺地加強(qiáng)對(duì)傳熱學(xué)、流體力學(xué)等基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí),把被動(dòng)接受知識(shí)變成主動(dòng)汲取知識(shí)。

2.CFD教學(xué)模式過程中需要注意的問題

作者通過在課堂上對(duì)CFD模式的摸索實(shí)踐,深切感受到其優(yōu)勢(shì),同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了一些需要注意的問題。

(1)CFD模式對(duì)教師的軟件操作能力要求較高。傳統(tǒng)模式教學(xué)中,課件是事先做好的,課堂上只要按照預(yù)先的準(zhǔn)備來放映即可,節(jié)奏與內(nèi)容都很容易掌握。但在CFD模式中,由于教師要在課堂上當(dāng)場(chǎng)用fluent演示全部求解過程,甚至即興根據(jù)所講的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行建模和求解,所以需要教師對(duì)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(chǎng)應(yīng)變能力。而且課堂上同學(xué)們可能會(huì)希望看到更多工況下的模擬結(jié)果,對(duì)于這些工況教師在課前未必會(huì)準(zhǔn)備得很充分,不可避免會(huì)使教學(xué)過程出現(xiàn)小波折,比如出現(xiàn)求解不收斂、結(jié)果偽收斂等情況,這就需要教師有相應(yīng)的應(yīng)變能力,將這些小瑕疵轉(zhuǎn)化成活躍課堂氣氛的興趣點(diǎn)。

(3)CFD模式對(duì)電腦有一定要求。CFD軟件的求解過程需要電腦的CPU和內(nèi)存共同高速運(yùn)轉(zhuǎn),如果電腦狀況很差,處理的模型比較大、網(wǎng)格比較多,就可能會(huì)出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象。這種情況在課堂教學(xué)中真的很掃興,應(yīng)該盡量避免出現(xiàn)。所以需要教室內(nèi)配備有相應(yīng)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(xué)。

三、教學(xué)實(shí)例

根據(jù)《傳熱學(xué)》中外部強(qiáng)制對(duì)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(shè)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(xué)們理解,現(xiàn)假設(shè)了如下兩個(gè)模型(見圖1):

溫度為T1=300K的空氣以u(píng)=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=700K。d=100mm,s1=s2=150mm。

網(wǎng)格事先畫好,在課堂上利用fluent軟件對(duì)此二維模型進(jìn)行模擬,展示相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置(見圖2)。湍流模型選用k-ε模型,氣體的粘度等參數(shù)按照相應(yīng)溫度下的物性設(shè)置,松弛因子用軟件默認(rèn)的即可(若希望加快收斂,可以將相應(yīng)方程的松弛因子調(diào)低些)。

計(jì)算收斂后可以清晰地得到流場(chǎng)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(dòng)、換熱過程的異同。

通過觀看、參與參數(shù)的設(shè)置過程,使同學(xué)們明確了解決傳熱學(xué)問題的步驟和條件;而通過計(jì)算后得到的這些物理場(chǎng)圖,可以加深同學(xué)們對(duì)空氣流沖刷管束時(shí)強(qiáng)制對(duì)流傳熱的感性認(rèn)識(shí)。

為進(jìn)一步幫助學(xué)生對(duì)傳熱過程的理解,可以將穩(wěn)態(tài)問題轉(zhuǎn)化成非穩(wěn)態(tài)問題,逐時(shí)進(jìn)行求解。即在求解器中將Steady改成Transient(見圖8),并設(shè)置時(shí)間步長(zhǎng)(見圖9),模擬出傳熱過程中特定時(shí)刻的狀態(tài)。

圖10-圖13分別顯示了叉排橫掠管束內(nèi)t=0.03s、t=0.1s、t=0.5s和t=1s時(shí)的溫度云圖。從這幾張圖中可清晰地看到叉排橫掠管束強(qiáng)制對(duì)流的換熱過程:換熱器內(nèi)原本溫度較高,當(dāng)空氣流入時(shí),由于管子與空氣間存在溫差,二者間發(fā)生了熱的傳遞。流入的空氣逐漸被高溫管子加熱,而內(nèi)部原本溫度很高的流場(chǎng)則被流入的空氣冷卻。整個(gè)過程最終會(huì)趨于穩(wěn)態(tài),漸漸與圖4的穩(wěn)態(tài)溫度云圖相吻合。

最后,用fluent進(jìn)行簡(jiǎn)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。

可見,通過對(duì)傳熱過程的穩(wěn)態(tài)模擬和逐時(shí)模擬,可以把原本難以捕捉的傳熱過程生動(dòng)地展現(xiàn)出來,把抽象問題具體化、形象化,大大加深學(xué)生對(duì)傳熱過程的理解,激發(fā)大家對(duì)傳熱學(xué)的興趣。

四、結(jié)論

綜上所述,將CFD軟件引入傳熱學(xué)課堂教學(xué)的教學(xué)方式能使學(xué)生更清晰地觀察到流動(dòng)傳熱現(xiàn)象,彌補(bǔ)現(xiàn)有多媒體教學(xué)中存在的缺陷。教師可以根據(jù)教學(xué)計(jì)劃,在課堂上實(shí)時(shí)地模擬穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)的傳熱過程,加深學(xué)生對(duì)傳熱過程的理解。

然而這種教學(xué)方式必然要求專業(yè)教師具有深厚的計(jì)算傳熱學(xué)和計(jì)算流體力學(xué)的理論基礎(chǔ),熟練操作使用數(shù)值計(jì)算軟件的能力,還對(duì)教師的臨場(chǎng)應(yīng)變能力和教學(xué)現(xiàn)場(chǎng)的硬件水平有較高要求。

由于CFD軟件教學(xué)模式具有新穎、靈活的特點(diǎn),所以其能夠得到學(xué)生的喜愛,活躍課堂氛圍,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,是提高教學(xué)質(zhì)量的方法之一,值得廣大教育工作者們繼續(xù)深入研究。

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