流体力学及传热学基础(6篇)
流体力学及传热学基础篇1
关键词：数值计算；教学调查；油气储运工程；能源与动力工程；流动传热
中图分类号：G642.0文献标志码：A文章编号：1674-9324（2016）28-0066-03
一、引言
“流动与传热数值计算基础”其母课程是“数值传热学”。“数值传热学”作为油气储运工程专业的研究生学位课已开设多年，在提高研究生的研究水平、培养扎实严谨的研究作风方面收效显著。另一方面，部分研究生反映“数值传热学”入门之初学习非常吃力，原因在于该课程涉及到的数值算法及其背后的数值求解思想理解起来有难度，而本科阶段由于缺乏相应课程，该类知识并无接触，更谈不上对数值求解思想的理解。因此，造成了从本科升入研究生之初的思维习惯上的跳跃，学习起来较为费力。从“数值传热学”的上述教学效果和反馈来看，有必要让工科本科生接触数值计算基础知识及其在流动与传热问题中的初步应用，为打算继续攻读硕士学位的同学提供一定的衔接知识，使其更好地适应研究生阶段的学习，同时为本科毕业直接工作的同学介绍解决工程问题的另一种思路。“流动与传热数值计算基础”这门课包含两个层次的内容，即数值计算的基础知识及其在流动与传热问题中的应用。城市供暖管道与换热器内的流动与换热、原油的加热管输等，这些专业背景中常见的工业过程或工艺无不与流动与传热过程密切相关[1]。如何从这些工程现象中抽象出控制方程，如何采用合适的数值方法求解方程，如何分析数值计算结果并应用于工程，都是这门课所要讲授的重点内容。这就既需要严谨的推导能力和较强的编程能力，又需要对物理问题的清晰理解。如何在有限的课时内，让学生较好地掌握运用数值计算基本知识来解决实际工程问题的这一综合能力，是这门课程的教学目标。为了分析影响该课程教学质量的关键因素，以便积累经验、持续改进，对学习过该课程的38名本科生进行了问卷调查，试图从学生的反馈中发现问题，从而提出有针对性的教改建议。
二、“流动与传热数值计算基础”课堂教学调查及分析
了解学生的学习动机才能准确把握学生对该课的预期，因此问卷调查首先从学生的学习目的和对课程的预期入手。图1是对学生选修本课程的原因的调查结果。42%的学生是为了能够修满学分，其次是因为该课内容可能会对今后的学习和工作有一些用处（34%），其余24%的学生是因为比较感兴趣和好奇，想多了解一下。也就是说因为该课程对今后的学习工作有用或感兴趣而选修，与为了拿学分毕业而选修的同学大体各占一半，折射出学生“学以致用”的学习心态，即在满足学分要求的现实需要基础上表现出了对课堂知识“能用”的需求。由于有了这一心态和需求，也就不难理解图2反映的学生对本课程的期望。约七成同学期望通过本课程的学习为今后的学习和工作打下良好的基础（占39%）以及运用学过的理论知识解决有实际背景的物理问题（占29%），32%的同学想通过本课程的学习获得满意的分数。综合图1和图2的结果来看，“学以致用”、不学空洞的知识是学生的学习目的和预期。
搞清楚了学生“为什么而学”的问题后，还需要摸清如何教与学才能“学得好”的问题。因此，通过问卷调查让学生回答了他们心目中影响教学效果的因素。从图3反映的调查结果来看，学生认为知识的难度是对该课程教学效果影响最大的关键因素（39%）。这可能是因为大多数同学虽然接触了较多的流动与传热问题（例如油气储运工程专业中的油气管流；能源与动力工程专业中的换热器、锅炉内的流动与传热），但是对于数值模拟方面的基础知识（例如有限差分、有限容积、离散格式、数值算法的稳定性等）以及对编程语言的使用，不甚了了，甚至根本没有接触过，导致产生畏难情绪。针对学生的这一特点，要求教师合理安排授课内容的覆盖范围和难易程度，避免内容太多太难或理论推导过于深奥从而变成纯数学课程。课堂纪律对教学效果的影响最小（5%），说明学生都能自觉遵守课堂纪律，已不构成影响学习效果的关键因素。对教学效果的影响因素还有学生的预习复习程度（32%）和教师的讲课水平（24%）。学生的预习复习程度除了其自身的主观能动性外，教师如何在讲课过程中融入预习复习并调动学生的积极性也很重要，这对教师的授课方式提出了更高的要求。因此就授课方式专门进行了调查，见图4。
图4显示71%的同学认为叙述、提问并辅以适当的讨论和课堂练习是他们最喜欢的授课方式，其次则是叙述与提问相结合的方式（占18%）。选择直接给学生叙述知识的授课方式仅占11%。可见绝大多数的学生（占调查总数的88%）并不喜欢教师单纯地讲授知识点，而是倾向于有互动地学习，这其中大部分学生甚至不仅满足于问答的形式而是喜欢讨论和课堂练习等多样化的教学方式。学生之所以喜欢多样化的教学方式，究其原因可能有以下两点：（1）这种方式能引导学生积极思考和讨论来理解消化新知识，通过课堂练习加以巩固，学习进程由学生和教师共同控制，而不是单一地接受教师的知识填压造成“消化不良”。（2）在这种方式下学习，课堂气氛相对轻松，学生的焦虑感较少，比较容易为大多数学生所接受。这符合建构主义学习理论：学习是学生在教师的协助下建构自己知识的过程[2]。因此，教学方式应注重让学生从自身已有知识结构出发主动建构新知识，而不是被动接受灌输。
教学调查的最终目的是检查教学预期是否实现，从而判断教学质量。因此，问卷的最后让学生从其自身感受出发来评判该课程是否达到了其选课时的预期目标。图5显示82%的学生认为通过该课程的学习基本达到了选课预期目标，更有10%的学生认为完全达到了选课预期目标，反映出通过教学活动较好地实现了教学目标。
三、建议采取的教改措施
通过以上问卷调查，从选课目的和预期、教学效果的影响因素、授课方式等多个方面对“流动与传热数值计算基础”这门新开设的本科生课程的第一轮授课进行了全方位诊断。总体来看，借鉴研究生“数值传热学”的教学经验来进行本科生教学达到了教学目标，教学效果基本满意。但是问卷调查所反映的一些问题值得讨论，归纳如下。
1.设置选课提示。接近半数的学生（42%）选修该课是出于单纯拿学分的目的（见图1），并且一小部分学生（8%）认为通过该课程学习没有达到其选课预期目标（见图5）。通过分析发现这可能是由于学生在选课时对该课程没有详细了解，而上课后发现该课的思维习惯与以往大不一样，并且需要较强的数学基础，再加上选课目标本来就是为了拿学分而不是真正感兴趣，因此出现了不适应和枯燥感。鉴于这一现象，建议在后续开课时，首先注明“本课程需要较强的数学基础，欢迎有志于进一步攻读硕士学位的同学优先选课”等类似选课提示，可能会让学生比照自己的学习目的和预期有针对性地选课，从源头上让选修该课的学生都是真正乐于学习这部分内容的学生，这样学习效果才有可能得到持久稳定的保证。正如高等教育心理学所介绍的：学习动机强，学习积极性高，学习行为好，则学习效果好；学习动机不强，学习积极性不高，学习行为不好，则学习效果不好[2]。
2.把控课程定位。“流动与传热数值计算基础”顾名思义是讲授数值计算的基础知识用以解决具有工程实际背景的流动与传热问题。因此，虽然该课脱胎于研究生课程“数值传热学”，但是不能完全按照研究生课程偏重理论与方法的模式来讲授。本科生对该课程的期望是对今后从事的实际工作有指导作用或者为继续深造读研打下基础，因此应把该课程的定位限于“基础”和“工程”的有机结合。“基础”即指仅仅介绍数值计算的基础知识，而不要涉及过于繁杂的数学理论和推导，例如在这里讲授多重网格这一博士生都很难学会的知识就是不合适的。“工程”即指不仅要介绍数值计算知识，还要体现这些知识在解决工程问题时的作用，例如应讲清楚从某一工程问题如何抽象出控制方程和边界条件而不是直接将这些条件给出。只有将课程准确定位到这二者的有机结合，才能让学生乐于学习这些活知识，才能显示其特色和生命力。
3.精选教学内容。由于课程定位的特殊性，教学内容也要相应进行精挑细选。正如图3所反映的，影响教学效果的关键因素是知识的难度。内容太难影响教学效果和学生的积极性，太简单则失去教学意义。比如在介绍数值计算基础知识方面应重点介绍结构化网格的生成、有限差分法和有限容积法的基本实施步骤、几种常用的数值算法、数值算法的精度速度稳定性分析等，而去除一般数值计算书籍中比较繁难的非结构化网格、高阶组合格式、紧致格式、谱分析、多重网格方法等内容。在介绍数值计算解决流动传热问题时应从油气储运工程和能源与动力工程专业的典型工程问题入手，比如成品油长距离输送管道内的流动应简化为一维模型方程，而不是仅仅给出为了检测算法而人为假设的抽象数学模型（如顶盖驱动流、方腔自然对流换热）。总的原则是去繁就简但要各部分之间有紧密的逻辑联系。
4.提升教学方法。根据问卷调查检测出学生所喜闻乐见的教学方式是叙述、提问、讨论、课堂练习等多种教学方法的综合运用。适度的课堂提问和讨论不仅可以活跃课堂气氛，避免呆板乏味的课堂教学，同时也是激发学生想象力和创造力的有效手段。及时的课堂练习会巩固学生的学习成果。这就要求在讲课过程中不能单一平铺直叙，而是要循序渐进地提出要讲授的问题。每当提出一个新问题时，通过提问启发学生思考为什么会遇到这样的问题，通过师生之间的讨论和学生之间的相互讨论甚至辩论来引导学生辨析各个知识点之间的联系，让学生在学习的过程中变被动为主动[3，4]。每个人的注意力都不可能长时间集中在一件事情上，教师讲得再精彩，学生的注意力也有分散的时候，这就要求讲课时还得注意语言表达和肢体动作，既生动又不做作。
四、思考与感悟
教学是一门将知识与人联结起来的艺术，在本科生中讲授具有工程应用背景的数值计算知识是一种挑战，更需要用心去雕琢每一个细节。认真思考以上教学调查与分析结果，得出几点感悟以供后续教改和设置类似课程借鉴。
1.工科本科生数值计算类课程由于其特殊的群体需求和课时限制，应避繁就简，定位于基础性和工程性。相应地，选材也应重新考量，自成体系。因此，建议根据专业特点专门编写适合于工科本科教学的数值计算基础类教材。
2.综合运用多种教学手段，增强课堂感染力。通过开放式讨论、随堂练习、编程小作业等强化实践性和应用性，让学生真正活学活用。
参考文献：
[1]陶文铨.数值传热学[M].第二版.西安交通大学出版社，2001.
[2]朱文彬，赵淑文.高等教育心理学[M].北京：首都师范大学出版社，2007.
流体力学及传热学基础篇2
【关键词】工程传热学；安全工程；教学改革；跟踪反馈机制
1专业定位及课程教学目标
安全工程专业分为工业安全技术及管理方向和煤矿安全技术及管理方向[1]。工业安全技术是培养熟悉安全科学基础理论，掌握事故伤害及职业病危害预防控制基本知识和技能，具备运用现代安全管理方法开展安全管理工作，控制职业危害、预防职业病的基本知识和能力，在各级政府安全生产监督管理部门、建筑化工等工业企业安全生产管理部门、安全科学研究机构、安全评价和职业卫生评价机构、安全培训机构、劳动社会保障部门、工会组织劳动保护部门等，从事安全生产监督管理、职业病防控、安全技术研究和产品开发、安全工程设计、认证评价和咨询、安全培训等工作，富有创新精神的应用型专门人才[2]；煤矿安全技术及管理是培养熟悉煤矿安全技术及工程基本理论，掌握煤矿安全预测、分析、检测技术和灾害预防措施编制等知识和技能，具备一定的矿井通风和安全工程设计、矿井灾害预防技术，安全检测与监控、安全监察与管理等能力，在各级政府安全生产监督管理部门、煤矿企业部门等，从事安全生产监督管理、职业病防控、煤矿灾害事故预防与控制、安全工程设计、安全培训等工作的高级工程技术与管理人才[3]。为了较好的实现专业分方向和培养目标，国内绝大多数高校安全工程专业都将“工程传热学”作为专业基础课。热现象的有关知识是现代工程技术人才必备的技术基础知识，是21世纪工科各类专业人才工程素质的重要组成部分[4-5]。该课程的教学目标是学生通过本课程的学习，掌握并正确运用热能传递的规律；培养学生的工程意识，并提高学生理论联系实际、分析问题、解决问题的能力，但是目前该课程教学过程中还有一些环节值得去完善。
2课程教学现状
2.1师资力量
《工程传热学》是安全工程专业的必修主干专业基础课程，本课程对于本专业学生能否打好基础至关重要，但是在教学过程中还存在许多问题。从师资力量上看，安全工程专业类的师资来源国内主要是分为三大块，首先是来自于矿业类高等院校安全工程专业的博士，其次是来自于非煤矿山类安全工程专业的博士，还有就是来自于其它综合性大学的公共安全和消防安全方向的博士[6]，这些老师研究更偏向于各自领域的安全方向，对于《工程传热学》课程的理解不够，但是本课程涉及较多热力学基础、导热、对流换热等知识，对授课老师的工程传热学知识储备要求较高。在专业老师理解不深的情况下，他们难以带领学生较好的了解本门课程、拓宽学生的思维、加深学生对于课程的理解，从而导致学生感到课程乏味，影响听课质量。从学生的角度来说，单一的课堂模式[7]、单调的课堂内容难以提起学生学习的热情，另外，授课老师没有从安全工程角度讲解教学内容，让学生误以为热学基础内容与安全工程专业关联不大，对于以后就业并无帮助，导致出现实际操作时动手能力不强。
2.2教学模式
本课程的教学模式主要以传授书本知识为主，以教师为核心，讲解幻灯片为教学手段。课堂缺乏师生互动，老师在讲台上讲解，学生被动听课，缺乏对课堂内容的思考，久而久之，学生会失去学习这门课程的热情，最后导致教学质量不高。工程传热学是一门理论性很强的学科，课堂上迫于课时不够的压力，授课老师将晦涩难懂的公式及简单的推理过程用幻灯片的形式进行展示，又以较快的速度进行讲解，使得学生难以深刻理解书本内容。另一方面，工程传热学不仅要求学生理解书中的重要概念及公式，还要求学生熟悉热工设备的原理及操作，能进行简单的数据分析计算，因此本学科需要学生将理论与实践相结合进行学习。
2.3教学课时安排
为了适应21世纪人才培养的需要，学生学习知识应该更为广泛，在课程种类不断增加的同时，减少了单门课程的课时，本次课程一共有32个课时，分为理论教学（28课时）以及实验教学（4课时），在教学内容没变的前提下，压缩了老师的教学时间，增加了老师的教学难度，导致学生不能完全掌握本门课程知识。工程传热学的学习既需要理论基础的学习，也需要实际动手实践操作，大部分设有安全工程专业的有关院校，会为学生安排与专业有关的实验课，但由于实验教学课时安排较少，学生实际操作机会并不多，难以巩固所学知识，降低了实际教学质量。
3针对性改进措施
3.1增强本课程师资力量的培训
首先，需要增强现有老师工程热物理基础知识体系，学科应当资助教师参加一些关于工程热物理课程教学的学术交流会议，相互交流学习经验；其次，学院可以组织教师去热工设备企业挂职锻炼，参与现场科技攻关项目，增强授课教师的实际操作经验，更有利于实验教学；再者，应当建立动态的教学模式，聘任企业有工作经验的工程师作为课程实验、操作的校外指导老师，有利于提高实验教学质量。
3.2更新教学方式
第一，授课老师可以结合安全工程领域的重点实例，从安全的角度，以安全工程学科科学研究为背景，讲解工程热力学与传热学的重要性，让学生体会到本门课程与自身专业息息相关，引导学生进一步了解本门课程；第二，工程传热学作为一门理论与实践相结合的课程，学生不仅需要掌握书本知识，还需要动手操作进一步巩固知识[8]。学院可以举办与工程传热学有关的科技比赛，让学生在参加比赛的过程中，自己动手操作，自主查阅相关资料，在创新的过程中巩固了相关知识、锻炼了自己；第三，随着计算机行业的迅速发展以及算法的进步，数值模拟在应用性、高效性、精确性有了很大的提升[9]，因此建议在教学过程中加入数值模拟的手段，以传热学为例，老师在课前建立反映热量传递本质的数学模型，通过一种计算方法，在课上向学生进行演示热量传递的各种现象及细节，如平壁的稳态导热、圆筒壁的稳态导热、非稳态导热等，通过最直观、最简单的方式为学生展示温度随时间变化的导热过程，让学生深刻理解知识；第四，通过翻转课堂[10]的形式，从以老师为主体转变为以学生为主体，在老师的引导下，用课堂上所学的知识进行集中讨论、解决在安全工程领域的一些实例问题，课堂上的讨论学习，加上课后的主动探索、自主学习，加深学生对于知识的理解。
3.3增加教学和实验课时
建议将课程改为56个教学课时、8个实验课时，这样的安排有利于学生深入学习。另外，本课程所用教材将工程热力学与传热学分开，一定程度上降低了学生学习工程传热学的连贯性，这就需要老师将两部分内容穿插在一起，紧密结合安全工程相关知识，注重培养学生的工程素养，让学生能学有所获。许多开设工程传热学课程的高等院校都面临着试验器具缺少的问题。因此，建议学院需要经常更新专业设备，并注意保养，为在校学生创造良好的实验环境，与此同时，健全实验教学的考核标准，根据学生的预习效果、到勤情况、实验完成程度进行评分，让学生重视起来，达到提高学生专业素养的最终目的。
4教学跟踪反馈机制
4.1教学评价
2015年11~12月期间，湖南科技大学安全工程系组织对该门课程的教学质量进行评价，采用的形式包括督导听课、教师互评、学生网上测评、学生填写课程评价表、座谈会等。同时，通过考试成绩、基本教学文件检查和试卷分析评价课程目标达成情况。评价结果如下：（1）督导听课反馈：任课教师备课认真，课程内容熟悉，能够脱稿讲授，课程内容梳理好，讲课重点突出，条例清楚，能够结合实际深入浅出地分析讲解问题。但是与学生缺乏互动，应该让学生多参与教学内容，并加强板书教学的辅助作用；（2）学生座谈会和学生填写《湖南科技大学课堂教学质量评价表》反馈：老师备课充分，讲课时精神饱满、认真，有热情，讲课内容丰富，重点突出，层次分明，理论联系实际。同时，对学生要求严格，并能启发学生思维。由于该课程理论性较强，建议增设一些互动环节，提高学生学习积极性；（3）教师互评反馈：任课教师授课重点突出、教学内容充实，教学过程设计安排合理，教学手段使用恰当。但对教材内容适当拓展不够，需要根据学科发展，补充新内容。
4.2教学改进
针对督导、专业教师和学生提出的问题，由教学副院长直接向任课教师进行了反馈，建议任课教师在课堂上能增加与学生的互动环节，提高学生课程学习的积极性；同时，应对教材内容适当拓展，加强应用方面介绍。在课程考核方面，应更加注重对学生学习过程的评价。2016年秋季，任课教师在“工程传热学”课程的授课过程中，充分考虑上述相关意见，进行了一系列综合改革：（1）对教学内容适当拓宽，结合学科发展和专业特色，增加计算流体力学、数值传热学及煤矿瓦斯利用等相关知识，并将理论知识与现场实践相结合，激发学生学习兴趣，提高学生分析问题和解决问题的能力：（2）增加了课程综合训练，任课教师给出具体的现场工程资料，学生理论联系实际，激发学生采用热力学第一定律、卡诺定律等课程所学的相关理论解决工程实际问题，做到学以致用和学有所用；（3）组织学习兴趣小组，并布置课程相关的研究课题，要求学生进行汇报并答辩，增加学生课堂参与度；（4）进行课程考核改革，将课程综合训练成绩和课题汇报答辩成绩计入学生的期末总成绩中，实现对学生学习过程的有效评价。通过评价反馈与改进后，学校督导反映教师授课效果好，充分调动学生学习积极性和主动性，学生能够将所学知识与实际相结合，改革效果明显；学生反馈老师互动性强，能够联系学科的新思想、新概念和新成果，学生学习积极性高，课堂气氛活跃。
流体力学及传热学基础篇3
【关键词】FLUENT计算流体力学计算传热学毕业设计
【中图分类号】G642.0【文献标识码】A【文章编号】2095-3089（2015）08-0028-02
1.引言
本科毕业设计是在本科教学过程的最后阶段进行的总结性的实践教学环节。在毕业设计环节中，学生应当综合运用本科阶段所学的各科知识和技能，对所需解决的课题进行思考、分析、设计和研究，从而全面、系统地完成课题交给的任务。可见，毕业设计是对学生本科阶段学习质量的全面性的检验，也对学生能否顺利拿到毕业证书和学位证书起到直接和决定性的作用。
计算传热学又称数值传热学，是研究用数值方法求解传热问题的一门科学。它可以理解为：根据所需求解的实际问题建立合理的数学模型，利用离散化处理的数值方法，再通过用计算机高级语言编制的程序，以计算机作为工具来求解传热问题的、与工程实践密切结合的一门应用基础科学[1]。而市场占有率高达40%[2]的数值计算软件FLUENT是解决传热领域数值计算问题的较好的通用软件之一[3]。
运用FLUENT等CFD软件，可以在不具备实验条件或暂不需要对研究对象进行实验的情况下，借助计算的方法进行相关工程分析，从而极大地节约人力、物力、财力和时间成本。因此，在本科学习最后的毕业设计阶段，若能让部分学生学习并基本掌握FLUENT软件对本领域问题的计算过程，将会在很大程度上促进学生今后对相关问题的建模和分析等工作。
2.毕业设计指导工作应注意的问题
由于FLUENT软件的专业性，在指导与FLUENT软件工程计算相关课题的时候，应注意以下几个问题：
（1）学生的选择
要能较好地掌握FLUENT软件相关计算过程，首先需要具有较为过硬的微积分、流体力学、传热学、计算传热学（也称数值传热学）等相关学科的基础知识。这不仅要求学生较好地理解课堂所讲知识，还要能够灵活运用课内外相关知识。有的学生学习能力和成绩相对较弱，并不具备过硬的知识储备和学习能力;有的学生未来从事的工作与本专业距离较远，或者对相关的数值计算兴趣不大，因此缺乏从事相关课题毕业设计工作的原动力;这些因素都会影响整个毕业设计工作的正常进行。因此，对于与FLUENT软件工程计算相关联的毕业设计课题，并不是所有学生都适合来做。为了有效地开展相关的毕业设计课题，在学生的选择上往往优先推荐让学习相对努力的、有兴趣和求知欲的以及未来将继续深造或从事相关科研工作的学生来进行。
（2）课题的选择
在本科教学阶段，由于受限于书本和教学大纲的安排，教师在对流体力学、传热学等课程的讲授中往往较少涉及数值计算相关知识，书本上只有一章内容与之相关，课堂上一般只传授数值计算的基本概念、简单情况下的离散方法、离散方程的建立等较为浅显的知识，这与FLUENT软件中对相应问题处理方法的深度和难度相去甚远;然而，在毕业设计的短短一学期时间内，要让学生完全掌握相关知识是比较牵强的。因此，在FLUENT软件工程计算相关课题的选择上，应选择相对基础性的、与实践结合紧密的、具有科研应用前景的课题作为毕业设计课题。这样既可保证毕业设计工作的正常开展，也能使学生在软件方面得到基本训练，为后续科研工作以及研究生阶段的学习打下良好的基础。
（3）指导过程中的问题
在毕业设计的指导过程中，笔者发现有部分学生在使用软件进行计算时，较为注重结果的可视化，而恰恰对计算中关键参数的设置、计算方法的选择等关键问题较为忽视。造成该现象的原因可能是，无论在软件中设置怎样的参数、选择怎样的计算方法，总能通过软件的计算得到一个可视化的结果，即使参数设置或计算方法的选择欠妥或有误，只要计算过程没有脱离现实太远，计算结果看上去都有一定的可信度，再加上学生对具体计算过程的“不求甚解”、不仔细推敲，往往易使人误认为该计算过程是正确的。因此，在指导过程中，应对学生使用软件的具体计算过程进行仔细地把关，确保计算过程和结果的正确性。
3.毕业设计算例
算例一：建筑空心砌块传热问题
图1a为所需计算的典型建筑空心砌块的尺寸标注图。该砌块是某典型普通混凝土空心砌块，三排孔结构，每排均由大小相等的两个孔组成，孔厚30mm。热量由室外侧（左侧）传向室内侧（右侧），室外侧为稳态或非稳态热边界条件，室内侧为稳态热边界条件。
图1b为数值计算得到的该砌块传热的某时刻温度分布图。可以看到，温度从左到右大体上呈现由高到低的分布状况。由于空心砌块为非均质构件，砌块材料的热导率与空气层的当量热导率不相等，造成了内部等温线的非均匀分布。
（a）空心砌块结构俯视图（单位：mm）（b）典型砌块温度分布图图1空心砌块结构俯视图
算例二：加气混凝土墙体结露问题判断
待计算的房屋的加气混凝土自保温墙体结构类型如图2所示，图中的B05表示型号为B05的加气混凝土砌块。计算中，加气混凝土砌块可以认为是热均质结构，这样导热系数相对较高的混凝土柱或梁便成为了结构体系中的热桥。由图3、图4可以看到，加气混凝土自保温墙体内表面温度最低点均发生在热桥部位室内表面宽度的中心处或阴角处。将该处的温度与当地室内空气的露点温度相比较，既可判断是否会产生结露现象。
图2框架结构房屋自保温墙体结构
图3B05厚度为50mm墙体的温度场
图4B05厚度为100mm墙体的温度场
4.总结
利用FLUENT软件对实际工程问题进行数值计算，大大节约了经济开支和时间成本，也为学生对本领域的传热和流动问题的解决提供了有效手段，夯实了学生的理论基础，增强了其解决问题的能力。通过与从事相关毕业设计课题的学生的交流得知，学习FLUENT软件的工程计算对学生更好地掌握相关物理过程起到了很好的帮助作用，拓宽了学生的视野，也提高了学生对相关问题的兴趣，有助于提高他们的专业竞争力。由于兴趣的作用，采用FLUENT软件进行工程计算的学生的毕业设计得分总体较进行其它课题的学生的得分高约15%。由此可见，在做好本文所提及的三点问题（学生和课题的选择、指导过程中的问题）的前提下，在毕业设计中加入FLUENT软件工程计算相关课题不仅可行，还值得在一定范围内推广。
参考文献：
[1]陶文铨.数值传热学（第2版）[M].西安：西安交通大学出版社，2001.
[2]姚征，陈康民.CFD通用软件综述[J].上海理工大学学报，2002，24（2）：137-144.
[3]韩占忠，王小敬，兰小平.FLUENT流体工程仿真计算的实例与应用[M].北京：北京理工大学出版社，2004.
作者简介：
流体力学及传热学基础篇4
关键词传热学教学探索能源与环境系统工程
中图分类号：g424文献标识码：a
heattransferteachingpracticeandexplorationonenergyand
environmentalsystemsengineeringprofessional
zhaoyuhan
（collegeofmechnicalengineering，shanghaiuniversityofengineeringscience，shanghai201620）
abstractheattransferisthebasictheoreticalcourseofenergyandenvironmentalsystemsengineeringprofessional，butalsotrunkdisciplinaryofenergyandpowerprofessionaltheorycourses，hasaveryimportantposition.heattransferistheknowledgebaseofenergyandenvironmentalsystemsengineeringgraduatesinrelevantprofessionalwork，butalsotheoreticalbasisofpartofthegraduatestudentstocontinuetheirstudies.basedonexperienceinteachingheattransfer，heattransfersummarizedthemainpointsofteachinganditscharacteristics，foundtheproblemsintheteachingprocess.exploretheuseofavarietyofteachingtoolsandmethods，andasimplediscussion，inordertomeettheneedsofthecurrenteducationaldevelopmentandpersonneltraining.
keywordsheattransfer；teaching；explore；energyandenvironmentalsystems
1传热学的要点和特点
以传热学教学大纲为依据，结合能源与环境系统工程专业的特点制定了传热学教学的基本要求：
（1）掌握热量传递的三种基本方式及传热过程的规律。掌握热传导、热对流、热辐射、复合传热、传热过程、热阻等概念。应用热阻概念分析工程传热问题。会查用有关图表和手册。
（2）掌握傅立叶定律和导热微分方程及其定解条件。理解导热问题的完整数学描述。理解稳态与非稳态导热问题的区别，并对简单的导热问题利用导热微分方程进行分析解的求解。掌握导热问题的数值解法。
（3）掌握牛顿冷却公式的意义及应用。理解对流换热的物理过程及其机理，掌握影响对流换热的影响因素。掌握边界层概念和普朗特边界层理论，并能对简单条件下的层流边界层进行分析求解。能熟练地应用实验关联式对强制对流、自然对流和凝结与沸腾换热问题进行计算。
（4）掌握热辐射的基本定律及物体的辐射特性和吸收特性。熟练掌握辐射热阻网络法进行辐射传热的计算。
（5）理解传热过程的机理。能对传热过程进行合理分析和计算，了解各类换热器的特点。掌握换热器的热计算方法。
（6）初步掌握温度测量、热量测量的基本方法和技能。
传热学作为学科基础理论课，其牵扯的概念颇多，理论性很强。其中一些新的理论和新的概念对学生来说不易理解和掌握，增加了课程学习的难度。同时传热学中针对物理机理和规律的描述大多采用微分方程组的数学语言形式，对高等数学中微积分的掌握要求较高。同时作为三大专业基础课之一，与另外两门课程流体力学和工程热力学都互有涉及。这三门课程学习起来都具有一定难度。传热学同时是一门实践性较强的课程。为了让学生更好地理解与运用传热学的知识，课程中开设了实践教学环节，但由于学时所限，实验内容无法涵盖所有的相关传热学在实际工程中的应用。而且实验多以认识性和验证性为主，传热学课程的实践性难以在课内实践教学中得到完全体现。
2教学中的问题
（1）由于传热学本身内容结构涉及很多高等数学的知识，且学科发展历史较长，所以传热学的概念多、公式多，学生认为很难学。而且初学者在高年级学生处就会得到类似传热学特别难的印象，增加了畏难情绪。
（2）传统的教师为中心的模式对教师与学生之间的互
动要求不高。而单向的灌输式教学难以培养学生的独立分析解决问题的能力。而且导致学生对传热学的机理和理论缺乏深刻的理解，对公式、概念、理论停留在表面的机械记忆上。比如热对流与对流传热的区别，有些学生无法说清。又比如相变传热的物理机理，有的学生不能正确理解与掌握。（3）考试采用传统的闭卷考核方法，虽然会促使学生复习时认真推导公式，多做习题，熟练掌握解题方法，但也会影响学生独立思考的能力培养。导致学生对基本（下转第180页）（上接第130页）原理的应用能力差。比如能量守恒原理是贯穿传热学这门课程的一条主线，在控制方程推导中都要用到。同时在求解某些习题时使用能量守恒原理去分析可以更灵活地解决。而学生在面对这些具体问题时往往只是按照“常规”的计算求解方法来解决。同时可以预见这样的学生将传热学的理论与实际生活生产中的问题结合起来的能力也会较差。
3传热学教学探讨
（1）激发学生的学习兴趣，增加自学项目。在教学过程中，将授课内容与日常生活中的现象以及在建筑、冶金、化工、航天等行业的广泛应用结合起来。在扩展学生的视角的同时，激发学生自己将传热学知识与实际结合起来，增强学生的学习动力。同时适当安排部分教学内容让学生自学为主，培养其独立思考的能力。针对学生自学中的不足着重讲解，激发学生的主动性，帮助学生掌握科学的学习方法。
（2）采用多样化的教学方法和教学手段。以课堂讲授为主，同时在联系实际问题时采用分组讨论的方式，对作业和习题分组互评等。确立学生为教育主体，让单向的传授走向多维互动的课堂教学、实践教学。同时在教学过程中采用先淡化的电子技术和信息手段，包括光学媒体、音响媒体、计算机教学系统和各种教学软件的应用。这样可以使课堂教学包含更大的信息量，同时对实践教学的不足给予一定的补充。
（3）多讲解例题和习题，进行开放互动式教学。传热学课程包含诸多的概念、公式和方程，例题和习题的讲解是巩固学生掌握的有效途径。在讲授传热学时采用高等教育出版社的《传热学》第四版，该教材包含典型的例题与习题，可通过习题课的形式集中进行讲解。同时针对一些重点难点和学生自发提出的比较集中的问题，以开放互动的方式开设专题讨论，以增进学生对传热学知识的掌握与运用。
（4）考核模式的改进。针对闭卷考核方式的不足，同时避免开卷考试带来学生的惰性和依赖性，我们尝试在考核成绩的最终评定时，采用平时成绩加考试成绩的形式。平时的课堂表现、互动参与情况、作业占总成绩的30%，考试成绩占总成绩的70%。提高课堂互动讨论中的表现占平时成绩的比重，以促进学生的参与度；同时考试的时候允许学生携带统一大小的草纸进入考场，学生可以在上面自行记录总结出的基本的、主要的内容或者记录一些经验公式和经验系数。这样可以使学生将复习的重点放在对知识的理解和运用上，克服了闭卷考试的不足。同时带入考场的内容有限，又不会使学生像开卷考试一样过度依赖教材，而是同样促使学生进行独立思考。这种考核方式可以提高学生的学习总结能力，消除学生的部分心里压力，也可避免学生只依靠考前突击的弊病。
（5）改进实践教学的内容设置。传热学的实践性很强，像一些复杂的传热问题的规律都是通过实验总结提出。对于传热学教学十分重要的实验教学需要加以改进，除了巩固课堂授课的内容以外，还应该注意培养学生的实际动手能力、综合设计能力和总结归纳能力。传热学的课内实验可不仅仅局限于验证性实验，同时应增加开放性、综合性的实验内容。以期提高学生的综合分析能力和解决问题的能力。
4结语
传热学作为能源与环境系统工程专业重要的学科基础理论课程，其教学效果十分重要。作为传热学的授课教师，应激发学生的学习兴趣，增加自学项目，采用多样化的教学方法和教学手段，多讲解例题和习题，进行开放互动式教学，同时改进考核模式和实践教学的内容设置。以求满足当前教育发展和人才培养的需要。
基金项目：上海工程技术大学课程建设项目，传热学课程建设，k201201002
流体力学及传热学基础篇5
关键词：过程装备控制工程；过程原理与设备；教学内容
作者简介：苏文献（1967-），男，山东栖霞人，上海理工大学能源与动力工程学院，副教授；孙丽（1982-），女，山东海阳人，上海理工大学能源与动力工程学院，讲师。（上海200093）
基金项目：本文系上海市教委重点课程建设项目（项目编号：1K12301002）、上海理工大学核心课程建设项目（项目编号：5811301003）的研究成果。
中图分类号：G642.0文献标识码：A文章编号：1007-0079（2013）25-0120-02
过程装备与控制工程专业的前身是化工设备与机械专业（简称“化机”），1998年根据发展需要，教育部对普通高等学校大学本科专业目录进行了调整，将化工设备与机械（本科）专业更名为过程装备与控制工程专业。该专业主要研究石油、化工、炼油、轻工、核能与电力、冶金、环境、食品及制药等过程工业中处理流体和类流体必需的装备、技术与控制等。属于融机械、化工和控制等多工程学科领域于一体的复合交叉型学科。
过程装备与控制工程本科专业相对应的研究生教育的学科名称为化工过程机械，属于动力工程及工程热物理一级学科下的二级学科。
动力工程及工程热物理学科主要研究能量以热和功及其他相关的形式在转化、传递过程中的基本规律，以及按此规律有效地实现这些过程的装备及系统所涉及的应用科学及应用基础科学；主要应用于工农业、国防领域，与人类生活、生产密切相关；同时又几乎与所有的科学技术领域密切有关，可以推动人类更好地利用能源与现代动力技术的发展。
上海理工大学（以下简称“我校”）过程装备与控制工程专业依托于我校动力工程与工程热物理一级学科，该学科具有博士后流动站，并在1997年第一批被批准为我国具有一级学科博士学位授予权单位；所属二级学科化工机械方向在70年代就已具有培养硕士和博士的能力。
在这样的背景下，我校能源与动力工程学院不断修改和丰富本科生培养计划和培养方案，开设了“过程原理与设备”课程，作为过程装备与控制工程专业的专业基础课程。经过多年的教学改革和不断探索，在教学方法、授课内容设计和提高学生创新能力方面取得了一定成果。
一、专业概况和课程定位
化工设备与机械专业更名为“过程装备与控制工程”专业后，其内涵和外延都有了根本变化。更名后的专业，从单纯的机械学科转向机械与控制交叉学科。虽然它自己仍然属于机械大学科，但它和通用机械有区别，与原来的行业范围局限于化工不同，新行业可以广泛服务于机械、电子、化工等相关过程工业；同时，新行业的发展也和机械电子、控制工程、化工机械、动力机械等密切相关。过程工业，通常来说，是利用化学和物理方法改变物料物化性能，用以生产新产品的加工工业，广泛应用于工农业等众多相关行业部门。过程装备与控制工程专业主要涉及的对象是与流程有关的物料，从原材料到成品或者半成品过程中需要经过一系列化学或者物理变化。因此，整个过程需要有数量不同、功能各异的单元操作并联或者串联组成，而每一个单元操作均需要一个能够实现特定功能的设备或者机器来完成。每个单元操作对应的设备称为单元设备，而这些单元设备需要用一系列的部件如阀门、管道、三通等连在一起构成过程装备。在过程工业中，通常需要确保各个单元设备以及整个装备能够安全稳定地运行，因此需要对各个流程中的物料的各种相关参数进行严格控制，如压力、速率、温度、浓度等。
过程装备与控制工程专业是以过程装备的设计、制造、运行、维护、管理为主体，过程工业原理与装备控制技术应用为两翼的多学科交叉型专业。通过系统学习，学生将具有较强的机械基础、过程装备、力学基础、控制工程、计算机应用等基础理论知识，具有较好的工程技术基本素质和综合解决工程问题的能力。其培养目标是具备过程装备设计制造及其控制理论，并具备研究开发、设计制造、运行控制、维护管理等综合能力的高级科学研究和技术人才。
我校以科研教学型为办学定位。“过程原理与设备”课程是过程装备与控制工程专业技术基础课程之一，是过程装备与控制工程专业的核心课程，也是上海市教委重点建设课程。该课程既讲原理又讲设备，涉及知识全面；由理论到应用，教学逻辑明确。对激发学生的创新思维，提高学生的应用能力有很大帮助。同时作为专业基础课程，其教学质量的好坏也直接影响其他专业课程的教学工作。因此，做好“过程原理与设备”课程建设对提高本科教学质量，促进学生全面发展具有一定积极作用。
二、授课内容设计
过程工业，一般来说，都与热量传递、能量传递及质量传递有关。过程工业中涉及的所有的机器（动设备）和（静）设备，均属于过程装备。过程装备可以分为以下几大类：
1.流体动力过程及设备
满足流体力学等相关规律的过程及设备。如液体的输送与气体的增压，气液非均相混合物的分离、液体的搅拌等。所用的设备有泵、鼓风机、离心机、压气机、管道、沉降室等。
2.传热过程及设备
满足热量传递等相关规律的过程及设备。如冷却、蒸发等。所用的设备有冷凝器、蒸发器、锅炉等。
3.传质过程及设备
满足质量传递等相关规律的过程及设备。如干燥、分馏、吸附、吸收、结晶等。所用的设备有：干燥器、萃取塔、结晶器等。
4.机械过程及设备
满足固体力学等相关规律的过程及设备。如固体的粉碎、筛分、输送、给料等。常见的设备有粉碎机、振动筛、输送设备、给料器等。
5.化学过程及设备
满足化学反应等相关规律的过程及设备。如还原、氧化、加氢、水解、加聚等。常见的设备有搅拌反应器、固定床反应器以及流化床反应器等。
“工程热力学”、“工程流体力学”、“传热学”为我校过程装备与控制工程专业在能源与动力工程学院的三大基础课程。“过程原理与设备”是过程装备与控制工程专业的主修课程，其授课内容大体与化工原理相近。由于传热、传动量两部分内容已由其他老师在“传热学”、“过程流体机械”中主讲，故在本课程中授课内容以传质为主，传热、传动量为辅。课程讲述质量传递原理、换热、蒸发传热单元操作及吸收、精馏、萃取、吸附、结晶、膜分离等传质单元操作；热量、质量同时传递过程的特点及增减湿和干燥操作。具体内容包括：
分离过程与传递现象，介绍混合物组成，基本操作方法和常用设备，传质分离的动力学方程；吸收基本原理，气液相平衡、传质机理与传质速率、低浓度气体的吸收与计算，高浓度气体吸收、多组分吸收、化学吸收和解吸，吸收塔的结构和设计；蒸馏基本原理，双组分溶液的气液相平衡、简单蒸馏、平衡蒸馏和精馏及其双组分连续精馏的计算和分析，间歇精馏和特殊精馏、多组分精馏，蒸馏塔的结构和设计；气液传质设备的工艺设计；液液平衡关系、部分互溶物系的萃取计算、完全不互溶物系的萃取计算及溶剂的选择，其他萃取方法及萃取设备；湿空气的性质及湿度图、干燥过程的物料衡算和热量衡算、干燥速率和干燥时间，干燥器的类型、性能、结构；蒸发原理、设备及计算热量传递基础，单效蒸发和真空蒸发的概念和计算，单效蒸发和提高加热蒸汽经济性的其他措施及其蒸发设备；颗粒与颗粒层的特性、流体与颗粒间的相对运动及其流体通过颗粒床层的流动、重力沉降和过滤计算，了解气体净化的其他广泛应用和设备；膜分离传质单元操作的基本原理。
目前我校过程装备与控制工程专业所用教材是陈敏恒等编著的《化工原理》（上、下）第三版（化学工业出版社）。所用参考教材有：蒋维钧等编著的《化工原理》（上、下）（清华大学出版社），何洪潮等编著的《化工原理》（科学出版社），张斌编著的《过程原理与设备》（东北大学出版社）等。
在多年的教学过程中，我校能源与动力工程学院不断探索教学内容和方法。在总学时数受限定的情况下，结合实际情况，合理设置教学内容，既压缩了课时，又避免了该课程与学院基础课程内容上的重复；在与其他课程的配置上，将该课程与“专业实验”课程的进度合理搭配，用实验设备模拟真实设备，边学边练，激发学生学习兴趣，增强学生动手实践能力；在改革教学内容和方法的同时，还注意将现代化教学手段引入课堂，利用计算机教学软件进行辅助教学，取得了良好的教学效果。
三、结论
“过程原理与设备”课程是过程装备与控制工程专业重要的专业基础课程之一，其内容涵盖广、实践应用性强。经过多年的教学改革和探索，我校走出了一条内容设计合理、教学方法多样、注重实践和创新的特色之路。过程装备与控制工程专业学生连续多年的高就业率和来自企业的积极反馈，体现了我校“过程原理与设备”教学的良好效果。
参考文献：
[1]陈敏恒，丛德滋，方图南，等.化工原理（上、下）[M].第三版.北京：化学工业出版社，2012.
[2]蒋维钧，戴猷元，顾惠君.化工原理（上、下）[M].第三版.北京：清华大学出版社，2009.
流体力学及传热学基础篇6
1.1核心课程体系构建的原则
钦州学院开设化学工程与工艺专业有良好的机遇，同时也有多方面的挑战。要办好钦州学院化学工程与工艺专业，贯彻学院打造五大品牌专业的精神，需要从紧密联系北部湾区域经济建设方面着眼，努力办出具有石化特色的化学工程与工艺专业，重点建立一套紧密结合石化下游产业链、注重过程开发和工程实践能力培养的核心课程体系。在核心课程设置方面，确立夯实专业基础、强化工程意识、注重实验技能、拓宽专业口径，注重石化特色的原则。
1.2核心课程体系的内容与相互关系
所谓化工过程，主要包含分离过程和反应过程两种过程。与这两种过程紧密相关的一系列化工类课程共同构成了化工类课程的核心。按照“门数适宜，重点突出，相互支撑，形成一体”的要求，选择化工热力学、分离工程、传递原理、反应工程和化工工艺学等五门理论课以及与这五门理论课相关的化工专业实验课作为核心课程,建设具有石化特色化学工程与工艺专业的核心课程体系，全力打造化学工程与工艺这一品牌专业。在这五门理论课程中，分离工程和反应工程分别研究各类分离过程和反应过程，它们构成了化工过程课程最核心的部分。化工热力学是化工过程研究、开发和设计的理论基础，是化学工程的重要分支之一，与化学反应工程、分离工程关系密切。化工热力学的核心价值在于研究过程进行的方向和限度，为分离过程和反应过程提供相平衡、反应平衡数据，并对化工过程进行热力学分析[1]。反应工程是与工程实际紧密联系的课程之一，它广泛地将化工热力学、化学动力学、流体力学、传热、传质以及生产工艺、环境保护、经济学等反面的理论知识和经验综合于工业反应器的结构和操作参数的设计和优化中[2]。
分离工程是化工专业基础课程，讲述的是如何将混合物进行分离与提纯的学科。作为专门研究分离方法的分离工程课程对学生工程素养的培养有很重要的作用。该课程阐明了化工分离过程的本质规律，重点研究分离方法的工业化途径，设备设计放大效应，最优分离路线的工业化，及最优操作条件。在选择具体分离方法时，不仅要考虑技术上的可行性、经济上的合理性，而且要考虑能耗、环保、设备放大和开发成本等诸多问题[3]。传递原理旨在研究化工动量、热量及质量(俗称三传)的传递现象，用一种统一的观点来处理三种传递现象，并研究动量、热量和质量传递之间的类似性，是研究分离机理、分离效率和宏观反应动力学的基础理论，同时也是反应器放大研究的基础理论之一。与化工热力学不同，传递原理是一门探讨传递速率的课程，它对过程开发、过程设计、生产操作、优化控制及过程机理研究都有重要的使用意义[4]。化工工艺学重在工艺过程的分析，即在特定条件下，进行分离过程、反应过程的比较选择、整合优化。化工工艺学是大学基础化学、化工热力学、化工动力学、反应工程、分离工程等专业基础可和专业课的综合运用。化工热力学和传递原理旨在加强专业基础，化工专业实验、反应工程和分离工程重在强化工程意识，化工工艺学拓展了专业适应面，可以突出石化特色。
2核心课程体系的优化
为了保障以上核心课程体系的顺利实施，建议结合钦州学院化学工程与工艺现有的教学计划，从下面几个方面作出适当的调整。
2.1加强数理基础教学力度，适度拓展
新世纪的工程人才必须有熟练应用数学、科学与工程等知识的能力，有进行设计、实验分析与数据处理的能力。在两年的教学实践中，学生普遍反映数理基础不够扎实，一些数学问题不知所云，比如热力学计算中要应用迭代法求解状态方程、精馏过程计算、反映工程中的偏微分方程求解等等，问题大都源于数学基础较薄弱。因此建议加开线性代数、运筹学、概率论与数理统计、数值计算、C程序语言、数学物理方法，流体力学等数理和计算机基础课程。多所兄弟院校也早就开设了这些基础课程。线性代数和运筹学的开设可以解决反应器设计过程的优化问题；概率论与数理统计是实验数据处理和理解反应工程中一些基本概念的基础；数值计算和C程序语言两门课程是工科学生重要的基础课程，加开这两门课程也是落实我校化学工程与工艺专业培养计划中对学生计算机水平的要求，对学生的就业能力的提高有好处；数学物理方法和流体力学是传递工程等课程的基础，加开这两门课程可以大大的提高学生工程数学能力，为就业和进一步深造打下更坚实的数理基础。考虑到Matlab在科学和工程计算领域的突出作用，建议开设Matlab在化工中的应用的相关课程[5]。化工热力学和化工原理是反应工程的基础，故将化工热力学和从第四、五学期调整至第三、四学期；化工原理和反应工程两门课程共同构成了化学工程最核心的部分课程，将化工原理从第四、五学期调整至第二、三学期，反应工程从第三学期调整至第五学期，也是考虑到化工原理是反应工程的基础。同时，将计算机模拟与仿真删去，将其中的知识分散到加开的MATLAB在化工中的应用和数值计算这两门课程中。从上表2中还可以看出，加开的课程中，突出了数理课程的基础，同时，适度的拓展经济和计算机相关的课程，也增加化工制图和电工学等实践性较强的课程，这对培养学生的工程实践能力是必不可少的。
2.2整合化工专业实验
为了整合学院教学资源，最大限度地利用现有的一切教学设备，建议从各门化学工程与工艺核心课程的专业实验中选出一些经典的、与石化行业紧密相关的进行重新编排，单独设置一门大学化工基础实验课程，分成三个学期展开教学。另外，考虑到传统的化工专业实验教材以单一验证实验为主，无法满足新世纪综合素质人才培养的要求，可将化工实验按由浅入深的原则划分成验证型实验、设计型实验和综合型实验三个层次。尽量精简验证型实验，增加设计型实验和综合型实验。可以从教师的一些科研项目中选出一部分让学生参与，将这些项目设计成设计型或综合型实验，这样，通过学生的亲身体验科研过程，培养了正确的科研习惯，为学生的就业和进一步的深造打下好的基础。