CFD軟件在傳熱學教學中的應用及淺析

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

CFD軟件在傳熱學教學中的應用及淺析

中圖分類號:G642.421 文獻標識碼:A 文章編號:1007-0079(2014)29-0043-03

“傳熱學”是一門研究由溫度差引起的熱能傳遞規(guī)律的學科,[1]根據(jù)熱力學第二定律,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)技術領域里,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,傳熱學所涉及的范圍極其廣泛,成為了人類認識世界、改造世界的重要工具。

隨著科技的進步,新能源、化工制藥、航天航空等領域都在蓬勃發(fā)展,而它們都離不開大量的或簡單、或復雜的傳熱過程。所以,在當代的高等教育中,“傳熱學”課程不僅是能源動力類專業(yè)主要的專業(yè)基礎課,同樣也是建筑環(huán)境、化學工程、機械制造等專業(yè)學科的重要課程。[3]

一、傳熱學課程存在的問題及CFD技術簡介

1.傳熱學教學中存在的問題

傳熱學的教學內容豐富,因專業(yè)所需不同、所用教材版本不同,所以側重點也不盡相同,但通常都包括穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)的熱傳導及其數(shù)值解法、對流傳熱相關理論和計算、熱輻射相關理論和計算,以及傳熱過程分析等內容。我國開設傳熱學的歷史已頗悠久,廣大教育工作者在長期的教學實踐中總結出了很多有效、實用的教學方法。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現(xiàn)象,過程復雜多變,學生理解起來往往很吃力。

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

2.CFD技術簡介

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

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

簡單地說,CFD相當于“虛擬”地在計算機里做實驗,用以模擬實際的流體流動與傳熱情況。由于其不用搭建實體的試驗臺,不用購買、制作真實的工程儀器,僅僅把計算機作為工具和場所,所以相對于傳統(tǒng)實驗研究具有速度快、成本低、操作性強等優(yōu)勢。

隨著計算機技術的蓬勃發(fā)展,越來越多的科研工作者和工程技術人員把實驗室搬到了電腦里,用數(shù)值模擬方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)實驗,取得了理想的結果。如今,CFD在各行各業(yè)都有廣泛應用,大到飛機的外部流場和電站鍋爐內部燃燒、傳熱過程的仿真,小到燃料電池內的化學反應、人體血管血液流動過程的模擬,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),包含豐富而先進的物理模型,能夠勝任對各種流體的對流換熱、固體或流體間的熱傳導、熱輻射等復雜傳熱現(xiàn)象的模擬。而且其操作界面友好、迭代過程迅速準確、計算結果顯示美觀清晰,無疑是傳熱學多媒體教學的好幫手。

作者基于多年傳熱學教學經(jīng)驗,希望通過用fluent軟件模擬傳熱過程的方式,在課堂上簡潔、生動地展示傳熱現(xiàn)象,為學生對流動傳熱過程的理解提供幫助。

二、CFD軟件在課堂教學中的應用

1.CFD教學模式的優(yōu)勢

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

(1)CFD模式使學生產(chǎn)生強烈的“參與感”。在傳統(tǒng)模式教學中,多媒體課件往往是教師根據(jù)教材和教學大綱在課下制作的,包括思路的整理、教學內容的展示、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,學生沒有看到知識點的組織和梳理過程,更沒有親身去參與到其中,這樣他們往往是在被動地接受知識,缺少參與感。而CFD模式則不然,它可以直接針對具體的傳熱過程實例,教師在課下先畫好模型,在課堂上用fluent軟件一步步地設置邊界條件、物性參數(shù)、求解方法。這樣,例子的求解全過程同學們都能參與到,該過程是對流還是輻射、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,同學們都能親眼看到?？梢?CFD模式可以把知識概念的灌輸,變成知識脈絡的整理,這對鞏固學生們的知識、加深同學們對傳熱流動現(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)模式教學中,盡管多媒體課件中有較為豐富的圖片、動畫等元素,比粉筆黑板式教學要多元化得多,但教師在依靠其授課的過程中,本質仍是在照本宣科,只不過“本”換成了“課件”。除去教師個人能力因素來看,只依靠多媒體課件,課堂氣氛難以活躍。在CFD模式中,對多媒體課件的“依靠”變成了對CFD軟件的“操作”,教師把參數(shù)的設置過程、求解的迭代過程、后處理的顯示過程全部展現(xiàn)在了同學們的面前。設置參數(shù)時的周密思考,求解時的緊張興奮,結果顯示時的成就感,甚至計算失誤時的小失落,都會使課堂氣氛變得活躍、熱烈。

(3)CFD模式能有效激發(fā)學生對傳熱學的興趣。在傳統(tǒng)模式教學中,復雜的公式和抽象的邊界條件只能借助一些相對活潑新鮮的圖片或簡單動畫來顯示,無法在學生腦中形成感性認識,更難以把傳熱問題復雜的求解過程“平易化”,很難激發(fā)學生的興趣。我們知道,對于當代大學生來說,生活中最熟悉的東西莫過于電腦了,計算機技術的飛速發(fā)展使電腦普及到學生身邊,新鮮的、功能強大的軟件是大多數(shù)年輕人關注的熱點,也是強烈的興趣點。而CFD模式則正是利用fluent等商業(yè)軟件,使相對枯燥的數(shù)學模型變得生動,把抽象的傳熱現(xiàn)象通過眼前新鮮的軟件展示出來。這樣能使學生對軟件產(chǎn)生濃厚的興趣,甚至會把興趣帶到課下,在摸索、學習軟件的過程中自覺地加強對傳熱學、流體力學等基礎課程的學習,把被動接受知識變成主動汲取知識。

2.CFD教學模式過程中需要注意的問題

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

(1)CFD模式對教師的軟件操作能力要求較高。傳統(tǒng)模式教學中,課件是事先做好的,課堂上只要按照預先的準備來放映即可,節(jié)奏與內容都很容易掌握。但在CFD模式中,由于教師要在課堂上當場用fluent演示全部求解過程,甚至即興根據(jù)所講的知識點進行建模和求解,所以需要教師對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應變能力。而且課堂上同學們可能會希望看到更多工況下的模擬結果,對于這些工況教師在課前未必會準備得很充分,不可避免會使教學過程出現(xiàn)小波折,比如出現(xiàn)求解不收斂、結果偽收斂等情況,這就需要教師有相應的應變能力,將這些小瑕疵轉化成活躍課堂氣氛的興趣點。

(3)CFD模式對電腦有一定要求。CFD軟件的求解過程需要電腦的CPU和內存共同高速運轉,如果電腦狀況很差,處理的模型比較大、網(wǎng)格比較多,就可能會出現(xiàn)死機現(xiàn)象。這種情況在課堂教學中真的很掃興,應該盡量避免出現(xiàn)。所以需要教室內配備有相應配置的電腦,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。

三、教學實例

根據(jù)《傳熱學》中外部強制對流傳熱部分,[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。為幫助同學們理解,現(xiàn)假設了如下兩個模型(見圖1):

溫度為T1=300K的空氣以u=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軟件對此二維模型進行模擬,展示相應的參數(shù)設置(見圖2)。湍流模型選用k-ε模型,氣體的粘度等參數(shù)按照相應溫度下的物性設置,松弛因子用軟件默認的即可(若希望加快收斂,可以將相應方程的松弛因子調低些)。

計算收斂后可以清晰地得到流場的速度云圖(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、換熱過程的異同。

通過觀看、參與參數(shù)的設置過程,使同學們明確了解決傳熱學問題的步驟和條件;而通過計算后得到的這些物理場圖,可以加深同學們對空氣流沖刷管束時強制對流傳熱的感性認識。

為進一步幫助學生對傳熱過程的理解,可以將穩(wěn)態(tài)問題轉化成非穩(wěn)態(tài)問題,逐時進行求解。即在求解器中將Steady改成Transient(見圖8),并設置時間步長(見圖9),模擬出傳熱過程中特定時刻的狀態(tài)。

圖10-圖13分別顯示了叉排橫掠管束內t=0.03s、t=0.1s、t=0.5s和t=1s時的溫度云圖。從這幾張圖中可清晰地看到叉排橫掠管束強制對流的換熱過程:換熱器內原本溫度較高,當空氣流入時,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,而內部原本溫度很高的流場則被流入的空氣冷卻。整個過程最終會趨于穩(wěn)態(tài),漸漸與圖4的穩(wěn)態(tài)溫度云圖相吻合。

最后,用fluent進行簡單的后處理,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,通過對傳熱過程的穩(wěn)態(tài)模擬和逐時模擬,可以把原本難以捕捉的傳熱過程生動地展現(xiàn)出來,把抽象問題具體化、形象化,大大加深學生對傳熱過程的理解,激發(fā)大家對傳熱學的興趣。

四、結論

綜上所述,將CFD軟件引入傳熱學課堂教學的教學方式能使學生更清晰地觀察到流動傳熱現(xiàn)象,彌補現(xiàn)有多媒體教學中存在的缺陷。教師可以根據(jù)教學計劃,在課堂上實時地模擬穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)的傳熱過程,加深學生對傳熱過程的理解。

然而這種教學方式必然要求專業(yè)教師具有深厚的計算傳熱學和計算流體力學的理論基礎,熟練操作使用數(shù)值計算軟件的能力,還對教師的臨場應變能力和教學現(xiàn)場的硬件水平有較高要求。

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

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