CFD软件在传热学教学中的应用及浅析

2016-09-01 by:CAE仿真在线来源:互联网

CFD软件在传热学教学中的应用及浅析

中图分类号:G642.421 文献标识码:A 文章编号:1007-0079(2014)29-0043-03

“传热学”是一门研究由温度差引起的热能传递规律的学科,[1]根据热力学第二定律,只要是有温差存在,就有热能自发地从高温物体传递给低温物体。[2]而无论是自然环境里,还是在人类生产技术领域里,到处都存在着温差,所以热能传递现象在我们生存的世界中广泛存在。因此,作为一门研究热量传递规律的科学,传热学所涉及的范围极其广泛,成为了人类认识世界、改造世界的重要工具。

随着科技的进步,新能源、化工制药、航天航空等领域都在蓬勃发展,而它们都离不开大量的或简单、或复杂的传热过程。所以,在当代的高等教育中,“传热学”课程不仅是能源动力类专业主要的专业基础课,同样也是建筑环境、化学工程、机械制造等专业学科的重要课程。[3]

一、传热学课程存在的问题及CFD技术简介

1.传热学教学中存在的问题

传热学的教学内容丰富,因专业所需不同、所用教材版本不同,所以侧重点也不尽相同,但通常都包括稳态和非稳态的热传导及其数值解法、对流传热相关理论和计算、热辐射相关理论和计算,以及传热过程分析等内容。我国开设传热学的历史已颇悠久,广大教育工作者在长期的教学实践中总结出了很多有效、实用的教学方法。但由于热量的传递过程比较抽象,而且通常伴随着流体的流动现象,过程复杂多变,学生理解起来往往很吃力。

实验教学无疑是帮助学生理解传热现象的好途径,但成本甚高、操作复杂,如果实验设备昂贵笨重则更是根本无法带到课堂上来。而且流动传热过程往往瞬息万变,稍纵即逝的实验现象不易捕捉、显示,这也为实验教学带来了一定困难。传统的粉笔黑板式教学模式经济、简便,但相对古板、静态,难以将热量传递现象描述得流畅生动。新兴的多媒体教学是很适合讲解传热学的教学方式,但如果没有专门的配图、动画等资源来辅助,也很难将复杂的流动、传热过程表达清楚。所以,急需寻找一种能针对具体物理过程的演示方法,为课堂教学提供支持,以便学生更好地观摩、理解传热过程。

2.CFD技术简介

CFD是Computational Fluid Dynamics(计算流体力学)的简称,特指通过计算机的数值计算和数据汇总处理、图像显示等功能,是对包含有流体流动和传热等相关物理现象进行求解分析的技术。通过CFD技术,我们可以利用计算机来计算、分析并显示流动与传热现象,在较短的时间内解决流体力学、传热学问题。CFD的基本思想可以归结为:把原来在时间域及空间域上连续的物理场(如速度场和压力场),用有限个离散点上的变量的集合来代替,通过一定的方式建立起关于这些离散点上场变量之间的代数方程组,然后通过对代数方程组的迭代求解,来获得场变量的近似值。[4]

一个完整的CFD模拟过程通常包含如下几个主要环节:根据实际情况建立数学模型;将计算区域离散化;选择合适的数值算法求解;计算结果的显示与后处理。

简单地说,CFD相当于“虚拟”地在计算机里做实验,用以模拟实际的流体流动与传热情况。由于其不用搭建实体的试验台,不用购买、制作真实的工程仪器,仅仅把计算机作为工具和场所,所以相对于传统实验研究具有速度快、成本低、操作性强等优势。

随着计算机技术的蓬勃发展,越来越多的科研工作者和工程技术人员把实验室搬到了电脑里,用数值模拟方式代替传统实验,取得了理想的结果。如今,CFD在各行各业都有广泛应用,大到飞机的外部流场和电站锅炉内部燃烧、传热过程的仿真,小到燃料电池内的化学反应、人体血管血液流动过程的模拟,都有CFD参与其中。

目前全世界已有几十种求解流动与传热问题的商用CFD软件,比较著名的有FLUENT、CFX、PHOENICS、Icepak等,而FLUENT是其中较为成熟、使用较为广泛的一款。FLUENT内置了多种算法(包括非耦合隐式算法、耦合显式算法、耦合隐式算法),包含丰富而先进的物理模型,能够胜任对各种流体的对流换热、固体或流体间的热传导、热辐射等复杂传热现象的模拟。而且其操作界面友好、迭代过程迅速准确、计算结果显示美观清晰,无疑是传热学多媒体教学的好帮手。

作者基于多年传热学教学经验,希望通过用fluent软件模拟传热过程的方式,在课堂上简洁、生动地展示传热现象,为学生对流动传热过程的理解提供帮助。

二、CFD软件在课堂教学中的应用

1.CFD教学模式的优势

与常规的多媒体课件模式(以下简称为“传统模式”)相比,直接用CFD软件在课堂教学中进行演示(以下简称为“CFD模式”)有如下优势:

(1)CFD模式使学生产生强烈的“参与感”。在传统模式教学中,多媒体课件往往是教师根据教材和教学大纲在课下制作的,包括思路的整理、教学内容的展示、素材的选取等,都是由教师一手操办,再到课堂上宣讲。在这种传统模式下的教学,学生没有看到知识点的组织和梳理过程,更没有亲身去参与到其中,这样他们往往是在被动地接受知识,缺少参与感。而CFD模式则不然,它可以直接针对具体的传热过程实例,教师在课下先画好模型,在课堂上用fluent软件一步步地设置边界条件、物性参数、求解方法。这样,例子的求解全过程同学们都能参与到,该过程是对流还是辐射、是层流还是紊流、是可压缩还是不可压缩、是定常还是非定常,同学们都能亲眼看到。可见,CFD模式可以把知识概念的灌输,变成知识脉络的整理,这对巩固学生们的知识、加深同学们对传热流动现象的理解都有巨大帮助。 (2)CFD模式能极好地活跃课堂氛围。在传统模式教学中,尽管多媒体课件中有较为丰富的图片、动画等元素,比粉笔黑板式教学要多元化得多,但教师在依靠其授课的过程中,本质仍是在照本宣科,只不过“本”换成了“课件”。除去教师个人能力因素来看,只依靠多媒体课件,课堂气氛难以活跃。在CFD模式中,对多媒体课件的“依靠”变成了对CFD软件的“操作”,教师把参数的设置过程、求解的迭代过程、后处理的显示过程全部展现在了同学们的面前。设置参数时的周密思考,求解时的紧张兴奋,结果显示时的成就感,甚至计算失误时的小失落,都会使课堂气氛变得活跃、热烈。

(3)CFD模式能有效激发学生对传热学的兴趣。在传统模式教学中,复杂的公式和抽象的边界条件只能借助一些相对活泼新鲜的图片或简单动画来显示,无法在学生脑中形成感性认识,更难以把传热问题复杂的求解过程“平易化”,很难激发学生的兴趣。我们知道,对于当代大学生来说,生活中最熟悉的东西莫过于电脑了,计算机技术的飞速发展使电脑普及到学生身边,新鲜的、功能强大的软件是大多数年轻人关注的热点,也是强烈的兴趣点。而CFD模式则正是利用fluent等商业软件,使相对枯燥的数学模型变得生动,把抽象的传热现象通过眼前新鲜的软件展示出来。这样能使学生对软件产生浓厚的兴趣,甚至会把兴趣带到课下,在摸索、学习软件的过程中自觉地加强对传热学、流体力学等基础课程的学习,把被动接受知识变成主动汲取知识。

2.CFD教学模式过程中需要注意的问题

作者通过在课堂上对CFD模式的摸索实践,深切感受到其优势,同时也发现了一些需要注意的问题。

(1)CFD模式对教师的软件操作能力要求较高。传统模式教学中,课件是事先做好的,课堂上只要按照预先的准备来放映即可,节奏与内容都很容易掌握。但在CFD模式中,由于教师要在课堂上当场用fluent演示全部求解过程,甚至即兴根据所讲的知识点进行建模和求解,所以需要教师对CFD软件有深刻的理解和高超的操作水平。

(2)CFD模式需要教师具备一定的临场应变能力。而且课堂上同学们可能会希望看到更多工况下的模拟结果,对于这些工况教师在课前未必会准备得很充分,不可避免会使教学过程出现小波折,比如出现求解不收敛、结果伪收敛等情况,这就需要教师有相应的应变能力,将这些小瑕疵转化成活跃课堂气氛的兴趣点。

(3)CFD模式对电脑有一定要求。CFD软件的求解过程需要电脑的CPU和内存共同高速运转,如果电脑状况很差,处理的模型比较大、网格比较多,就可能会出现死机现象。这种情况在课堂教学中真的很扫兴,应该尽量避免出现。所以需要教室内配备有相应配置的电脑,或是由教师自带性能足够的笔记本电脑,以便顺利完成教学。

三、教学实例

根据《传热学》中外部强制对流传热部分,[1]模拟流体横掠管束的传热过程。外掠管束换热在各种换热设备中极为常见,通常管束的排列有叉排和顺排两种方式。为帮助同学们理解,现假设了如下两个模型(见图1):

温度为T1=300K的空气以u=1m/s的速度分别冲刷叉排和顺排的两组管束,管束的温度均为T2=700K。d=100mm,s1=s2=150mm。

网格事先画好,在课堂上利用fluent软件对此二维模型进行模拟,展示相应的参数设置(见图2)。湍流模型选用k-ε模型,气体的粘度等参数按照相应温度下的物性设置,松弛因子用软件默认的即可(若希望加快收敛,可以将相应方程的松弛因子调低些)。

计算收敛后可以清晰地得到流场的速度云图(见图3,图5)、温度云图(见图4,图6)、局部放大速度矢量图(见图7),非常直观地展示了两种排列方式流动、换热过程的异同。

通过观看、参与参数的设置过程,使同学们明确了解决传热学问题的步骤和条件;而通过计算后得到的这些物理场图,可以加深同学们对空气流冲刷管束时强制对流传热的感性认识。

为进一步帮助学生对传热过程的理解,可以将稳态问题转化成非稳态问题,逐时进行求解。即在求解器中将Steady改成Transient(见图8),并设置时间步长(见图9),模拟出传热过程中特定时刻的状态。

图10-图13分别显示了叉排横掠管束内t=0.03s、t=0.1s、t=0.5s和t=1s时的温度云图。从这几张图中可清晰地看到叉排横掠管束强制对流的换热过程:换热器内原本温度较高,当空气流入时,由于管子与空气间存在温差,二者间发生了热的传递。流入的空气逐渐被高温管子加热,而内部原本温度很高的流场则被流入的空气冷却。整个过程最终会趋于稳态,渐渐与图4的稳态温度云图相吻合。

最后,用fluent进行简单的后处理,生成两种排列方式出口处的温度曲线图(见图14),叠在一起后便可以看出两种方式的换热差别。

可见,通过对传热过程的稳态模拟和逐时模拟,可以把原本难以捕捉的传热过程生动地展现出来,把抽象问题具体化、形象化,大大加深学生对传热过程的理解,激发大家对传热学的兴趣。

四、结论

综上所述,将CFD软件引入传热学课堂教学的教学方式能使学生更清晰地观察到流动传热现象,弥补现有多媒体教学中存在的缺陷。教师可以根据教学计划,在课堂上实时地模拟稳态和非稳态的传热过程,加深学生对传热过程的理解。

然而这种教学方式必然要求专业教师具有深厚的计算传热学和计算流体力学的理论基础,熟练操作使用数值计算软件的能力,还对教师的临场应变能力和教学现场的硬件水平有较高要求。

由于CFD软件教学模式具有新颖、灵活的特点,所以其能够得到学生的喜爱,活跃课堂氛围,激发学生学习兴趣,是提高教学质量的方法之一,值得广大教育工作者们继续深入研究。

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