張?jiān)? 胡自成 葛鳳華 宋新南 王謙

【摘要】本文探討了在本科畢業(yè)設(shè)計(jì)中加入運(yùn)用FLUENT軟件進(jìn)行工程計(jì)算分析的相關(guān)課題的可行性。實(shí)踐證明，學(xué)生通過運(yùn)用FLUENT軟件進(jìn)行工程計(jì)算，夯實(shí)了理論基礎(chǔ)，增強(qiáng)了解決本領(lǐng)域傳熱和流動(dòng)問題的能力，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和未來的專業(yè)競爭力。在做好本文所提及的三點(diǎn)問題（學(xué)生和課題的選擇、指導(dǎo)過程中的問題）的前提下，在畢業(yè)設(shè)計(jì)中加入FLUENT軟件工程計(jì)算相關(guān)課題不僅可行，還值得在一定范圍內(nèi)推廣。

【關(guān)鍵詞】FLUENT ?計(jì)算流體力學(xué) ?計(jì)算傳熱學(xué) ?畢業(yè)設(shè)計(jì)

【中圖分類號(hào)】G642.0 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2015）08-0028-02

1.引言

本科畢業(yè)設(shè)計(jì)是在本科教學(xué)過程的最后階段進(jìn)行的總結(jié)性的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。在畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，學(xué)生應(yīng)當(dāng)綜合運(yùn)用本科階段所學(xué)的各科知識(shí)和技能，對(duì)所需解決的課題進(jìn)行思考、分析、設(shè)計(jì)和研究，從而全面、系統(tǒng)地完成課題交給的任務(wù)?？梢姡厴I(yè)設(shè)計(jì)是對(duì)學(xué)生本科階段學(xué)習(xí)質(zhì)量的全面性的檢驗(yàn)，也對(duì)學(xué)生能否順利拿到畢業(yè)證書和學(xué)位證書起到直接和決定性的作用。

計(jì)算傳熱學(xué)又稱數(shù)值傳熱學(xué)，是研究用數(shù)值方法求解傳熱問題的一門科學(xué)。它可以理解為：根據(jù)所需求解的實(shí)際問題建立合理的數(shù)學(xué)模型，利用離散化處理的數(shù)值方法，再通過用計(jì)算機(jī)高級(jí)語言編制的程序，以計(jì)算機(jī)作為工具來求解傳熱問題的、與工程實(shí)踐密切結(jié)合的一門應(yīng)用基礎(chǔ)科學(xué)[1]。而市場占有率高達(dá)40%[2]的數(shù)值計(jì)算軟件FLUENT是解決傳熱領(lǐng)域數(shù)值計(jì)算問題的較好的通用軟件之一[3]。

運(yùn)用FLUENT等CFD軟件，可以在不具備實(shí)驗(yàn)條件或暫不需要對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的情況下，借助計(jì)算的方法進(jìn)行相關(guān)工程分析，從而極大地節(jié)約人力、物力、財(cái)力和時(shí)間成本。因此，在本科學(xué)習(xí)最后的畢業(yè)設(shè)計(jì)階段，若能讓部分學(xué)生學(xué)習(xí)并基本掌握FLUENT軟件對(duì)本領(lǐng)域問題的計(jì)算過程，將會(huì)在很大程度上促進(jìn)學(xué)生今后對(duì)相關(guān)問題的建模和分析等工作。

2.畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)工作應(yīng)注意的問題

由于FLUENT軟件的專業(yè)性，在指導(dǎo)與FLUENT軟件工程計(jì)算相關(guān)課題的時(shí)候，應(yīng)注意以下幾個(gè)問題：

（1）學(xué)生的選擇

要能較好地掌握FLUENT軟件相關(guān)計(jì)算過程，首先需要具有較為過硬的微積分、流體力學(xué)、傳熱學(xué)、計(jì)算傳熱學(xué)（也稱數(shù)值傳熱學(xué)）等相關(guān)學(xué)科的基礎(chǔ)知識(shí)。這不僅要求學(xué)生較好地理解課堂所講知識(shí)，還要能夠靈活運(yùn)用課內(nèi)外相關(guān)知識(shí)。有的學(xué)生學(xué)習(xí)能力和成績相對(duì)較弱，并不具備過硬的知識(shí)儲(chǔ)備和學(xué)習(xí)能力;有的學(xué)生未來從事的工作與本專業(yè)距離較遠(yuǎn)，或者對(duì)相關(guān)的數(shù)值計(jì)算興趣不大，因此缺乏從事相關(guān)課題畢業(yè)設(shè)計(jì)工作的原動(dòng)力;這些因素都會(huì)影響整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)工作的正常進(jìn)行。因此，對(duì)于與FLUENT軟件工程計(jì)算相關(guān)聯(lián)的畢業(yè)設(shè)計(jì)課題，并不是所有學(xué)生都適合來做。為了有效地開展相關(guān)的畢業(yè)設(shè)計(jì)課題，在學(xué)生的選擇上往往優(yōu)先推薦讓學(xué)習(xí)相對(duì)努力的、有興趣和求知欲的以及未來將繼續(xù)深造或從事相關(guān)科研工作的學(xué)生來進(jìn)行。

（2）課題的選擇

在本科教學(xué)階段，由于受限于書本和教學(xué)大綱的安排，教師在對(duì)流體力學(xué)、傳熱學(xué)等課程的講授中往往較少涉及數(shù)值計(jì)算相關(guān)知識(shí)，書本上只有一章內(nèi)容與之相關(guān)，課堂上一般只傳授數(shù)值計(jì)算的基本概念、簡單情況下的離散方法、離散方程的建立等較為淺顯的知識(shí)，這與FLUENT軟件中對(duì)相應(yīng)問題處理方法的深度和難度相去甚遠(yuǎn);然而，在畢業(yè)設(shè)計(jì)的短短一學(xué)期時(shí)間內(nèi)，要讓學(xué)生完全掌握相關(guān)知識(shí)是比較牽強(qiáng)的。因此，在FLUENT軟件工程計(jì)算相關(guān)課題的選擇上，應(yīng)選擇相對(duì)基礎(chǔ)性的、與實(shí)踐結(jié)合緊密的、具有科研應(yīng)用前景的課題作為畢業(yè)設(shè)計(jì)課題。這樣既可保證畢業(yè)設(shè)計(jì)工作的正常開展，也能使學(xué)生在軟件方面得到基本訓(xùn)練，為后續(xù)科研工作以及研究生階段的學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。

（3）指導(dǎo)過程中的問題

在畢業(yè)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)過程中，筆者發(fā)現(xiàn)有部分學(xué)生在使用軟件進(jìn)行計(jì)算時(shí)，較為注重結(jié)果的可視化，而恰恰對(duì)計(jì)算中關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)置、計(jì)算方法的選擇等關(guān)鍵問題較為忽視。造成該現(xiàn)象的原因可能是，無論在軟件中設(shè)置怎樣的參數(shù)、選擇怎樣的計(jì)算方法，總能通過軟件的計(jì)算得到一個(gè)可視化的結(jié)果，即使參數(shù)設(shè)置或計(jì)算方法的選擇欠妥或有誤，只要計(jì)算過程沒有脫離現(xiàn)實(shí)太遠(yuǎn)，計(jì)算結(jié)果看上去都有一定的可信度，再加上學(xué)生對(duì)具體計(jì)算過程的“不求甚解”、不仔細(xì)推敲，往往易使人誤認(rèn)為該計(jì)算過程是正確的。因此，在指導(dǎo)過程中，應(yīng)對(duì)學(xué)生使用軟件的具體計(jì)算過程進(jìn)行仔細(xì)地把關(guān)，確保計(jì)算過程和結(jié)果的正確性。

3.畢業(yè)設(shè)計(jì)算例

算例一：建筑空心砌塊傳熱問題

圖1a為所需計(jì)算的典型建筑空心砌塊的尺寸標(biāo)注圖。該砌塊是某典型普通混凝土空心砌塊，三排孔結(jié)構(gòu)，每排均由大小相等的兩個(gè)孔組成，孔厚30mm。熱量由室外側(cè)（左側(cè)）傳向室內(nèi)側(cè)（右側(cè)），室外側(cè)為穩(wěn)態(tài)或非穩(wěn)態(tài)熱邊界條件，室內(nèi)側(cè)為穩(wěn)態(tài)熱邊界條件。

圖1b為數(shù)值計(jì)算得到的該砌塊傳熱的某時(shí)刻溫度分布圖?？梢钥吹?，溫度從左到右大體上呈現(xiàn)由高到低的分布狀況。由于空心砌塊為非均質(zhì)構(gòu)件，砌塊材料的熱導(dǎo)率與空氣層的當(dāng)量熱導(dǎo)率不相等，造成了內(nèi)部等溫線的非均勻分布。

（a）空心砌塊結(jié)構(gòu)俯視圖（單位：mm） ? ? （b）典型砌塊溫度分布圖 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖1 空心砌塊結(jié)構(gòu)俯視圖

算例二：加氣混凝土墻體結(jié)露問題判斷

待計(jì)算的房屋的加氣混凝土自保溫墻體結(jié)構(gòu)類型如圖2所示，圖中的B05表示型號(hào)為B05的加氣混凝土砌塊。計(jì)算中，加氣混凝土砌塊可以認(rèn)為是熱均質(zhì)結(jié)構(gòu)，這樣導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)較高的混凝土柱或梁便成為了結(jié)構(gòu)體系中的熱橋。由圖3、圖4可以看到，加氣混凝土自保溫墻體內(nèi)表面溫度最低點(diǎn)均發(fā)生在熱橋部位室內(nèi)表面寬度的中心處或陰角處。將該處的溫度與當(dāng)?shù)厥覂?nèi)空氣的露點(diǎn)溫度相比較，既可判斷是否會(huì)產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象。

圖2 框架結(jié)構(gòu)房屋自保溫墻體結(jié)構(gòu)

圖3 B05厚度為50 mm墻體的溫度場

圖4 B05厚度為100 mm墻體的溫度場

4.總結(jié)

利用FLUENT軟件對(duì)實(shí)際工程問題進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，大大節(jié)約了經(jīng)濟(jì)開支和時(shí)間成本，也為學(xué)生對(duì)本領(lǐng)域的傳熱和流動(dòng)問題的解決提供了有效手段，夯實(shí)了學(xué)生的理論基礎(chǔ)，增強(qiáng)了其解決問題的能力。通過與從事相關(guān)畢業(yè)設(shè)計(jì)課題的學(xué)生的交流得知，學(xué)習(xí)FLUENT軟件的工程計(jì)算對(duì)學(xué)生更好地掌握相關(guān)物理過程起到了很好的幫助作用，拓寬了學(xué)生的視野，也提高了學(xué)生對(duì)相關(guān)問題的興趣，有助于提高他們的專業(yè)競爭力。由于興趣的作用，采用FLUENT軟件進(jìn)行工程計(jì)算的學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)得分總體較進(jìn)行其它課題的學(xué)生的得分高約15%。由此可見，在做好本文所提及的三點(diǎn)問題（學(xué)生和課題的選擇、指導(dǎo)過程中的問題）的前提下，在畢業(yè)設(shè)計(jì)中加入FLUENT軟件工程計(jì)算相關(guān)課題不僅可行，還值得在一定范圍內(nèi)推廣。

參考文獻(xiàn)：

[1]陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)（第2版）[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2001.

[2]姚征，陳康民.CFD通用軟件綜述[J].上海理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，24（2）：137-144.

[3]韓占忠，王小敬，蘭小平.FLUENT流體工程仿真計(jì)算的實(shí)例與應(yīng)用[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2004.

作者簡介：

張?jiān)矗?983.10-），男，博士，江蘇大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院講師，主要從事相變蓄能建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱性能研究。

王謙（1968.02-），男，博士，江蘇大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院院長，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事動(dòng)力機(jī)械燃油噴射與燃燒理論及技術(shù)研究。