高校暖通空調(diào)專業(yè)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)教學(xué)探討

王海東

計(jì)算機(jī)和數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展為工程學(xué)科帶來了前所未有的契機(jī)，也為傳統(tǒng)工程設(shè)計(jì)和研究提供了便利的方法。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）通過利用數(shù)值方法求解流體流動(dòng)和傳熱傳質(zhì)的控制方程，在工程學(xué)科中具有重要的應(yīng)用。在暖通空調(diào)工程領(lǐng)域里，CFD方法可方便的應(yīng)用于建筑室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)和優(yōu)化分析、建筑室外環(huán)境評(píng)價(jià)分析和自然通風(fēng)、特殊空間內(nèi)環(huán)境的分析和設(shè)計(jì)、建筑設(shè)備內(nèi)流體流動(dòng)和傳熱的分析等，對(duì)于解決暖通空調(diào)實(shí)際問題具有巨大的潛力和優(yōu)勢(shì)[1]，因此近年來在高校暖通學(xué)科中得到了不斷的推廣。

CFD作為專業(yè)基礎(chǔ)課和基于計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的新型獨(dú)立學(xué)科，其知識(shí)點(diǎn)涉及到流體力學(xué)、非線性偏微分方程、離散數(shù)學(xué)、數(shù)值分析、計(jì)算機(jī)編程等多個(gè)學(xué)科的內(nèi)容，具有極強(qiáng)的理論深度和抽象性[2]，因此對(duì)于學(xué)生的學(xué)習(xí)和教師的教學(xué)均提出了很高的挑戰(zhàn)。一方面，對(duì)于暖通專業(yè)的學(xué)生來說，其涉及到的專業(yè)知識(shí)范圍大大超出了該門學(xué)科的專業(yè)知識(shí)覆蓋范圍，例如流體力學(xué)的湍流流動(dòng)、數(shù)值分析和求解、計(jì)算機(jī)編程等，因此在教學(xué)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)應(yīng)針對(duì)學(xué)生的認(rèn)知層次合理的設(shè)定難度；另一方面，常規(guī)和傳統(tǒng)意義上的CFD技術(shù)，從航空航天可壓縮流體計(jì)算與模擬發(fā)展而來，在1970年代首次由丹麥學(xué)者Nielsen博士首次引入室內(nèi)空氣研究領(lǐng)域[3]，對(duì)于暖通空調(diào)學(xué)科來說，其適用性和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)主要源于該領(lǐng)域?qū)I(yè)人員的多年探索，因此對(duì)于教學(xué)內(nèi)容的取舍將大大區(qū)別于作為專業(yè)基礎(chǔ)課的教學(xué)實(shí)踐。筆者結(jié)合自身為暖通空調(diào)專業(yè)學(xué)生開始計(jì)算流體力學(xué)方法課程的經(jīng)驗(yàn)，為提高CFD課程在暖通專業(yè)的教學(xué)效果，提出一些看法。

1 教學(xué)內(nèi)容的設(shè)定應(yīng)緊緊圍繞暖通學(xué)科的基本需求

CFD方法在暖通空調(diào)領(lǐng)域主要用于室內(nèi)外氣流模擬和優(yōu)化、特殊空間內(nèi)環(huán)境分析和設(shè)計(jì)、以及建筑設(shè)備內(nèi)流體的流動(dòng)和換熱等，因此課程的教學(xué)內(nèi)容應(yīng)緊緊圍繞這一基本需求展開，對(duì)于CFD學(xué)科中與此無關(guān)的內(nèi)容應(yīng)盡量壓縮，以節(jié)約有限的課程資源。例如，建筑環(huán)境領(lǐng)域研究對(duì)象大多針對(duì)室內(nèi)空氣及建筑設(shè)備內(nèi)的流體的流動(dòng)及換熱，流體可按不可壓縮流體來處理，因此課程只針對(duì)不可壓縮流體展開講解；暖通空調(diào)領(lǐng)域絕大多數(shù)對(duì)流擴(kuò)散問題，因此不必對(duì)擴(kuò)散問題和對(duì)流問題專門展開講解。

對(duì)于暖通學(xué)科常用的室內(nèi)氣流組織優(yōu)化和室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)，通過常見的通風(fēng)形式作為案例，進(jìn)行CFD的應(yīng)用和評(píng)價(jià)方面的授課和練習(xí)，使學(xué)生可以體會(huì)和學(xué)習(xí)通風(fēng)系統(tǒng)中，送風(fēng)口、回風(fēng)口在CFD建模過程中常用的簡(jiǎn)化方式和其中包含的道理，領(lǐng)會(huì)室內(nèi)環(huán)境模擬中，對(duì)于室內(nèi)物體的簡(jiǎn)化建模、對(duì)流和輻射換熱邊界條件的設(shè)定等問題。

為滿足這些基本的需求，課程中應(yīng)安排大量的CFD在暖通設(shè)計(jì)實(shí)踐中的應(yīng)用案例，并注意不同案例之間彼此的銜接和對(duì)于工程實(shí)踐的指導(dǎo)價(jià)值的提煉。

2 根據(jù)暖通專業(yè)學(xué)生的認(rèn)知特征設(shè)定授課內(nèi)容

暖通空調(diào)專業(yè)的學(xué)生，不同與流體力學(xué)專業(yè)的學(xué)生，對(duì)于這門全新的CFD課程在認(rèn)知深度上存在較大差距，因此在授課過程中要注意背景知識(shí)的鋪墊，并對(duì)必要的背景知識(shí)展開講解和指導(dǎo)課外閱讀和學(xué)習(xí)。例如基本的流體控制方程的推導(dǎo)過程，在教學(xué)實(shí)踐中應(yīng)安排專門的環(huán)節(jié)，使學(xué)生盡量做到“知其然并知其所以然”，對(duì)于方法的來龍去脈有基本的了解。對(duì)于流體力學(xué)中常見的概念，如牛頓流體和非牛頓流體、穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)、層流和湍流、可壓縮和不可壓縮、湍流模型等，形成基本觀念上的認(rèn)知；對(duì)于流體的數(shù)值計(jì)算和模擬，例如差分方法、網(wǎng)格、離散方法等，必須理解和掌握。教學(xué)過程中通過與學(xué)生已有知識(shí)結(jié)構(gòu)相聯(lián)系，力圖使學(xué)生通過已掌握概念去理解新引入的概念。

目前CFD常用的離散方法包括有限體積法和有限差分法，而暖通空調(diào)領(lǐng)域常用的有限體積法，其數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程，推薦參照《有限體積法基礎(chǔ)》[4]或者類似參考書進(jìn)行講解和練習(xí)，以一維穩(wěn)態(tài)問題和最基本的中心差分格式為切入點(diǎn)，練習(xí)實(shí)際問題數(shù)值解法的算例，并從一維問題逐漸過渡到三維問題，以使學(xué)生在初次接觸數(shù)值分析與計(jì)算時(shí)，能夠深刻理解和熟練掌握。由于納維斯托克斯方程的求解涉及到速度和壓力的耦合，對(duì)其解耦算法通常采用的SIMPLE及在此基礎(chǔ)上改進(jìn)的算法，同樣采用由淺入深的方式引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握，并以此為基礎(chǔ)使學(xué)生將迭代的過程與商業(yè)CFD模擬軟件的數(shù)值迭代聯(lián)系起來。對(duì)于離散后的數(shù)值方程求解方法，結(jié)合工科基礎(chǔ)現(xiàn)性代數(shù)課程所學(xué)知識(shí)，訓(xùn)練學(xué)生采用TDMA算法對(duì)于一維問題進(jìn)行求解，并推廣到二維和三維問題，對(duì)該擴(kuò)展過程的數(shù)據(jù)迭代更新形成更加深入的認(rèn)識(shí)。

3 堅(jiān)持傳統(tǒng)教學(xué)方法與現(xiàn)代多媒體教學(xué)相結(jié)合

傳統(tǒng)教學(xué)方法通常采用板書授課，而計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)則極大的豐富了教學(xué)過程，這種以現(xiàn)代多媒體技術(shù)，整合網(wǎng)絡(luò)資源形成互動(dòng)平臺(tái)的方式，可大大提高學(xué)生參與度，改善教學(xué)效果[5]。筆者在教學(xué)實(shí)踐中也發(fā)現(xiàn)，在多媒體教學(xué)課件中插入大量動(dòng)畫效果，學(xué)生的聽課注意力比平時(shí)更加集中。同時(shí)，通過放映典型的住宅小區(qū)風(fēng)環(huán)境模擬和污染氣體擴(kuò)散、辦公環(huán)境中上送風(fēng)和下送風(fēng)的氣流組織對(duì)比、客機(jī)機(jī)艙中乘客釋放污染物的傳播過程等一系列動(dòng)態(tài)仿真模擬動(dòng)畫，學(xué)生對(duì)于暖通空調(diào)領(lǐng)域這些常見的現(xiàn)象有了更直觀的了解，因此現(xiàn)代多媒體技術(shù)成為了當(dāng)下高校教學(xué)過程中不可或缺的方式。

與此同時(shí)，由于多媒體技術(shù)的便利性，傳統(tǒng)的板書授課的教學(xué)方式常常被忽視。對(duì)于這門課程，單一的多媒體教學(xué)容易使學(xué)生“走馬觀花”，對(duì)于CFD知識(shí)的學(xué)習(xí)流于表面，尤其是流體的控制方程和離散的數(shù)學(xué)公式學(xué)習(xí)，多媒體課件播放免去了一步步推導(dǎo)的過程，也就失去了學(xué)生的參與，因此在CFD理論學(xué)習(xí)期間，應(yīng)堅(jiān)持傳統(tǒng)的板書教學(xué)方法。筆者在這門課程的教學(xué)中，第一階段的教學(xué)以多媒體課件和模擬動(dòng)畫為主，使學(xué)生對(duì)于課程形成感性的認(rèn)知；第二階段則以板書教學(xué)為主，推導(dǎo)流體控制方程和離散方程公式；第三階段則是軟件模擬授課和練習(xí)，使學(xué)生可以參與到建模和計(jì)算的過程中。通過三個(gè)階段不同教學(xué)方法的結(jié)合，使暖通空調(diào)專業(yè)的學(xué)生從基礎(chǔ)理論到軟件實(shí)踐各個(gè)環(huán)節(jié)掌握CFD方法。

4 授課內(nèi)容融入最新研究動(dòng)態(tài)

任何學(xué)科都是動(dòng)態(tài)發(fā)展的，尤其對(duì)于工程類學(xué)科，不斷有新的科研成果涌現(xiàn)，改變和深化人們對(duì)于某一問題的認(rèn)知，CFD作為暖通領(lǐng)域的新興科學(xué)更是如此，許多最新的研究結(jié)論和成果沒有反應(yīng)到教科書中，因此學(xué)生學(xué)到的知識(shí)存在一定的滯后性。為此，在教學(xué)過程中，應(yīng)將教師自身在科研方面的優(yōu)勢(shì)發(fā)揮到教學(xué)中去。例如在暖通空調(diào)領(lǐng)域，工程中最常用的湍流處理方式是用雷諾時(shí)均法，采用標(biāo)準(zhǔn)k-e模型，可以獲得較為滿意的模擬結(jié)果。而隨著行業(yè)的發(fā)展，研究人員提出了一種基于混合長度模型的適用于室內(nèi)環(huán)境模擬的零方程模型[6]；后來，人們通過對(duì)比不同的湍流模型發(fā)現(xiàn)RNG k-e模型在這些模型中具有較好的普適性[7]，因此在課堂中應(yīng)及時(shí)的介紹這些新進(jìn)展，并鼓勵(lì)學(xué)生去思考和實(shí)踐這些模型對(duì)于暖通空調(diào)領(lǐng)域的模擬性能。

5 考核方式

作為一門以工程應(yīng)用為目標(biāo)的課程，傳統(tǒng)的考試方式無法客觀評(píng)價(jià)學(xué)生在這門以應(yīng)用為主的課程教學(xué)中的表現(xiàn)，因此應(yīng)采用實(shí)踐作業(yè)加期末匯報(bào)的方式，并適當(dāng)提高平時(shí)分?jǐn)?shù)所占比重，例如由常用的30%比例提高到40%，課程作業(yè)以鞏固課堂學(xué)習(xí)知識(shí)為目標(biāo)，考察學(xué)生將理論知識(shí)應(yīng)用到工程實(shí)踐中的能力。期末考核布置工程實(shí)踐問題，讓學(xué)生獨(dú)立解決，訓(xùn)練其將工程實(shí)踐問題簡(jiǎn)化為科學(xué)研究問題的能力，并通過期末課堂匯報(bào)的方式鍛煉學(xué)生與人溝通和匯報(bào)項(xiàng)目的能力。

6 總結(jié)

暖通專業(yè)的計(jì)算流體力學(xué)，應(yīng)結(jié)合專業(yè)的實(shí)際工程和科研需求，根據(jù)學(xué)生的專業(yè)背景設(shè)定授課內(nèi)容，堅(jiān)持傳統(tǒng)教學(xué)和信息技術(shù)多媒體教學(xué)相結(jié)合的方式，發(fā)揮不同教學(xué)形式的優(yōu)勢(shì)，使學(xué)生的學(xué)習(xí)過程建立在自身專業(yè)背景和認(rèn)知的基礎(chǔ)上。只有充分發(fā)揮學(xué)生的能動(dòng)性，才能達(dá)到事半功倍的效果。

【參考文獻(xiàn)】

[1]趙彬，李先庭，胡斌，等.計(jì)算流體力學(xué)在暖通空調(diào)工程中的應(yīng)用[J].制冷空調(diào)與電力機(jī)械，2001，22（4）.

[2]章大海，王建軍，王宗明，等.關(guān)于計(jì)算流體力學(xué)教學(xué)的若干思考[J].教書育人，20l1（5）：94-95.

[3]Nielsen PV. Flow in Air Conditioned Rooms English Translation， 1976[D]. Technical University of Denmark，1974：121.

[4]李人憲.有限體積法基礎(chǔ)[M].國防工業(yè)出版社，2005.

[5]任慧軍.以計(jì)算流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室為例探討互動(dòng)平臺(tái)的構(gòu)建[J].氣象教育與科技，2007（2）：22-26.

[6]Chen Y， Xu WR. A zero- equation turbulence model for indoor airflow simulation. Energy and Buildings， 1998，28（2）：137-44.

[7]Zhang Z， Zhang W， Zhai ZJ， Chen QY. Evaluation of various turbulence models in predicting airflow and turbulence in enclosed environments by CFD： Part 2： Comparison with experimental data from literature. HVAC&R Research，2007，13（6）：871-86.

[責(zé)任編輯：王偉平]