王海東

計算機和數(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，也為傳統(tǒng)工程設(shè)計和研究提供了便利的方法。計算流體動力學(xué)（CFD）通過利用數(shù)值方法求解流體流動和傳熱傳質(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)計和優(yōu)化分析、建筑室外環(huán)境評價分析和自然通風、特殊空間內(nèi)環(huán)境的分析和設(shè)計、建筑設(shè)備內(nèi)流體流動和傳熱的分析等，對于解決暖通空調(diào)實際問題具有巨大的潛力和優(yōu)勢[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)課和基于計算機模擬技術(shù)的新型獨立學(xué)科，其知識點涉及到流體力學(xué)、非線性偏微分方程、離散數(shù)學(xué)、數(shù)值分析、計算機編程等多個學(xué)科的內(nèi)容，具有極強的理論深度和抽象性[2]，因此對于學(xué)生的學(xué)習和教師的教學(xué)均提出了很高的挑戰(zhàn)。一方面，對于暖通專業(yè)的學(xué)生來說，其涉及到的專業(yè)知識范圍大大超出了該門學(xué)科的專業(yè)知識覆蓋范圍，例如流體力學(xué)的湍流流動、數(shù)值分析和求解、計算機編程等，因此在教學(xué)設(shè)計環(huán)節(jié)應(yīng)針對學(xué)生的認知層次合理的設(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]，對于暖通空調(diào)學(xué)科來說，其適用性和應(yīng)用經(jīng)驗主要源于該領(lǐng)域?qū)I(yè)人員的多年探索，因此對于教學(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)實踐。筆者結(jié)合自身為暖通空調(diào)專業(yè)學(xué)生開始計算流體力學(xué)方法課程的經(jīng)驗，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、以及建筑設(shè)備內(nèi)流體的流動和換熱等，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)域研究對象大多針對室內(nèi)空氣及建筑設(shè)備內(nèi)的流體的流動及換熱，流體可按不可壓縮流體來處理，因此課程只針對不可壓縮流體展開講解；暖通空調(diào)領(lǐng)域絕大多數(shù)對流擴散問題，因此不必對擴散問題和對流問題專門展開講解。

對于暖通學(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，通過常見的通風形式作為案例，進行CFD的應(yīng)用和評價方面的授課和練習，使學(xué)生可以體會和學(xué)習通風系統(tǒng)中，送風口、回風口在CFD建模過程中常用的簡化方式和其中包含的道理，領(lǐng)會室內(nèi)環(huán)境模擬中，對于室內(nèi)物體的簡化建模、對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)計實踐中的應(yīng)用案例，并注意不同案例之間彼此的銜接和對于工程實踐的指導(dǎo)價值的提煉。

2 根據(jù)暖通專業(yè)學(xué)生的認知特征設(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，對于這門全新的CFD課程在認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的鋪墊，并對必要的背景知識展開講解和指導(dǎo)課外閱讀和學(xué)習。例如基本的流體控制方程的推導(dǎo)過程，在教學(xué)實踐中應(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”，對于方法的來龍去脈有基本的了解。對于流體力學(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知；對于流體的數(shù)值計算和模擬，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]或者類似參考書進行講解和練習，以一維穩(wěn)態(tài)問題和最基本的中心差分格式為切入點，練習實際問題數(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)值分析與計算時，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，對其解耦算法通常采用的SIMPLE及在此基礎(chǔ)上改進的算法，同樣采用由淺入深的方式引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習和掌握，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，訓(xùn)練學(xué)生采用TDMA算法對于一維問題進行求解，并推廣到二維和三維問題，對該擴展過程的數(shù)據(jù)迭代更新形成更加深入的認識。

3 堅持傳統(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，而計算機多媒體技術(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)資源形成互動平臺的方式，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)實踐中也發(fā)現(xiàn)，在多媒體教學(xué)課件中插入大量動畫效果，學(xué)生的聽課注意力比平時更加集中。同時，通過放映典型的住宅小區(qū)風環(huán)境模擬和污染氣體擴散、辦公環(huán)境中上送風和下送風的氣流組織對比、客機機艙中乘客釋放污染物的傳播過程等一系列動態(tài)仿真模擬動畫，學(xué)生對于暖通空調(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)成為了當下高校教學(xué)過程中不可或缺的方式。

與此同時，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”，對于CFD知識的學(xué)習流于表面，尤其是流體的控制方程和離散的數(shù)學(xué)公式學(xué)習，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)習期間，應(yīng)堅持傳統(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畫為主，使學(xué)生對于課程形成感性的認知；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，使學(xué)生可以參與到建模和計算的過程中。通過三個階段不同教學(xué)方法的結(jié)合，使暖通空調(diào)專業(yè)的學(xué)生從基礎(chǔ)理論到軟件實踐各個環(huán)節(jié)掌握CFD方法。

4 授課內(nèi)容融入最新研究動態(tài)

任何學(xué)科都是動態(tài)發(fā)展的，尤其對于工程類學(xué)科，不斷有新的科研成果涌現(xiàn)，改變和深化人們對于某一問題的認知，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均法，采用標準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)及時的介紹這些新進展，并鼓勵學(xué)生去思考和實踐這些模型對于暖通空調(diào)領(lǐng)域的模擬性能。

5 考核方式

作為一門以工程應(yīng)用為目標的課程，傳統(tǒng)的考試方式無法客觀評價學(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)采用實踐作業(yè)加期末匯報的方式，并適當提高平時分數(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)習知識為目標，考察學(xué)生將理論知識應(yīng)用到工程實踐中的能力。期末考核布置工程實踐問題，讓學(xué)生獨立解決，訓(xùn)練其將工程實踐問題簡化為科學(xué)研究問題的能力，并通過期末課堂匯報的方式鍛煉學(xué)生與人溝通和匯報項目的能力。

6 總結(jié)

暖通專業(yè)的計算流體力學(xué)，應(yīng)結(jié)合專業(yè)的實際工程和科研需求，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，使學(xué)生的學(xué)習過程建立在自身專業(yè)背景和認知的基礎(chǔ)上。只有充分發(fā)揮學(xué)生的能動性，才能達到事半功倍的效果。

【參考文獻】

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

[2]章大海，王建軍，王宗明，等.關(guān)于計算流體力學(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.以計算流體力學(xué)實驗室為例探討互動平臺的構(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.

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