邵 雪，趙 薇，劉 崢，于 戈

(遼寧工業(yè)大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001)

面向遼寧省社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，圍繞遼寧工業(yè)大學(xué)“省內(nèi)一流高水平應(yīng)用型大學(xué)”的辦學(xué)定位，建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程（簡(jiǎn)稱“建環(huán)”）專業(yè)建設(shè)瞄準(zhǔn)科技前沿和建筑行業(yè)轉(zhuǎn)型方向，納入行業(yè)新發(fā)展、新技術(shù)、新手段，以滿足應(yīng)用型專業(yè)人才培養(yǎng)要求。

仿真是以相似性原理、信息技術(shù)、數(shù)學(xué)計(jì)算及相關(guān)領(lǐng)域的有關(guān)知識(shí)為基礎(chǔ)，利用物理或數(shù)學(xué)方法來(lái)建立模型，以計(jì)算機(jī)為工具，利用物理或數(shù)學(xué)方法建立虛擬模型，對(duì)真實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究的一門綜合性技術(shù)[1]。它尋求過(guò)程的規(guī)律，研究系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，從而實(shí)現(xiàn)認(rèn)識(shí)和改造實(shí)際系統(tǒng)的目的[2]，具有很高的科學(xué)研究?jī)r(jià)值和巨大的經(jīng)濟(jì)效益，可解決大量實(shí)際工程問(wèn)題。應(yīng)用較多的為計(jì)算流體力學(xué)Ansys 仿真技術(shù)，其可以輔助工程師快速解決設(shè)計(jì)難題，減少周期，降低成本，且已進(jìn)入企業(yè)研發(fā)部門和建筑設(shè)計(jì)部門，被廣泛應(yīng)用于概念設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、樣機(jī)運(yùn)行、樣機(jī)改進(jìn)四大階段，目前已成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程的基本要素。

為了推進(jìn)培養(yǎng)適應(yīng)行業(yè)、產(chǎn)業(yè)需求、具有創(chuàng)新能力、高水平、應(yīng)用型人才[3]，一些工科院校也逐漸認(rèn)識(shí)到仿真工具的重要性，并且明晰了用人單位的崗位職責(zé)和任職要求，同時(shí)工科專業(yè)教師也意識(shí)到其在教學(xué)中的重要意義，領(lǐng)悟其對(duì)理論聯(lián)系工程實(shí)際的重要性，逐步將其推廣到本科課程的教學(xué)中。但是從目前來(lái)看，Ansys 的引用多是在本科高年級(jí)的學(xué)生中以團(tuán)隊(duì)、小組開展工程項(xiàng)目研究的方式進(jìn)行的，其未進(jìn)入課堂，可見，Ansys 應(yīng)用于課程的教學(xué)效果不理想。而課堂是教學(xué)活動(dòng)的主陣地，具有推廣范圍大、普及性強(qiáng)的特點(diǎn)，將Ansys引入兩門專業(yè)基礎(chǔ)課程，能夠踐行我校建環(huán)專業(yè)以學(xué)生為中心、成果為導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)的人才培養(yǎng)理念[4]，構(gòu)建強(qiáng)化工程實(shí)踐能力培養(yǎng)的課程體系、實(shí)踐教學(xué)體系和創(chuàng)新教育體系，推動(dòng)專業(yè)建設(shè)的內(nèi)涵發(fā)展。

一、引入仿真工具的必要性

（一）將理論圖像化，加強(qiáng)學(xué)生的理解

美國(guó)當(dāng)代著名教育心理學(xué)家、認(rèn)知心理學(xué)家與實(shí)驗(yàn)心理學(xué)家理查德·邁耶[5]認(rèn)為：“給學(xué)習(xí)者呈現(xiàn)教學(xué)信息時(shí)，語(yǔ)音和畫面是設(shè)計(jì)者可利用的有效方式”。

“工程熱力學(xué)”是研究熱、力等能量相互轉(zhuǎn)化的一門學(xué)科，內(nèi)容包括：能量工質(zhì)性質(zhì)、能量轉(zhuǎn)化過(guò)程和方向、能量轉(zhuǎn)化設(shè)備、能量傳遞系統(tǒng)流程。學(xué)生普遍認(rèn)為，整個(gè)課程理論性強(qiáng)、系統(tǒng)較分散、教學(xué)案例抽象，熱力計(jì)算得出的結(jié)果僅僅是數(shù)值?！皞鳠釋W(xué)”是研究熱量傳遞規(guī)律的學(xué)科，內(nèi)容包括：固體導(dǎo)熱、流體換熱、輻射換熱、流固耦合傳熱等不同類型傳熱方式，傳熱過(guò)程復(fù)雜多變，學(xué)生很難掌握多種類傳熱的應(yīng)用，不能說(shuō)明計(jì)算出來(lái)的結(jié)果的意義，得出的溫度數(shù)值、壓力數(shù)值、能量數(shù)值僅是靜態(tài)參數(shù)，無(wú)法形成完整流場(chǎng)?？梢?，“工程熱力學(xué)”和“傳熱學(xué)”作為理論公式較多、基礎(chǔ)性較強(qiáng)的課程，如果將數(shù)字轉(zhuǎn)為圖像，由點(diǎn)連成片，由面連成體，利用仿真工具作為輔助，發(fā)散學(xué)生思維，可以使學(xué)生在理解吸收教材知識(shí)的同時(shí)培養(yǎng)其想象力和創(chuàng)造力。所以，在教學(xué)中，將抽象的、理論性強(qiáng)的理論知識(shí)轉(zhuǎn)化成形象、直觀的圖像來(lái)講解是行之有效的方法。

（二）提高學(xué)生興趣

Ansys 是實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充，涉及多方面的工業(yè)領(lǐng)域，例如評(píng)估空調(diào)房間內(nèi)部的空氣流動(dòng)，以了解風(fēng)口布置、風(fēng)速、溫度對(duì)人體舒適性的影響；評(píng)估建筑保溫材料的保溫性能，以了解對(duì)北方地區(qū)減少的耗煤量而達(dá)到的經(jīng)濟(jì)效益；評(píng)估電腦、手機(jī)等電子產(chǎn)品冷卻方式和冷環(huán)境下的待機(jī)時(shí)間等。利用身邊的實(shí)例激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)把握授課良機(jī)，適當(dāng)引入仿真案例，使學(xué)生明白所學(xué)知識(shí)點(diǎn)在行業(yè)的用途：一是，利用模型+游戲，使案例教學(xué)更簡(jiǎn)易；二是，結(jié)果直觀+創(chuàng)意，使熱力計(jì)算教學(xué)不費(fèi)時(shí)；三是，數(shù)值計(jì)算獲得變工況熱力性能變化趨勢(shì)，減少計(jì)算工作量；四是，將專業(yè)知識(shí)轉(zhuǎn)成動(dòng)畫，使學(xué)習(xí)兩大專業(yè)主課的學(xué)生不再感到困難。

（三）培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力

就業(yè)難是大學(xué)教育以及社會(huì)發(fā)展客觀存在的問(wèn)題，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育是實(shí)現(xiàn)就業(yè)的載體。創(chuàng)業(yè)，是捕獲機(jī)會(huì)并由此創(chuàng)造新穎的產(chǎn)品或?qū)崿F(xiàn)其潛在價(jià)值的過(guò)程；創(chuàng)新，是以新思維、新發(fā)明和新描述具體特征的一種過(guò)程。為了推進(jìn)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的培養(yǎng)，學(xué)生從大二開始參加學(xué)校定期舉行的大學(xué)生創(chuàng)業(yè)計(jì)劃大賽、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競(jìng)賽等活動(dòng)。整個(gè)大賽理念是倡導(dǎo)學(xué)校和企業(yè)兩個(gè)知識(shí)生產(chǎn)主體共同參與知識(shí)生產(chǎn)全過(guò)程的產(chǎn)品型合作模式。這就要借助仿真工具這個(gè)載體來(lái)實(shí)現(xiàn)，開展現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研—數(shù)據(jù)采集—模型搭建—結(jié)果分析—預(yù)測(cè)過(guò)程等工業(yè)設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)鏈型研發(fā)小團(tuán)隊(duì)協(xié)作，凸顯大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的本領(lǐng)，為大學(xué)生創(chuàng)新、就業(yè)、創(chuàng)業(yè)助力。

二、將仿真工具引入課程的難點(diǎn)和解決方法

Ansys 是目前應(yīng)用性最廣、推廣性最強(qiáng)的一款計(jì)算機(jī)軟件。仿真工具從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)是大型計(jì)算器，使用電腦代替人腦，運(yùn)用復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式進(jìn)行大量計(jì)算。Ansys 內(nèi)含多組數(shù)學(xué)方程式及函數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，采用有限體積法以及全隱式耦合網(wǎng)格求解，在計(jì)算機(jī)中對(duì)控制方程式進(jìn)行求解，從而可以預(yù)測(cè)流場(chǎng)的傳熱與流動(dòng)。雖然此內(nèi)容是“傳熱學(xué)”數(shù)值解法中的一個(gè)章節(jié)，但引入時(shí)是從有限差分理論本質(zhì)上剖析實(shí)例，再加上有限元理論，這對(duì)于本科生而言是非常繁瑣的。

以Ansys 操作和結(jié)果展示為主要教學(xué)目的，針對(duì)以上難點(diǎn)解決的方法是：（1）利用學(xué)生大一、大二所學(xué)的數(shù)學(xué)方程中的積分方程、微分方程和偏微分方程進(jìn)行解釋與分析——積分是由部分求整體、微分是將整體分隔為部分求解、偏微分方程是部分的未知量二次求解；（2）為了方便學(xué)生操作，僅需要下載Ansys-Fluent 和Ansys-Workbench 兩個(gè)模塊；（3）按照教學(xué)內(nèi)容選取最適合的章節(jié)，典型的工質(zhì)流動(dòng)和傳熱的典型案例作為仿真實(shí)例，如：“工程熱力學(xué)”——節(jié)流閥、“傳熱學(xué)”——穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱；（4）將案例求解精簡(jiǎn)為三個(gè)步驟：提出問(wèn)題、化簡(jiǎn)問(wèn)題、解決問(wèn)題；（5）簡(jiǎn)化軟件操作為一條流程主線：幾何建?！W(wǎng)格劃分—求解計(jì)算—后處理，完成這幾個(gè)步驟就可以了，其中幾何建模部分可以把機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、建筑設(shè)備CAD 技術(shù)、工程制圖等課程貫穿進(jìn)去。這樣一來(lái)，既提高了學(xué)生綜合能力，同時(shí)一人一機(jī)，也培養(yǎng)了學(xué)生實(shí)際動(dòng)手解決問(wèn)題的能力。

三、課程中引入仿真工具的教學(xué)案例

（一）應(yīng)用ANSYS-CFD 分析“工程熱力學(xué)”教學(xué)案例

絕熱節(jié)流：絕熱節(jié)流是教學(xué)授課重點(diǎn)，很多高校把此章節(jié)內(nèi)容作為考研知識(shí)點(diǎn)，大部分學(xué)生的解決辦法是死記硬背，不明白流動(dòng)的原理。以教材例題為案例，簡(jiǎn)要建模，依據(jù)給定條件設(shè)置案例邊界條件，計(jì)算得到云圖（見圖1），學(xué)生們通過(guò)數(shù)值驗(yàn)證了當(dāng)流體通過(guò)絕熱節(jié)流原件時(shí)，面積突然縮小，局部阻力損失就會(huì)變大，這會(huì)出現(xiàn)壓力下降、熵增加、焓近似相等典型不可逆過(guò)程。通過(guò)顏色（紅色代表熱，對(duì)應(yīng)高的數(shù)值，藍(lán)色代表冷，對(duì)應(yīng)低的數(shù)值），學(xué)生進(jìn)一步明確了流體從進(jìn)口到出口的整體變化趨勢(shì)，與教材中如圖2所示的參數(shù)變化值進(jìn)行比照

圖1 節(jié)流閥內(nèi)各參數(shù)云圖

圖2 節(jié)流閥參數(shù)沿軸向變化的示意圖

（二）應(yīng)用ANSYS-CFD 分析“傳熱學(xué)”教學(xué)案例

三維穩(wěn)態(tài)單方向?qū)幔骸皞鳠釋W(xué)”的授課順序?yàn)閷?dǎo)熱—對(duì)流換熱—輻射換熱。導(dǎo)熱是傳熱之首，決定學(xué)生傳熱思維的建立。Ansys 模擬三維穩(wěn)態(tài)單方向?qū)釂?wèn)題，給定上下兩個(gè)面不同受熱溫度（見圖3），計(jì)算得到兩個(gè)面漸層的溫度分布情況（見圖4），使學(xué)生明白了不同材料的導(dǎo)熱系數(shù)、傳導(dǎo)方向厚度以及溫差三個(gè)參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)，驗(yàn)證了熱傳導(dǎo)的動(dòng)力是溫差，傳導(dǎo)的厚度、材質(zhì)是過(guò)程的阻力，而實(shí)質(zhì)是熱量的轉(zhuǎn)移的能量傳遞原理。

圖3 邊界及材料設(shè)置條件

圖4 單方向傳導(dǎo)溫度分布云圖

四、結(jié)論

Ansys應(yīng)用于建筑環(huán)境與能源應(yīng)用行業(yè)是大勢(shì)分析，驗(yàn)證了節(jié)流閥是一種耗功元件，在實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)中利用閥門來(lái)調(diào)節(jié)壓力和控制流量是有用的。所趨，是建筑能源領(lǐng)域一個(gè)重要的工具。為了使大學(xué)生就業(yè)能力與用人單位的用人期望相匹配，將仿真工具引入課程教學(xué)勢(shì)在必行。針對(duì)本科生難以領(lǐng)悟到仿真有限元理論本質(zhì)的問(wèn)題，教師需更新教學(xué)手段、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，結(jié)合學(xué)生特點(diǎn)進(jìn)行選科教學(xué)、適時(shí)引入仿真工具、挑選案例、簡(jiǎn)化流程、分析結(jié)果等一系列教學(xué)路線改革。利用一人一機(jī)，激發(fā)學(xué)生的主動(dòng)性；通過(guò)有限元學(xué)習(xí)，提高學(xué)生的數(shù)學(xué)計(jì)算和物理分析能力；通過(guò)軟件學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握一款仿真工具的使用，培養(yǎng)學(xué)生利用信息技術(shù)工具對(duì)理論知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)和模擬的能力；通過(guò)案例演練，使學(xué)生具備對(duì)教材中的例題進(jìn)行計(jì)算與分析的能力，培養(yǎng)學(xué)生工程熱物理思維，使學(xué)生的熱分析和熱設(shè)計(jì)綜合能力有所提高，并為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下良好基礎(chǔ)。