观点 | 王海东：高校暖通空调专业计算流体动力学教学探讨

来源：上海理工大学教师发展中心

摘要：

      计算机和数值模拟技术的发展为工程学科带来了前所未有的契机,也为传统工程设计和研究提供了便利的方法。计算流体动力学(CFD)通过利用数值方法求解流体流动和传热传质的控制方程,在工程学科中具有重要的应用。在暖通空调工程领域里,CFD方法可方便的应用于建筑室内环境设计和优化分析、建筑室外环境评价分析和自然通风、特殊空间内环境的分析和设计、建筑设备内流体流动和传热的分析等,对于解决暖通空调实际问题具有巨大的潜力和优势，因此近年来在高校暖通学科中得到了不断的推广。

关键词：

力学; 高等教育

基金项目：

上海理工大学2017年度教师教学发展研究项目（项目编号CFTD17043Y）

来源：

《科技视界》 2016年23期

      计算机和数值模拟技术的发展为工程学科带来了前所未有的契机，也为传统工程设计和研究提供了便利的方法。计算流体动力学（CFD）通过利用数值方法求解流体流动和传热传质的控制方程，在工程学科中具有重要的应用。在暖通空调工程领域里，CFD 方法可方便的应用于建筑室内环境设计和优化分析、建筑室外环境评价分析和自 然通风、特殊空间内环境的分析和设计、建筑设备内流体流动和传热的分析等，对于解决暖通空调实际问题具有巨大的潜力和优势，因此近年来在高校暖通学科中得到了不断的推广。

      CFD 作为专业基础课和基于计算机模拟技术的新型独立学科，其知识点涉及到流体力学、非线性偏微分方程、离散数学、数值分析、计算机编程等多个学科的内容，具有极强的理论深度和抽象性，因此对于学生的学习和教师的教学均提出了很高的挑战。一方面，对于暖通专业的学生来说，其涉及到的专业知识范围大大超出了该门学科的专 业知识覆盖范围，例如流体力学的湍流流动、数值分析和求解、计算机编程等， 因此在教学设计环节应针对学生的认知层次合理的设定难度；另一方面，常规和传统意义上的 CFD 技术，从航空航天可压缩流体计算与模拟发展而来，在1970 年代首次由丹麦学者 Nielsen 博士首次引入室内空气研究领域，对于暖通空调学科来说，其适用性和应用经验主要源于该领域专业人员的多年探索，因此对于教学内容的取舍 将大大区别于作为专业基础课的教学实践。 笔者结合自身为暖通空调专业学生开始计算流体力学方法课程的经验，为提高 CFD 课程在暖通专业的教学效果，提出一些看法。

1 教学内容的设定应紧紧围绕暖通学科的基本需求

      CFD 方法在暖通空调领域主要用于室内外气流模拟和优化、特殊空间内环境分析和设计、以及建筑设备内流体的流动和换热等，因此课程的教学内容应紧紧围绕这一基本需求展开，对于 CFD 学科中与此无关的内容应尽量压缩，以节约有限的课程资源。例如，建筑环境领域研究对象大多针对室内空气及建筑设备内的流体的流动及换热，流体可按不可压缩流体来处理，因此课程只针对不可压缩流体展开讲解；暖通空调领域绝大多数对流扩散问题，因此不必对扩散问题和对流问题专门展开讲解。

      对于暖通学科常用的室内气流组织优化和室内环境设计，通过常见的通风形式作为案例，进行 CFD 的应用和评价方面的授课和练习， 使学生可以体会和学习通风系统中，送风口、回风口在 CFD 建模过程中常用的简化方式和其中包含的道理，领会室内环境模拟中，对于室内物体的简化建模、对流和辐射换热边界条件的设定等问题。

      为满足这些基本的需求， 课程中应安排大量的 CFD 在暖通设计实践中的应用案例，并注意不同案例之间彼此的衔接和对于工程实践的指导价值的提炼。

2 根据暖通专业学生的认知特征设定授课内容

      暖通空调专业的学生，不同与流体力学专业的学生，对于这门全新的 CFD 课程在认知深度上存在较大差距，因此在授课过程中要注意背景知识的铺垫，并对必要的背景知识展开讲解和指导课外阅读和学习。例如基本的流体控制方程的推导过程，在教学实践中应安排专门的环节，使学生尽量做到“知其然并知其所以然”，对于方法的来龙去脉有基本的了解。对于流体力学中常见的概念，如牛顿流体和非牛顿流体、稳态和非稳态、层流和湍流、可压缩和不可压缩、湍流模型等，形成基本观念上的认知；对于流体的数值计算和模拟，例如差分方法、网格、离散方法等，必须理解和掌握。教学过程中通过与学生已有知识结构相联系，力图使学生通过已掌握概念去理解新引入的概念。

      目前 CFD 常用的离散方法包括有限体积法和有限差分法，而暖通空调领域常用的有限体积法，其数学推导过程，推荐参照《有限体积法基础》或者类似参考书进行讲解和练习，以一维稳态问题和最基本的中心差分格式为切入点，练习实际问题数值解法的算例，并从一维问题逐渐过渡到三维问题， 以使学生在初次接触数值分析与计算时， 能够深刻理解和熟练掌握。由于纳维斯托克斯方程的求解涉及到速度和压力的耦合，对其解耦算法通常采用的 SIMPLE 及在此基础上改进的算法，同样采用由浅入深的方式引导学生学习和掌握，并以此为基础使学生将迭代的过程与商业 CFD 模拟软件的数值迭代联系起来。对于离散后的数值方程求解方法，结合工科基础现性代数课程所学知识，训练学生采用 TDMA 算法对于一维问题进行求解，并推广到二维和三维问题，对该扩展过程的数据迭代更新形成更加深入的认识。

3 坚持传统教学方法与现代多媒体教学相结合

      传统教学方法通常采用板书授课，而计算机多媒体技术则极大的丰富了教学过程，这种以现代多媒体技术，整合网络资源形成互动平台的方式，可大大提高学生参与度，改善教学效果。笔者在教学实践中也发现，在多媒体教学课件中插入大量动画效果，学生的听课注意力比平时更加集中。同时，通过放映典型的住宅小区风环境模拟和污染气体扩散、办公环境中上送风和下送风的气流组织对比、客机机舱中乘客释放污染物的传播过程等一系列动态仿真模拟动画，学生对于 暖通空调领域这些常见的现象有了更直观的了解，因此现代多媒体技 术成为了当下高校教学过程中不可或缺的方式。

      与此同时，由于多媒体技术的便利性，传统的板书授课的教学方式常常被忽视。对于这门课程，单一的多媒体教学容易使学生“走马观花”，对于 CFD 知识的学习流于表面，尤其是流体的控制方程和离散的数学公式学习，多媒体课件播放免去了一步步推导的过程，也就失去了学生的参与，因此在 CFD 理论学习期间，应坚持传统的板书教学方法。笔者在这门课程的教学中，第一阶段的教学以多媒体课件和模拟动画为主，使学生对于课程形成感性的认知；第二阶段则以板书教学为主，推导流体控制方程和离散方程公式；第三阶段则是软件模拟授课和练习，使学生可以参与到建模和计算的过程中。通过三个阶段不同教学方法的结合，使暖通空调专业的学生从基础理论到软件实践各个环节掌握 CFD 方法。

4 授课内容融入最新研究动态

      任何学科都是动态发展的，尤其对于工程类学科，不断有新的科研成果涌现，改变和深化人们对于某一问题的认知，CFD 作为暖通领域的新兴科学更是如此，许多最新的研究结论和成果没有反应到教科书中，因此学生学到的知识存在一定的滞后性。为此，在教学过程中， 应将教师自身在科研方面的优势发挥到教学中去。例如在暖通空调领域，工程中最常用的湍流处理方式是用雷诺时均法，采用标准 k-e 模型，可以获得较为满意的模拟结果。而随着行业的发展，研究人员提出了一种基于混合长度模型的适用于室内环境模拟的零方程模型；后来，人们通过对比不同的湍流模型发现 RNG k-e 模型在这些模型中具有较好的普适性，因此在课堂中应及时的介绍这些新进展，并鼓励学生去思考和实践这些模型对于暖通空调领域的模拟性能。

5 考核方式

      作为一门以工程应用为目标的课程，传统的考试方式无法客观评价学生在这门以应用为主的课程教学中的表现，因此应采用实践作业 加期末汇报的方式，并适当提高平时分数所占比重， 例如由常用的30%比例提高到 40%，课程作业以巩固课堂学习知识为目标，考察学生将理论知识应用到工程实践中的能力。期末考核布置工程实践问题，让学生独立解决，训练其将工程实践问题简化为科学研究问题的能力，并通过期末课堂汇报的方式锻炼学生与人沟通和汇报项目的能力。

6 总结

      暖通专业的计算流体力学， 应结合专业的实际工程和科研需求， 根据学生的专业背景设定授课内容，坚持传统教学和信息技术多媒体 教学相结合的方式，发挥不同教学形式的优势，使学生的学习过程建立在自身专业背景和认知的基础上。只有充分发挥学生的能动性，才能达到事半功倍的效果。

参考文献略

排版：张慧颖