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。

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