王輝 解明杰 向文鳳 羅馬吉 袁守利

[摘 要]針對目前傳熱學課程實驗課時不斷壓縮，實驗與講課脫節(jié)以及實驗資源有限導致實驗難的情況，課題組提出了建立傳熱學虛擬實驗平臺的方法?；贔luent仿真平臺，以傳熱學“穩(wěn)態(tài)球體法測試粒狀材料的導熱系數(shù)”實驗為例，通過利用Scheme開放編程工具，建立虛擬實驗平臺的界面，實現(xiàn)對后臺Fluent案例的調(diào)用、初始化和自動執(zhí)行，完成虛擬實驗平臺的建立。將虛擬實驗平臺得到的模擬結(jié)果與理論結(jié)果相比較，驗證該虛擬實驗平臺的合理性和科學性，可以此來替代傳統(tǒng)實驗。

[關鍵詞]傳熱學;虛擬實驗平臺;開發(fā);Fluent;Scheme語言

[中圖分類號] G64 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2019）03-0080-04

傳熱學課程概念多且抽象，公式復雜，理解困難等特點，導致學生學習困難甚至厭學[1-2]。麻省理工學院開發(fā)基于Matlab的用于傳熱學實驗教學的虛擬實驗平臺，在課程教學中起到一定作用[3]。華中科技大學的許國良開發(fā)了Saints2000的傳熱學虛擬實驗平臺，功能強大，但學生只能用它模擬傳熱學現(xiàn)象，而不能參與到其模塊的擴充[4]。當前虛擬實驗平臺對于復雜的實驗建模難以再現(xiàn)，比如三維瞬態(tài)對流換熱實驗，無法真實的再現(xiàn)傳熱學實驗過程。

本文以傳熱學中“穩(wěn)態(tài)球體法測試粒狀材料的導熱系數(shù)”為例，提出基于Fluent軟件開發(fā)傳熱學虛擬實驗平臺的方法。在Fluent仿真平臺的基礎上[5]，利用Scheme語言建立虛擬實驗平臺的界面，實現(xiàn)對后臺Fluent案例的調(diào)用和執(zhí)行，完成虛擬實驗平臺的建立。通過將虛擬實驗平臺上得到的模擬結(jié)果與理論結(jié)果相比較，驗證該虛擬實驗平臺的合理性和科學性。

該平臺通過計算機手段對物理實驗進行模擬，形象直觀地反映出實驗的導熱過程和測定原理，學生可自行參與操作，既能激起學生的學習興趣，又對現(xiàn)有的實驗教學提供了必要的補充。

一、傳熱學物理實驗

（一）實驗原理

兩個同心的紫銅球壁的內(nèi)半徑分別是r1和r2（直徑為d1和d2）。將兩個紫銅球壁的內(nèi)外表面溫度分別控制為t1和t2，并且保持溫度穩(wěn)定。

根據(jù)傅里葉導熱定律，對球壁傳熱進行求解得到如下公式：

由于溫度波動的范圍較小，可以將材料的導熱系數(shù)與溫度的關系近似成線性關系處理，然后對上式積分求解并代入邊界條件，得到：

因此，根據(jù)實驗時測出的銅球的內(nèi)外壁的溫度t1和t2，然后可由公式（3）可以得出在tm時所填充的粒狀材料的導熱系數(shù)λm。

（二）實驗設備

實驗裝置結(jié)構(gòu)及測量系統(tǒng)。內(nèi)球殼內(nèi)部有電加熱絲進行加熱，內(nèi)球殼外壁和外球殼內(nèi)壁之間均勻的填充滿被測的粒狀物料，外球d2為150mm到200m，內(nèi)球d1為70mm到100mm。加熱溫度t1、t2分別由連接于內(nèi)球和外球表面的兩對銅-康銅熱電偶測得，電加熱功率Q由連接于實驗線路中的電壓表、電流表監(jiān)測并讀取。外球殼的散熱方式采用雙水套球結(jié)構(gòu)，使恒溫液套球的恒溫效果不受外界環(huán)境溫度的影響。

（三）實驗步驟

將待測物料烘干后均勻地填充在同心球的夾層之間;安裝并校準測試儀器，確保球體嚴格對稱，檢查接線等無誤后接通電源，待測試儀溫度達到穩(wěn)定狀態(tài)記錄數(shù)據(jù);調(diào)整加熱功率，重復上述的操作并記錄實驗數(shù)據(jù);實驗完畢后關閉電源，整理好實驗儀器后按要求離開實驗室。

二、虛擬平臺的設計與實現(xiàn)

（一）虛擬實驗平臺入口建立

該虛擬實驗平臺入口采用VB語句實現(xiàn)。建立VBS文件，用記事本打開。根據(jù)fluent.exe路徑修改Link.TargetPath。根據(jù)“*.scm”文件的路徑，修改Link.Arguments。雙擊運行虛擬VBS文件，生成虛擬實驗平臺入口文件。雙擊運行該入口文件，打開“傳熱學實驗平臺”菜單即可查看運行結(jié)果。

（二）前處理

根據(jù)物理實驗，設置九組模型：內(nèi)球70mm-外球150mm-同心、內(nèi)球85mm-外球150mm-同心、內(nèi)球100mm-外球150mm-同心、內(nèi)球70mm-外球200mm-同心、內(nèi)球85mm-外球200mm-同心、內(nèi)球100mm-外球200mm-同心、內(nèi)球70mm-外球150mm-偏心5mm、內(nèi)球70mm-外球150mm-偏心10mm、內(nèi)球70mm-外球150mm-偏心20mm。模型采用NX建立，導出Parasolid，保存的格式為“.x_t”。

網(wǎng)格劃分采用ICEM。“.x_t”模型導入ICEM后，對球殼進行四面體網(wǎng)格劃分，靈活地調(diào)整最大單元，網(wǎng)格劃分得越細對于最終的迭代計算越有利。

將網(wǎng)格導入Fluent，設置單位，能量方程[6]，區(qū)域的屬性、重力、觀察面以及求解的殘差監(jiān)視，利用write功能生成case文件。

（三）虛擬平臺的實現(xiàn)

1.窗口建立

需要實現(xiàn)的功能是在Fluent的現(xiàn)有菜單欄的基礎上添加“傳熱學實驗平臺”菜單項。在Fluent讀入Scheme程序時，沒有入口函數(shù)，所有函數(shù)只加載不執(zhí)行，只執(zhí)行函數(shù)外的語句。代碼由以下部分構(gòu)成：

A. 定義rp變量（不是函數(shù)）。

B. 定義窗口及內(nèi)部控件函數(shù)。

C. 定義菜單（不是函數(shù)）。

D. 定義執(zhí)行函數(shù)。

Fluent在載入程序時，只執(zhí)行了A與C這兩部分的代碼。

定義rp變量代碼如下所示：

（define （set-new-var s v t）

（if （not （rp-var-object s））

（rp-var-define s v t #f）

）

）set-new-var

定義菜單部分代碼如下所示：

（let （（menu （cx-add-menu“傳熱學實驗平臺”#＼U ）））

（cx-add-item menu“實驗一穩(wěn)態(tài)球體法測粒狀材料的導熱系數(shù)” #＼U #f cx-client？ gui-my-input-panel）

;（cx-add-item menu “后處理” #＼O #f cx-client？ gui-output-panel）

（set！ *cx-exit-on-error* #f）

）

2.定義窗口控件

通過菜單欄上“傳熱學實驗平臺”按鈕打開一個能直觀反映需要仿真的實驗的具體過程。根據(jù)物理實驗，目標窗口需要包含以下元素：

A.導熱球模型選擇（前述九種參數(shù)模型）。

B.備選材料庫，如表1所示。

C.加熱電壓（根據(jù)換算關系50V—220V，對應熱流密度516.5W/m2—10000W/m2）。

D.外球表面換熱狀態(tài)[7]（自然對流換熱，對流換熱系數(shù)為10W/m2.K;強制對流換熱，對流換熱系數(shù)為5W/m2.K;強制對流換熱，對流換熱系數(shù)為20W/m2.K）。

E.恒溫冷卻套（有無恒溫冷卻套）。

根據(jù)設計，需要一個symbol-list（多選欄輸入）來選擇九種不同的球殼網(wǎng)格模型;一個drop-down-list（下拉菜單輸入）來選擇五種實驗填充材料;一個反映實驗電壓的table;一個下拉菜單輸入來表示外球表面換熱狀態(tài);一個切換按鈕表示是否有恒溫冷卻。設計的panel（窗口）實驗步驟。

3.窗口提交功能實現(xiàn)

實驗平臺實現(xiàn)按照實驗步驟，設置好實驗參數(shù)，裝填好試驗材料，確定對應的實驗工況后，點擊ok按鈕，然后自動載入對應的網(wǎng)格模型，加載實驗材料，設置計算模型，并開始計算，輸出結(jié)果。

而要實現(xiàn)提交功能，首先需要用到rpsetvar方法，點擊ok按鈕之后，獲取窗口輸入。

代碼如下：

（define （apply-cb . args）

（rpsetvar 'list-instructment-type （cx-show-list-selections list-instructment-type-entry））

（rpsetvar 'list-instructment-cool （cx-show-toggle-button list-instructment-cool-entry））

（rpsetvar 'list-material-type （cx-show-list-selections list-material-type-entry））

（rpsetvar 'r-condition-vlotage （cx-show-scale list-condition-vlotage-entry））

（rpsetvar 'list-condition-convection （cx-show-list-selections list-condition-convection-entry））

（rpsetvar 'list-condition-Temperature （cx-show-scale list-condition-Temperature-entry））

執(zhí)行函數(shù)在表格提交之后根據(jù)窗口輸入調(diào)用Fluent載入case文件，進行設置、計算以及顯示溫度場[8]云圖。執(zhí)行函數(shù)中初始化功能如下：

（ti-menu-load-string

（format#f "solve/initialize/hyb-initialization "））

在點擊ok按鈕之后，自動實現(xiàn)初始化。命令表達語句本身是控制臺命令，實現(xiàn)了初始化的目的。

下面這個語句載入對應的網(wǎng)格模型，是case文件的關鍵所在：

（define x （rpgetvar 'list-instructment-type））

（define title （format #f "～a.cas" （car x）））

（ti-menu-load-string （format #f "file read-case ～a" （format #f "～s" title）））

虛擬平臺系統(tǒng)會根據(jù)用戶的選擇載入對應的case進行運算，前述rpsetvar賦值，這里使用rpgetvar獲取變量值。

4.虛擬平臺驗證

為了突出可視化的效果，最終實驗結(jié)果以溫度場的形式展現(xiàn)。選取內(nèi)球70mm-外球150mm-同心模型、木炭、自然對流得出的結(jié)果。

讀出的數(shù)據(jù)顯示：內(nèi)球壁面溫度是最高溫度388.3347K，外球壁溫度最低是334.7348K。

依據(jù)傅里葉導熱定律，可以求出材料在361K時導熱系數(shù)λ=0.2786W/（m.K），與所填充的材料木炭的導熱系數(shù)0.28 W/（m.K）相比非常接近，誤差為ξ=（0.2786-0.28）/0.28=?0.5%。由此可見，所建立的仿真模型在仿真實驗的時候數(shù)據(jù)可信。

上述不僅演示了實驗過程，還直觀展示了物理實驗觀察不到的溫度場，這一點對于教學來說意義重大。

由此可以看出，該實驗平臺具備相當可信度?？紤]到物理實驗中可能出現(xiàn)的誤差情況，對球殼不同心的情況做出了仿真設計，在偏心20mm的情況下得到外壁溫度316.5K，內(nèi)壁溫度362.5K。根據(jù)傅里葉導熱定律計算出該材料的導熱系數(shù)λ=0.302W/（m.K），與該材料（黑炭）實際導熱系數(shù)λ=0.28的誤差為ξ=（0.30-0.28）/0.28≈7.2%，由此可見，當內(nèi)外球殼不同心時，會出現(xiàn)較大的實驗誤差。

三、結(jié)論

課題組在Fluent平臺上運用Scheme程序開發(fā)了傳熱學虛擬實驗平臺。以此可實現(xiàn)對傳熱學教學實驗“穩(wěn)態(tài)球體法測試粒狀材料的導熱系數(shù)”的仿真模擬。

雖然此虛擬實驗平臺僅適用于該實驗，但是其可視化的效果與這種虛擬實驗平臺的理念卻是通用的。在高校的教學過程中，有大量的實驗，且相當一部分實驗現(xiàn)象不顯著、耗時長，如果能夠列出一個開發(fā)實驗平臺計劃大綱，鼓勵在校有興趣的學生去嘗試開發(fā)，這對加深學生對教學實驗的理解和對自身掌握知識的融會貫通，都具有重大意義。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 侴愛輝， 馮妍卉， 張欣欣，等.虛擬實驗在“傳熱學”實驗教學中的應用[J]. 實驗室研究與探索，2011（6）：312-315.

[2] 趙海波， 周秋淑， 高興奎，等. 傳熱學實驗教學用仿真工具的開發(fā)[J]. 科技信息，2013（14）：15.

[3] 路浩杰. 虛擬仿真實驗平臺研究與設計[D].杭州：杭州電子科技大學，2012.

[4] 姜昌偉， 傅俊萍， 趙李鐵. 基于Matlab的傳熱學虛擬實驗開發(fā)[J]. 中國電力教育， 2008（z1）：316-317.

[5] Alexandru T， Mantea T， Pupaza C， et al. Heat Transfer Simulation for Thermal Management of Electronic Components [J].Proceedings in Manufacturing Systems， 2016（1）：15-26.

[6] 張書義， 劉松， 曹汝恒，等. 基于Fluent的汽車散熱器熱耦合仿真[J]. 汽車實用技術，2016（6）：88-89，102.

[7] 楊麗紅， 孫小橋， 鄧長勝，等.電纜測偏儀散熱器的溫度場穩(wěn)態(tài)熱分析[J]. 現(xiàn)代制造工程，2010（12）：84-87.

[8] 房全國， 李家偉， 姜逢章，等. 基于Fluent的蛇管換熱器耦合傳熱數(shù)值模擬[J].化肥設計，2015（6）：15-19.

[責任編輯：鐘 嵐]