亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        CFD項目驅動《計算流體力學與傳熱學》課程教學改革探究

        2022-09-01 07:07:48湯松臻周俊杰
        科技創(chuàng)新導報 2022年11期
        關鍵詞:教學模式課程教學

        湯松臻 周俊杰

        (鄭州大學機械與動力工程學院 河南鄭州 450001)

        在國務院學位委員會和教育部聯(lián)合印發(fā)的《專業(yè)學位研究生教育發(fā)展方案(2020—2025)》中明確指出,發(fā)展專業(yè)學位研究生教育是實現(xiàn)高層次應用型專門人才培養(yǎng)的主要途徑??梢钥闯?,專業(yè)碩士研究生培養(yǎng)目標已經(jīng)逐漸向解決工程實踐問題能力發(fā)展。因此,結合專業(yè)碩士研究生培養(yǎng)目標,如何將專業(yè)課程建設與社會發(fā)展對研究生的要求相結合,成為專業(yè)碩士研究生課程教學改革所面臨的首要問題。

        《計算流體力學與傳熱學》課程是高等學校工科能源動力類和化工類等重要的專業(yè)基礎課程,是一門理論性和實踐性都較強的課程[1]。計算流體力學和計算傳熱學技術已經(jīng)成為了解決復雜流動傳熱問題的重要手段,并衍生出了這一新興學科[2-3]。對于復雜的流動傳熱問題,傳統(tǒng)的課程教學主要是通過理論教學和仿真案例進行,現(xiàn)在完全可以依賴數(shù)值仿真技術進行預測。計算流體力學和計算傳熱學的知識構成十分抽象,不易理解,同時通用案例相對固定,在教學過程中,難以激起學生的學習興趣。因此,傳統(tǒng)的教學模式已經(jīng)跟不上專業(yè)學位研究生教育發(fā)展方案對研究生培養(yǎng)的要求,亟需對該課程的教學內(nèi)容和模式進行深入改革。

        近些年來,為了改善專業(yè)課的教學效果,提升研究生的工程實踐能力,大量學者已經(jīng)對研究生的專業(yè)課程教學模式進行了探索和嘗試。其中,基于項目式學習的教學模式在課程教學中得到了廣泛應用[4-5]。該教學模式主要是問題導向,結合有效的研究項目實施的一種啟發(fā)性自主式教學方法。黃婷[6]通過問卷調(diào)查和訪談,提出了一種將分階學習和項目驅動復合的教學模式,以《電工基礎》課程為例,開展新型教學模式與傳統(tǒng)課堂教學的教學效果的對比測試。梁偉[7]以《GIS設計與實現(xiàn)》課程為例,設計了適應GIS專業(yè)的項目驅動教學模式,通過對3年學生的評教數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn),75%以上的學生認為自身的綜合能力得到明顯提升。周小杰[8]基于項目驅動教學法,對《新能源發(fā)電技術》課程進行改革,以“單相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)”為例,介紹教學模式的實施過程。王順宏等[9]將項目驅動教學法引入研究所《飛行動力學與制導》課程教學中,以二維翼型網(wǎng)格劃分和流場計算為例,介紹該模式的探索過程。張西文等[10]基于巖土工程的若干典型工程問題,結合相關專業(yè)軟件的實踐教學,構建了《巖土工程數(shù)值分析》課程的教學案例庫。沈利民等[11]針對有限元分析及應用課程中教學內(nèi)容太理論且與實踐結合少的問題,建立了先進加工、失效防護等仿真教學案例庫。

        基于此,筆者提出了基于CFD項目驅動的《計算流體動力學與傳熱學》課程教學模式探索,圍繞該課程的重點和工程實際問題,合理設計項目,開展分組項目式學習,并建立更為多元的考核評價方式,促進學生仿真實踐能力和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。

        1 當前課程教學面臨的問題

        鄭州大學能源動力類專業(yè)碩士研究生自2010年起開設了《計算流體力學與傳熱學》課程,該課程參考陶文銓院士編著的《計算流體力學與傳熱學》教材,課堂教學總課時為32學時,開設在研一的第2學期,采用小班授課。主要采用理論教學的方法進行授課,考核成績包括平時成績(40%)和課程設計成績(60%)。結合筆者對該課程教學過程的總結,發(fā)現(xiàn)以下問題。

        1.1 學生缺乏對該課程的學習興趣

        由于短學時和前期計算硬件的限制,該課程長期以理論課教學模式為主。但是《計算流體力學與傳熱學》課程內(nèi)容涉及了數(shù)值方法、高等傳熱學、高等流體力學等其他課程知識,教學內(nèi)容具有大量的理論推導,十分抽象、枯燥,難以引起學生主動學習該課程的興趣,導致該課程的實際教學效果不佳[12]。

        1.2 學生缺乏對數(shù)值計算基礎理論的掌握

        近些年來,鄭州大學能源動力類專業(yè)碩士研究生的研究課題中,開展數(shù)值模擬研究的課題比例已經(jīng)達到80%以上。而且,學生完全進行自編程的課題極少(主要為OPENFOAM 和LBM 方法研究),大部分課題研究均采用商用軟件(ANSYS 和COMSOL 等)。但是,多數(shù)學生的仿真能力均停留在能設置能運行的層面,不能夠理解相應參數(shù)的物理意義,對設置的合理性和結果的準確性也無法確定[13]。

        1.3 學生的成績評價方式較為單一

        現(xiàn)階段,該課程的考核方式為平時成績和課程設計成績。平時作業(yè)主要以理論推導為主,與教學內(nèi)容存在部分重疊,只是加強學生對教學知識的進一步掌握。在課程結束后,學生自行設定課程設計題目,開展相關理論或仿真研究。但是多數(shù)學生并不能真正掌握數(shù)值計算復雜工程問題的能力,甚至對仿真技術還未掌握,因此,這種模式并不能真正促進學生達到該課程所要求的培養(yǎng)目標。

        2 教學改革方案的設計

        2.1 基礎理論講解

        該課程首先要向學生講解計算流體力學與傳熱學的基本理論知識。盡管該課程的理論知識十分抽象,難以快速理解,但其始終為本課程的重點內(nèi)容。因此,教師應該將繁雜的理論推導過程形象化展示出來,讓學生先有初步認識,再結合具體案例使學生對理論知識有進一步的掌握。比如,在進行一維導熱問題的講解時,教師首先需要對該問題的數(shù)值計算過程進行詳細的教學,包括計算區(qū)域和控制方程的離散化、網(wǎng)格的劃分、邊界條件和初始條件的合理設置、代數(shù)方程組的求解方法等。然后,教師提供基本的教學程序,讓學生結合程序對整個數(shù)值求解過程進行深入理解。最后,教師對該問題進行進一步延伸,比如,讓學生進一步對比不同網(wǎng)格尺寸、邊界條件或求解方法對計算結果的影響,進而考查研究生對該部分教學內(nèi)容的掌握情況。

        2.2 開發(fā)計算流體力學與傳熱學教學項目

        針對現(xiàn)階段該課程存在的上述問題,提出了基于CFD項目驅動的《計算流體力學與傳熱學》課程教學模式,主要從以下3方面進行教改方案的設計。

        2.2.1 搭建遠程CFD仿真平臺

        流動傳熱問題的數(shù)值計算通常需要較大的計算資源,學生的筆記本基本難以滿足計算需求。此外,為了便于學生自主設計項目的實施,搭建小型服務器集群(如圖1所示),可以同時進行多任務的數(shù)值計算,保障學生開展自主設計項目的研究。仿真平臺上安裝有ANSYS、COMSOL、ABAQUS 等通用型仿真軟件,以及OPENFOAM、LAMMPS等開源軟件。

        圖1 遠程C F D 仿真平臺

        2.2.2 設計計算流體力學與傳熱學教學項目

        依據(jù)鄭州大學能源動力類專業(yè)的培養(yǎng)方案和該課程的教學要求,進行課程案例庫的建設,如圖2所示。目前,該課程已經(jīng)著重建立以下幾項專題項目,包括管內(nèi)流動與傳熱特性數(shù)值計算、外部強制對流傳熱特性數(shù)值計算、相變蓄熱特性數(shù)值計算、換熱器污垢熱阻數(shù)值計算。對于每一個教學項目,均按以下步驟實施。

        圖2 案例庫建設

        (1)項目文檔的建設。包括基本理論知識文檔、仿真項目教學大綱、項目報告模板。

        (2)必選教學項目的建設。包括教學項目教案、算例和報告。此部分為教師的演示內(nèi)容,設計了數(shù)值仿真的具體操作步驟及其與理論知識的關聯(lián)。

        (3)自主設計項目的實施。包括項目的研究方案、過程數(shù)據(jù)和完成報告。學生自發(fā)組隊,在教學項目的基礎上,進行頭腦風暴,開展進一步研究。

        2.3 改革考核方式

        將該課程的考核比例調(diào)整為平時成績占25%和項目完成成績占75%。在項目完成成績中,學生對自主設計項目進行答辯,其中,報告和匯報成績各占50%。

        3 CFD項目驅動的實踐教學項目開發(fā)案例

        以“相變蓄熱特性數(shù)值計算”專題為例,對項目開發(fā)步驟進行介紹。

        3.1 項目文檔的建設

        流體的熱量/冷量傳遞至相變材料后,相變材料發(fā)生熔化/凝固,相變材料在自然對流和熱傳導的作用下進行熱量傳遞。因此,在項目文檔中,對所遵循的質(zhì)量守恒、能量守恒以及動量守恒定律進行描述,講解解決該問題的數(shù)值計算方法。

        3.2 演示項目建設

        以水平雙管式蓄熱器為例,對蓄熱器結構進行簡化,建立蓄熱器物理模型,并采用Gambit 或ANSYS Meshing 進行網(wǎng)格劃分,確定合理的邊界條件(如圖3所示),利用計算流體力學仿真軟件FLUENT的凝固與熔化模塊,對其熔化與凝固特性進行數(shù)值計算。對其相變過程的液相分數(shù)和平均溫度進行實時監(jiān)測,并對計算結果進行后處理。圖4為蓄熱器內(nèi)相變材料的溫度分布、流線和固液界面位置。從圖4中可以看出,在熔化過程的初始階段(t=10min),導熱是傳熱的主要機制。隨著熔化過程的不斷進行,在浮力作用下,溫度較高的液體相變材料逐漸向上移動,產(chǎn)生自然對流效應,加速上部固相變化材料的熔化過程。另外,100min后,儲熱單元上部的PCM 基本熔化,而下部的熔化面積很小,這主要是因為上部PCM的熔化速率主要依賴于較強的自然對流。下部相變帶存在明顯的熱分層現(xiàn)象,導熱是該區(qū)域的主要驅動力。

        圖3 物理模型及邊界條件

        圖4 溫度分布、流線和固液界面位置

        在此過程中,為學生詳細介紹各種數(shù)學模型、邊界條件、求解方法的適用性和理論知識。

        3.3 自主設計項目的建設

        在演示項目的基礎上,教師給學生提供一些思路,比如,采用非均勻翅片進行蓄熱性能強化、如何實現(xiàn)熔化與特性的協(xié)同強化等。下面給出在教學時供學生研究的兩種研究思路。

        研究思路一:翅片強化方案(如圖5所示)。根據(jù)教學案例可知,蓄熱器底部存在明顯的熱分層現(xiàn)象,熔化速率緩慢。為了強化熔化性能,可以對比研究均勻翅片布置和非均勻翅片布置對熔化性能的影響。

        圖5 翅片強化方案

        研究思路二:多相變材料強化方案(如圖6所示)。根據(jù)教學案例可知,蓄熱器頂部的熔化速率明顯高于底部。因此,可以在頂部區(qū)域填充高熔點相變材料,在底部區(qū)域填充低熔點相變材料,實現(xiàn)熱量的梯級存儲。其中,PCM1、PCM2 和PCM3 分別為高熔點、中熔點及低熔點相變材料。

        圖6 多相變材料組合方案

        在項目實施的過程中,教師去全方位地引導學生檢索相關資料來建立該項目的技術路線、確定研究思路和方法、闡明解決方案與課程理論知識的關聯(lián)、輔助對研究結果進行分析優(yōu)化,對不合理的方案及時做出調(diào)整。

        4 結語

        本文探討了基于CFD 項目驅動的《計算流體動力學與傳熱學》課程教學改革方法。將自主設計的CFD項目與傳統(tǒng)理論教學相結合,促進了學生對該課程抽象理論知識的深度理解,促進了學生將理論與實踐相結合的意識和能力,并能夠最大限度地調(diào)動學生對解決工程實際問題的研究興趣,提升了《計算流體動力學與傳熱學》的課程教學效果和質(zhì)量,達到了能源動力類專業(yè)人才培養(yǎng)方案所要求的教學效果與教學目標。

        猜你喜歡
        教學模式課程教學
        群文閱讀教學模式探討
        數(shù)字圖像處理課程混合式教學改革與探索
        微課讓高中數(shù)學教學更高效
        甘肅教育(2020年14期)2020-09-11 07:57:50
        軟件設計與開發(fā)實踐課程探索與實踐
        計算機教育(2020年5期)2020-07-24 08:53:38
        為什么要學習HAA課程?
        “自我診斷表”在高中數(shù)學教學中的應用
        東方教育(2017年19期)2017-12-05 15:14:48
        對外漢語教學中“想”和“要”的比較
        唐山文學(2016年2期)2017-01-15 14:03:59
        “一精三多”教學模式的探索與實踐
        “導航杯”實踐教學模式的做法與成效
        學習月刊(2015年18期)2015-07-09 05:41:22
        5E教學模式對我國中學數(shù)學教學的啟示
        久久久国产打桩机| 一级午夜理论片日本中文在线| 99蜜桃在线观看免费视频| 久久久久成人精品免费播放动漫| 亚洲97成人精品久久久| 韩国av一区二区三区不卡| 亚洲中文字幕久久精品蜜桃| 人禽伦免费交视频播放| 久久精品国产一区二区蜜芽 | 99国产精品无码| 美日韩毛片| 超短裙老师在线观看一区| 亚洲中文字幕国产视频 | 国产精品成人av在线观看 | 午夜熟女插插xx免费视频| 丁香花在线影院观看在线播放| 久久精品爱国产免费久久| 亚洲天堂av在线观看免费| 国色天香社区视频在线| 精产国品一二三产区m553麻豆| 久久精品久久精品中文字幕| 精品久久久久久国产潘金莲| 成年网站在线91九色| 亚洲av天堂免费在线观看| 99久久精品日本一区二区免费| √最新版天堂资源在线| 毛片一级精油按摩无码| 国产精品一区二区三区四区亚洲| 亚洲国产精品久久电影欧美| 亚洲色欲色欲综合网站| 综合激情网站| 日韩亚洲在线观看视频| 成人免费自拍视频在线观看| 丰满熟妇乱子伦| 国产乱人伦真实精品视频| 99久久精品人妻一区| 伊人精品久久久久中文字幕| 三年片免费观看大全国语| 日韩一区二区不卡av| av在线免费观看麻豆| 九九影院理论片私人影院|