流体力学及传热学基础

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流体力学及传热学基础范文第1篇

“传热学”是一门研究由温度差引起的热能传递规律的学科，[1]根据热力学第二定律，只要是有温差存在，就有热能自发地从高温物体传递给低温物体。[2]而无论是自然环境里，还是在人类生产技术领域里，到处都存在着温差，所以热能传递现象在我们生存的世界中广泛存在。因此，作为一门研究热量传递规律的科学，传热学所涉及的范围极其广泛，成为了人类认识世界、改造世界的重要工具。

随着科技的进步，新能源、化工制药、航天航空等领域都在蓬勃发展，而它们都离不开大量的或简单、或复杂的传热过程。所以，在当代的高等教育中，“传热学”课程不仅是能源动力类专业主要的专业基础课，同样也是建筑环境、化学工程、机械制造等专业学科的重要课程。[3]

一、传热学课程存在的问题及CFD技术简介

1.传热学教学中存在的问题

传热学的教学内容丰富，因专业所需不同、所用教材版本不同，所以侧重点也不尽相同，但通常都包括稳态和非稳态的热传导及其数值解法、对流传热相关理论和计算、热辐射相关理论和计算，以及传热过程分析等内容。我国开设传热学的历史已颇悠久，广大教育工作者在长期的教学实践中总结出了很多有效、实用的教学方法。但由于热量的传递过程比较抽象，而且通常伴随着流体的流动现象，过程复杂多变，学生理解起来往往很吃力。

实验教学无疑是帮助学生理解传热现象的好途径，但成本甚高、操作复杂，如果实验设备昂贵笨重则更是根本无法带到课堂上来。而且流动传热过程往往瞬息万变，稍纵即逝的实验现象不易捕捉、显示，这也为实验教学带来了一定困难。传统的粉笔黑板式教学模式经济、简便，但相对古板、静态，难以将热量传递现象描述得流畅生动。新兴的多媒体教学是很适合讲解传热学的教学方式，但如果没有专门的配图、动画等资源来辅助，也很难将复杂的流动、传热过程表达清楚。所以，急需寻找一种能针对具体物理过程的演示方法，为课堂教学提供支持，以便学生更好地观摩、理解传热过程。

2.CFD技术简介

CFD是Computational Fluid Dynamics（计算流体力学）的简称，特指通过计算机的数值计算和数据汇总处理、图像显示等功能，是对包含有流体流动和传热等相关物理现象进行求解分析的技术。通过CFD技术，我们可以利用计算机来计算、分析并显示流动与传热现象，在较短的时间内解决流体力学、传热学问题。CFD的基本思想可以归结为：把原来在时间域及空间域上连续的物理场（如速度场和压力场），用有限个离散点上的变量的集合来代替，通过一定的方式建立起关于这些离散点上场变量之间的代数方程组，然后通过对代数方程组的迭代求解，来获得场变量的近似值。[4]

一个完整的CFD模拟过程通常包含如下几个主要环节：根据实际情况建立数学模型；将计算区域离散化；选择合适的数值算法求解；计算结果的显示与后处理。

简单地说，CFD相当于“虚拟”地在计算机里做实验，用以模拟实际的流体流动与传热情况。由于其不用搭建实体的试验台，不用购买、制作真实的工程仪器，仅仅把计算机作为工具和场所，所以相对于传统实验研究具有速度快、成本低、操作性强等优势。

随着计算机技术的蓬勃发展，越来越多的科研工作者和工程技术人员把实验室搬到了电脑里，用数值模拟方式代替传统实验，取得了理想的结果。如今，CFD在各行各业都有广泛应用，大到飞机的外部流场和电站锅炉内部燃烧、传热过程的仿真，小到燃料电池内的化学反应、人体血管血液流动过程的模拟，都有CFD参与其中。

目前全世界已有几十种求解流动与传热问题的商用CFD软件，比较著名的有FLUENT、CFX、PHOENICS、Icepak等，而FLUENT是其中较为成熟、使用较为广泛的一款。FLUENT内置了多种算法（包括非耦合隐式算法、耦合显式算法、耦合隐式算法），包含丰富而先进的物理模型，能够胜任对各种流体的对流换热、固体或流体间的热传导、热辐射等复杂传热现象的模拟。而且其操作界面友好、迭代过程迅速准确、计算结果显示美观清晰，无疑是传热学多媒体教学的好帮手。

作者基于多年传热学教学经验，希望通过用fluent软件模拟传热过程的方式，在课堂上简洁、生动地展示传热现象，为学生对流动传热过程的理解提供帮助。

二、CFD软件在课堂教学中的应用

1.CFD教学模式的优势

与常规的多媒体课件模式（以下简称为“传统模式”）相比，直接用CFD软件在课堂教学中进行演示（以下简称为“CFD模式”）有如下优势：

（1）CFD模式使学生产生强烈的“参与感”。在传统模式教学中，多媒体课件往往是教师根据教材和教学大纲在课下制作的，包括思路的整理、教学内容的展示、素材的选取等，都是由教师一手操办，再到课堂上宣讲。在这种传统模式下的教学，学生没有看到知识点的组织和梳理过程，更没有亲身去参与到其中，这样他们往往是在被动地接受知识，缺少参与感。而CFD模式则不然，它可以直接针对具体的传热过程实例，教师在课下先画好模型，在课堂上用fluent软件一步步地设置边界条件、物性参数、求解方法。这样，例子的求解全过程同学们都能参与到，该过程是对流还是辐射、是层流还是紊流、是可压缩还是不可压缩、是定常还是非定常，同学们都能亲眼看到。可见，CFD模式可以把知识概念的灌输，变成知识脉络的整理，这对巩固学生们的知识、加深同学们对传热流动现象的理解都有巨大帮助。

（2）CFD模式能极好地活跃课堂氛围。在传统模式教学中，尽管多媒体课件中有较为丰富的图片、动画等元素，比粉笔黑板式教学要多元化得多，但教师在依靠其授课的过程中，本质仍是在照本宣科，只不过“本”换成了“课件”。除去教师个人能力因素来看，只依靠多媒体课件，课堂气氛难以活跃。在CFD模式中，对多媒体课件的“依靠”变成了对CFD软件的“操作”，教师把参数的设置过程、求解的迭代过程、后处理的显示过程全部展现在了同学们的面前。设置参数时的周密思考，求解时的紧张兴奋，结果显示时的成就感，甚至计算失误时的小失落，都会使课堂气氛变得活跃、热烈。

（3）CFD模式能有效激发学生对传热学的兴趣。在传统模式教学中，复杂的公式和抽象的边界条件只能借助一些相对活泼新鲜的图片或简单动画来显示，无法在学生脑中形成感性认识，更难以把传热问题复杂的求解过程“平易化”，很难激发学生的兴趣。我们知道，对于当代大学生来说，生活中最熟悉的东西莫过于电脑了，计算机技术的飞速发展使电脑普及到学生身边，新鲜的、功能强大的软件是大多数年轻人关注的热点，也是强烈的兴趣点。而CFD模式则正是利用fluent等商业软件，使相对枯燥的数学模型变得生动，把抽象的传热现象通过眼前新鲜的软件展示出来。这样能使学生对软件产生浓厚的兴趣，甚至会把兴趣带到课下，在摸索、学习软件的过程中自觉地加强对传热学、流体力学等基础课程的学习，把被动接受知识变成主动汲取知识。

2.CFD教学模式过程中需要注意的问题

作者通过在课堂上对CFD模式的摸索实践，深切感受到其优势，同时也发现了一些需要注意的问题。

（1）CFD模式对教师的软件操作能力要求较高。传统模式教学中，课件是事先做好的，课堂上只要按照预先的准备来放映即可，节奏与内容都很容易掌握。但在CFD模式中，由于教师要在课堂上当场用fluent演示全部求解过程，甚至即兴根据所讲的知识点进行建模和求解，所以需要教师对CFD软件有深刻的理解和高超的操作水平。

（2）CFD模式需要教师具备一定的临场应变能力。而且课堂上同学们可能会希望看到更多工况下的模拟结果，对于这些工况教师在课前未必会准备得很充分，不可避免会使教学过程出现小波折，比如出现求解不收敛、结果伪收敛等情况，这就需要教师有相应的应变能力，将这些小瑕疵转化成活跃课堂气氛的兴趣点。

（3）CFD模式对电脑有一定要求。CFD软件的求解过程需要电脑的CPU和内存共同高速运转，如果电脑状况很差，处理的模型比较大、网格比较多，就可能会出现死机现象。这种情况在课堂教学中真的很扫兴，应该尽量避免出现。所以需要教室内配备有相应配置的电脑，或是由教师自带性能足够的笔记本电脑，以便顺利完成教学。

三、教学实例

根据《传热学》中外部强制对流传热部分，[1]模拟流体横掠管束的传热过程。外掠管束换热在各种换热设备中极为常见，通常管束的排列有叉排和顺排两种方式。为帮助同学们理解，现假设了如下两个模型（见图1）：

温度为T1=300K的空气以u=1m/s的速度分别冲刷叉排和顺排的两组管束，管束的温度均为T2=700K。d=100mm，s1=s2=150mm。

网格事先画好，在课堂上利用fluent软件对此二维模型进行模拟，展示相应的参数设置（见图2）。湍流模型选用k-ε模型，气体的粘度等参数按照相应温度下的物性设置，松弛因子用软件默认的即可（若希望加快收敛，可以将相应方程的松弛因子调低些）。

计算收敛后可以清晰地得到流场的速度云图（见图3，图5）、温度云图（见图4，图6）、局部放大速度矢量图（见图7），非常直观地展示了两种排列方式流动、换热过程的异同。

通过观看、参与参数的设置过程，使同学们明确了解决传热学问题的步骤和条件；而通过计算后得到的这些物理场图，可以加深同学们对空气流冲刷管束时强制对流传热的感性认识。

为进一步帮助学生对传热过程的理解，可以将稳态问题转化成非稳态问题，逐时进行求解。即在求解器中将Steady改成Transient（见图8），并设置时间步长（见图9），模拟出传热过程定时刻的状态。

图10-图13分别显示了叉排横掠管束内t=0.03s、t=0.1s、t=0.5s和t=1s时的温度云图。从这几张图中可清晰地看到叉排横掠管束强制对流的换热过程：换热器内原本温度较高，当空气流入时，由于管子与空气间存在温差，二者间发生了热的传递。流入的空气逐渐被高温管子加热，而内部原本温度很高的流场则被流入的空气冷却。整个过程最终会趋于稳态，渐渐与图4的稳态温度云图相吻合。

最后，用fluent进行简单的后处理，生成两种排列方式出口处的温度曲线图（见图14），叠在一起后便可以看出两种方式的换热差别。

可见，通过对传热过程的稳态模拟和逐时模拟，可以把原本难以捕捉的传热过程生动地展现出来，把抽象问题具体化、形象化，大大加深学生对传热过程的理解，激发大家对传热学的兴趣。

四、结论

综上所述，将CFD软件引入传热学课堂教学的教学方式能使学生更清晰地观察到流动传热现象，弥补现有多媒体教学中存在的缺陷。教师可以根据教学计划，在课堂上实时地模拟稳态和非稳态的传热过程，加深学生对传热过程的理解。

流体力学及传热学基础范文第2篇

Abstract Heat transfer is a very important professional basic course in Energy and Environmental Systems Engineering professional direction， but also a comprehensive interdisciplinary curriculum. From the characteristics of the course， combined heat transfer teaching experience， analyzes some problems existing in the teaching on how to mobilize the enthusiasm of students， improve teaching quality is discussed. Hope to provide some reference for other similar courses or professional education.

Key words heat transfer； teaching； Energy and Environmental Systems Engineering

0 引言

传热学主要研究热量传递的机理、规律、计算和测试方法等基础理论知识。传热现象与过程广泛存在于自然界和工农业生产、高新科技及交叉学科前沿的各个领域，在能源（包括常规能源、核能、可再生能源）、动力、制冷、化工、建筑环境、微电子、航空航天、微机电系统、新材料、纳米技术、军事科学与技术、生命科学与生物技术等领域中大量存在热质传递过程与热控技术问题。传热学是当今科学技术发展的最重要的技术基础之一。

目前，国内外高等学校都对该类课程给予了高度重视。传热学课程已经成为能源动力类、机械类与建工类等院系重要的平台课。传热学课程中除了介绍国内外成熟的定论以外，还要大量介绍国内外最新的有关研究成果。通过各环节的教学，应使学生获得热量传递规律的基础知识，具备分析工程传热问题的基本能力，掌握计算工程传热问题的基本方法及一定的实验技能，不仅为学生学习有关的专业课提供基本的理论知识，而且也为以后从事热能的合理利用、热工设备效能的提高及换热器的设计等方面的工作打下必要的基础。

1 传热学课程的特点

“传热学”课程从热量传递的三种基本方式入手，主要介绍热量传递的基本规律，为学习后续“供热工程”、“空气调节”、“制冷原理及设备”、“热源设备”、 “热泵技术”和“建筑节能技术”等课程提供必要的理论基础。“传热学”作为学科基础理论课，其牵扯的概念颇多，理论性很强。其中一些新的理论和新的概念对学生来说不易理解和掌握，增加了课程学习的难度。该课程（能源与环境系统工程专业）的知识模块顺序及对应的学时如下：热能传递基本方式及传热过程，4学时；导热基本定律，2学时；一维和多维稳态导热求解，2学时；非稳态导热，4学时；导热问题的数值解法，4学时；对流传热的理论基础，4学时；单相对流传热的实验关联式，4学时；相变对流传热，4学时；热辐射基本定律及物体的辐射特性，4学时；辐射换热的计算，4学时；传热过程分析与换热器热计算，4学时。

2 “传热学”教学中存在的问题

在教学过程中，学生普遍会反映“传热学”学习难度大。根据调查笔者认为难学的原因主要有以下几点：

（1）传热学本身内容涉及到的高等数学基础知识深而广，而且对传热的研究历史较长，前人总结了大量的概念、公式。例如在传热学的理论推导中经常用到微积分、泰勒展开、偏微分方程组的求解方法等。而且刚接触传热学的低年级学生在与高年级学生的交流中就会得到类似传热学特别难的印象，增加了畏难情绪。同时传热学内容分散，各主要部分相对独立。由于课时安排和教学大纲的限制，以学生为主体的研究性学习内容较少，以锻炼学生工程实践能力为目的的实验教学内容较少，使得学生缺乏分析和解决实际问题的能力。

（2）在对流传热内容的学习过程中，由于其牵扯到流体力学的纳维斯托克斯方程，而N-S方程本身就是流体力学学习的难点，所以大大增加了对流传热的复杂性。特别是关于湍流流态的对流传热和相变对流传热，目前还不能从理论上推导出实际情况下的努赛尔数计算公式，大部分都是使用经验关联式的状态。学生会感到难以理解。

（3）在传统的单向灌输式教学中，教师与学生之间的互动较少，很难激发学生的学习兴趣和独立分析解决问题的意愿。同时部分学生学习态度不够好，怕吃苦不努力，对新的课程未作预习，课后也没有独立完成作业和复习。学生对传热学的基本原理未能深刻理解，而是停留在机械记忆的层面上。

（4）期终考试采用传统的闭卷考核方法不够合理。为了应对考试，学生复习时认真推导公式，多做习题，但传热学这门课程的概念多、方程多、经验公式多，学生无法全部背出。对考试的命题范围有很大的限制。同时也不利于培养学生的独立思考能力，更无法对学生是否达到卓越工程师的要求进行考查。

3 教学方法的探讨

3.1 调动学生学习的积极性

兴趣是最好的老师，如果学生缺乏学习的兴趣，必将只能为了应付考试而机械记忆，更不可能做到运用学习的知识来解决实际中的问题。而调动学生的积极性，要从第一节课始，到最后一节课终。在一开始给学生介绍传热学这门课程时，可以通过图片展示传热学知识在传统工业、高新技术、节能环保和日常生活中的应用。在授课过程中，将授课内容与日常生活中的现象以及在建筑、冶金、化工、航天等行业的广泛应用结合起来。比如在讲授临界热绝缘直径内容时，先以生活中的现象为例，提问是不是冬天带上手套就一定能起到保暖的作用。再引申到在工业管道外部附加保温层是否就一定能达到保温的效果。学生通常都会想当然地认为是。这时以电线散热等实例说明附加保温层后散热量并不一定减少，甚至有时会起到增强散热的效果，这会大大激发学生的好奇心和探求原因的欲望。在明白了机理后，学生会深刻地理解和记忆能否保温还得看绝热层外径的大小，当绝热层外径小于临界热绝缘直径时起不到保温的作用，相反可以增强换热。再如对于能源与环境系统工程专业来说，空调系统中最重要的两个部件是蒸发器和冷凝器，都为相变对流换热器。其中蒸发器中制冷工质沸腾吸热，冷凝器中制冷工质凝结放热。其换热的机理都来自教材中相变对流传热章节。在该章节讲述之前，可以从学生们日常中经常接触的空调系统为引入点，提起学生的学习兴趣。这样能够激发学生的学习主动性与积极性，加深他们对知识的理解和掌握程度，增强他们分析问题和解决问题的能力，有利于他们学习能力的提高和创造性思维的培养。

3.2 优化组合教学方法和手段

教学方法是多种多样的，如发现式、启发式、提问式和讨论式等。不同课程采用的教学方法不同，即使是同一节课，也往往需要采用多种教学方法。同时在教学过程中采用现代化的电子技术和信息手段，包括光学媒体、音响媒体、计算机教学系统和各种教学软件的应用。这样可以使课堂教学包含更大的信息量，同时对实践教学的不足给予一定的补充。但要避免出现杨叔子院士列举的多媒体教学中多种错误形式和问题，如 ：“照屏宣科”、“人幕分离”、“对屏讲解”、“快速浏览”等。更不能将PPT变成“骗骗他”。

3.3 教学内容和实际实践相联系

在教材的选择上，本课程选用杨世铭、陶文铨所编的高等教育出版社的《传热学》（第四版），该书在内容上由浅入深，循序渐进，在介绍基础知识的同时，也积极反映了传热学发展的前沿知识，如纳米传热学的基本知识等。该教材包含典型的例题与习题，对较为复杂的实际问题进行了详尽的分析，十分接近工程实际。但随着传热技术的发展和其他学科之间的交叉程度大大提高，许多新的研究手段得以出现。传热技术的工程应用领域进一步扩大，也因此使得传热学的内涵得以丰富。随着能源学科和相关行业的发展，需要不断更新教学内容，使学生接收到最新的知识内容。因此在教学内容的选择上，适当删减了一些比较繁琐的数学推导内容，如非稳态导热中一维无限大平板分析解的推导过程。此外也增加了一些传热技术新发展的内容，如微尺度的传热等内容。同时在教学中要注重培养学生的工程观点以及工程实践能力。工科院校的教学必须注重学生工程实践意识的培养和工程设计能力的训练。

3.4 改进实验教学

传热学的实践性很强，像一些复杂的传热问题的规律都是通过实验总结提出。当前，我校传热学的实验教学上对学生的实践创新能力的锻炼还有所欠缺，比如课时安排较少，实验教学内容不够丰富，大部分内容依然是基于课堂所讲知识而进行的验证性实验。再如实验教学设备和仪器数量不多，往往多人一机，不少想体验实验过程提高动手能力的学生未能得偿所愿。因此，对于传热学教学十分重要的实验教学需要加以改进，除了巩固课堂授课的内容以外，还应该注意培养学生的实际动手能力、综合设计能力和总结归纳能力。传热学的课内实验可不仅仅局限于验证性实验，同时应增加开放性、综合性的实验内容。以期提高学生的综合分析能力和解决问题的能力。

3.5 改进考核模式，注重考查学生能力

针对闭卷考核方式的不足，同时避免开卷考试带来学生的惰性和依赖性，我们尝试在考核成绩的最终评定时，采用平时成绩加考试成绩的形式。平时的课堂表现、互动参与情况、作业占总成绩的30%，考试成绩占总成绩的70%。提高课堂互动讨论中的表现占平时成绩的比重，以促进学生的参与度。同时对试卷的命题范围可以尝试参考大学英语四、六级考试，即将试卷分为A、B两部分。其中A部分主要考核学生对基本概念、基本方程、基本原理的掌握情况，采用闭卷的方式要求学生在一定的时间内完成并上交；B部分主要考核学生应用传热规律解决实际问题的能力，主要是实验关联式的应用，采用开卷形式。

4 结语

流体力学及传热学基础范文第3篇

关键词：风机翼型 数值模拟 锅炉仿真

1.热能动力工程的研究方向

热动主要研究热能与动力方面，是跨热能与动力工程、机械工程等学科领域的工程应用型专业。目前我国有120多所院校开设有该专业，它由旧本科的九个相关专业合并而成，包括了原来的热力发动机（080311）、热能工程（080501）、流体机械及流体工程（080313）、热能工程与动力机械（080319W）、制冷与低温技术（080502）、能源工程（080506W）、工程热物理（080507W）、水利水电动力工程（080903）、冷冻冷藏工程（081409）专业。

热动主要学习机械工程、热能动力工程和工程热物理的基础理论，学习各种能量转换及有效利用的理论和技术。专业通过理论力学、材料力学、工程制图、机械设计、电工与电子技术、工程热力学、流体力学、传热学、控制理论、热工测试技术以及专业方向课程的学习，使我们具备工程热力学、流体力学、传热学和热工测试技术等热能与动力工程领域的基础理论、实验技能和基本专业知识，掌握制冷空调设备、制冷装置、动力机械与动力工程、流体机械等设计、制造和实验研究的基本技术。在此基础上，它是一个宽口径的专业，拓展空间很大，就业方向很广，有电厂热能工程及其自动化方向、工程热物理过程及其自动控制方向、流体机械及其自动控制方向、空调制冷方向等。同时，热动还是现代动力工程师的基本训练，可见热动是现代动力工程的基础。

2.热能工程技术在能源方面需要解决的问题

能源问题在当今社会举足轻重，热能与动力工程专业在国民经济中的地位可想而知。

能源动力工业是我国国民经济与国防建设的重要基础和支柱型产业，同时也是涉及多个领域高新技术的集成产业，在国家经济建设与社会发展中一直起着极其重要的作用。

风机是一种装有多个叶片的通过轴旋转推动气流的机械。叶片将施加于轴上旋转的机械能，转变为推动气体流动的压力，从而实现气体的流动。风机广泛应用于发电厂、锅炉和工业炉窑的通风和引风，矿井、隧道、冷却塔、车辆、船舶和建筑物的通风、排尘和冷却等[1]。尤其是在电站，随着机组向大容量、高转速、高效率、自动化方向的发展，电站也对风机的安全可靠性提出了越来越高的要求，锅炉风机在运行中常发生烧坏电机、窜轴、叶轮飞车、轴承损坏等事故，严重危害设备、人身安全，也给电厂造成巨大的经济损失[2]。此外，风机一直是电站的耗电大户，电站配备的送风机、引风机和冷烟风机是锅炉的重要辅机，降低其耗电率是节能的一项重要措施。

3.热能专业中工业炉的发展

工业炉是在工业生产中，利用燃料燃烧或电能转化的热量，将物料或工件加热的热工设备。

中国在商代出现了较为完善的炼铜炉，在春秋战国时期，人们在熔铜炉的基础上进一步掌握了提高炉温的技术，从而生产出了铸铁。1794年，世界上出现了熔炼铸铁的直筒形冲天炉。后到1864年，法国人马丁运用英国人西门子的蓄热式炉原理，建造了用气体燃料加热的第一台炼钢平炉。随着现代化管理水平的提高，计算机控制系统的不断完善，现代连续加热炉也应运而生. 现代连续加热炉炉型可以归入两大类：推钢式炉和步进式炉。两类炉型的根本区别，仅在于炉内的输料方式。

4.炉内燃烧控制技术

其燃烧控制是步进炉的核心技术之一，手动控制已被自动控制方式所取代。目前大规格钢锭推钢式加热炉可选用的燃烧自控方式通常有：

（1）空燃比例连续控制系统，该系统主要由烧嘴、燃烧控制器、空气/燃气比例阀、空气/燃气电动蝶阀、空气/燃气流量计、热电偶、气体分析装置、PLC等组成。工作原理是由热电偶或气体分析装置检测出来的数据传送到PLC与其设定值进行比较，偏差值按比例积分、微分运算输出4-20 mA的电信号分别对空气/燃气比例阀和空气/燃气电动蝶阀的开度进行调节，从而达到控制空气/燃气比例和炉内温度之目的。

（2）双交叉限幅控制系统，该系统主要由烧嘴、燃烧控制器、空气/燃气流量阀、空气/燃气流量计、热电偶等组成。工作原理是：通过一个温度传感器热电偶把测量的温度变成一个电信号，该信号表示测量点的实际温度，该测量点的温度期望给定值是由预存贮在上位机中的工艺曲线自动给定的。根据这两个温度值偏差的大小，PLC自动校准燃气/空气流量阀的开度。该阀通过电动执行机构定位。空气/燃料比控制，借助于孔板和差压变送器来测量空气流量，燃气的流量是借助于一台安装在燃气支管上的质量流量计来测量，使精确的温度控制得以实现。

5.软件仿真锅炉风机翼型叶片

由于锅炉叶轮机械内部流场非常复杂，并带有强烈的非定常特征，进行细致的实验测量非常困难，目前尚没有完善的流体力学理论解释诸如流动分离、失速和喘振等流动现象，这就迫切需要可靠详细的流动实验和数值模拟工作来了解机械内部流动本质。将利用软件对锅炉风机翼型叶片进行二维的数值模拟，研究空气以不同的方向流入翼型叶片入口所造成的流动分离。根据数值模拟的一般步骤：创建二维模型，进行网格划分，设定边界条件和区域，输出网格，再利用求解器求解，对不同空气来流攻角角下的流动进行二维数值模拟。在得到模拟结果后，对不同攻角下模拟所得到的速度矢量图进行比较分析，得出锅炉风机翼型边界层分离和攻角的关系。（作者单位：辽宁工程技术大学）

参考文献：

[1] 安连锁.泵与风机[M].北京：中国电力出版社，2001.

[2] 袁春杭.锅炉引风机事故的预防[J].中国锅炉压力容器安全，2005，14（6）：38-39.

流体力学及传热学基础范文第4篇

过程装备与控制工程专业主要课程

1.通识类课程

(1)人文社会科学类

除国家规定的教学内容外，由各高校根据办学定位和人才培养目标确定。

(2)数学和自然科学类

主要包括数学和物理学，并合理考虑化学和生命科学等知识领域。

数学主要包括微积分、线性代数、微分方程、概率与数理统计、计算方法等相关知识领域。物理学主要包括力学、热学、电磁学、光学、近代物理学等相关知识领域。

数学、物理学的教学内容应不低于教育部相关课程教学指导委员会制定的基本要求。各高校可根据自身人才培养定位提高数学和物理学(含实验)的教学要求，以加强学生的数学、物理学基础。

2.基础类课程

学科基础知识被视为专业类基础知识，教学内容应覆盖以下知识领域的核心内容：工程图学、力学(材料力学、理论力学等)、热流体(流体力学、热力学或传热学)、电工电子学、材料科学基础等。

3.专业类课程

过程装备与控制工程专业核心知识领域包括：机械设计及制造基础、过程(化工)原理、过程设备设计、过程流体机械、过程装备控制技术与应用等。

过程装备与控制工程专业就业方向

本专业学生毕业后可在化工、石油、能源、轻工、环保、医药、食品、机械及劳动安全等部门从事工程设计、技术开发、生产技术、经营管理以及工程科学研究等方面工作

从事行业：

毕业后主要在机械、石油、新能源等行业工作，大致如下：

1、机械/设备/重工;

2、石油/化工/矿产/地质;

3、新能源;

4、环保;

5、其他行业;

6、制药/生物工程;

7、建筑/建材/工程;

8、仪器仪表/工业自动化。

从事岗位：

毕业后主要从事设备工程师、机械工程师、机械设计工程师等工作，大致如下：

1、设备工程师;

2、机械工程师;

3、机械设计工程师;

4、销售工程师;

5、压力容器设计工程师;

6、监理工程师;

7、设计工程师;

8、压力容器设计。

过程装备与控制工程专业培养目标

流体力学及传热学基础范文第5篇

关键词：网格生成；多面法；数值计算；naca633418翼型

Study on the Multisurface Method for Structured Grid Generation

Abstract：The first step of simulation of convection and heat transfer problem is grid generation. In this article the multisurface method is studied. The computation codes of the method is programmed to generate the grids around aerofoil. By establishing the correspondence relationship between the points on the computation plane and physical plane, this method can control the shape and distribution density of grids in an easy way.

Key word: grid generation; multisurface method; Numerical computation; naca633418 airfoil

生成结构化网格的多面法研究

1 引言

网格生成技术广泛应用于计算流体力学中，是制约该领域发展的关键因素之一. 对流与传热问题[1]进行数值计算的第一步是生成网格，这里的网格有别于CAD等在计算机科学上的意义，它是着眼于网格的节点或单元的特征量的离散数据，所以又称为数值网格生成(Numerical Grid Generation). 即要对空间上连续的计算区域进行剖分，把它划分成许多个子区域，并确定每个区域中的节点. 由于工程上所遇到的对流与传热问题大多发生在复杂区域内，因而不规则区域内网格的生成是计算流体力学与传热学中的一个十分重要的研究领域. 对流与传热问题数值计算结果的最终的精度及计算过程的效率，主要取决于生成的网格所采用的算法，各种网格生成方法在一定的条件下都有其优越性及弱点. 而且，网格质量的好坏，生成的简易程度和自动化、智能化程度较大的影响了数值结果的好坏.

自从1974年Thompson等三人提出适体坐标的方法以来，网格生成技术[2]在流体力学及传热学中的作用日益被研究者认识到[3]. 目前国内外网格生成技术大致分为结构化网格、非结构化网格[4]两大类. 结构化网格主要是指对每一个网格节点，其对邻接的其他节点的连接数是一定的或有规则的. 非结构化网格是指每一个网格节点与其他节点的连接关系是不确定的或不规则的. 在有些情况下，整个网格的一部分可以是结构化的，而另一部分又是非结构化的.一般数值计算中正交与非正交曲线坐标系中生成的网格都是结构化网格[5].

生成适体坐标的方法原则上都是一些特定的变换，即把物理空间上的一些不规则区域变换成为计算空间上的规则区域.而其中代数法生成网格时是利用各种插值公式建立起计算平面与物理平面之间节点的对应关系，网格生成实际上是复杂形状的的物理区域和简单形状的计算区域之间的一种坐标变换.即笛卡尔坐标 、 和曲线坐标 、 之间的一种变换关系,网格生成的提法有两种:一是以 、 为应变量,以 、 为自变量（正问题）,二是以 、 为应变量,以 、 为自变量（反问题）. 从网格生成的目的来看,应采用反问题的提法,这样得出的结果就是计算网格点的笛卡尔坐标.

多面法网格生成是一种代数插值的过程,不需求解偏微分方程或进行复杂的变换. 可以利用中间界面来加强对网格正交性与分布的控制. 采用多面法是控制边界上及计算区域内部网格分布的有效办法.

2 多面插值法

2.1多面法的思想

假设两固定边界 （内边界）和 （外边界）之间生成一系列辅助表面，且互不相交，每个表面上的参数 由 变化到 ，是相邻面 到 的，且与 相切的矢量，就形成了的一连续折线，如图1所示：

这样在每一条折线上可生成 个离散的矢量. 它们与表面 的矢量 之间的关系为

(2.1)

其中 为待确定参数.

方向上是有限个辅助表面（中间界面），通过插值，生成对 及 均为连续的矢量场

(2.2)

式中， 为插值函数.

图1说明多面法的图示

对于(2.2) 式中的 ，若

(1)，则插值基函数 和 不在同一几何区域内（由相邻两表面所围成的区域），此时 ；

(2)，则 .

当 与 从 变化到 时，矢量 就确定了整个计算区域内网格结点的位置， 为控制纵向网格点的参变量， ，在内边界 ，外边界 ，根据 的构成方式，显然有

(2.3)

对上式从 到 积分，则

(2.4)

其中 ，记 ，

不难证明，为此有 ，则(2.4)式可以改写为

(2.5)

此式即为多面法中网格生成的通用表达式，其中插值函数 一般采用 阶关于 的多项式.

2.2 中间面的生成

取 时讨论：

(1)时，此时没有中间界面（辅助面），插值界函数 的阶数为0，即为一常数，由式(2.5)可得此时网格生成的方程式为

即(2.6)

将笛卡尔坐标 换为曲线坐标 ，即写成 ， 的表达式为

(2.7)

(2.8)

(2)时， 是关于 的一阶多项式

由 时， ； 时，可推出 ；

由 时， ； 时，可推出

带入(2.5)式后得网格生成方程

(2.9)

写成关于 ， 的形式为：

(2.10)

(2.11)

(3)时， 是关于 的二阶多项式，有两个中间界面

， ，

由 ， ； ， ； ，

推出 ；

由 ， ； ， ； ，

推出 ；

由 ，， ； ，

推出 ；

将 带入(2.5)式可得网格生成方程为

(2.12)

上式同样可以写成关于 ， 的形式，即为

(2.13)

(2.14)

其中

， .

针对 的情况，在下文中做了算例，其生成的网格正交性很好.

2.3 多面法的优点

在多面法中辅助表面（中间界面）不必是内部网格结点所在的平面，它的作用主要在于生成一簇半离散的矢量.

在多面法中插值主要是对一簇半离散的矢量进行的，而不像其他代数法那样是对结点坐标进行的. 此插值法的好处是，可以利用中间界面来加强对网格正交性与分布的控制.

3 网格生成算例

利用多面法，选用 的情况对其进行坐标变换(利用2.13式和2.14式)，针对naca633418翼型设计网格结点生成程序， 为径线，取97条， 为包围翼型的周线，取50条，将翼型外形参数输入，得出数值结果，利用MATLAB软件编制程序绘制网格，得到网格分布如图2所示：

图2 时用多面法生成的网格

图2中网格结点选取较多，生成的网格较密集，将其中心和外部放大后的效果如图3和图4所示，可以看到正交性是良好的，翼型前缘、后缘附近的网格放大图示如图5和图6所示，可以注意到其后缘附近的径线并不是相交的.

图3中心放大网格图图4外部局部放大网格图

图5翼型前缘附近的网格 图6翼型后缘附近的网格

4 总结

在本文中，我们讨论了结构化网格生成方法中的多面法. 主要的目的在于提供一些必要的而且很实用的理论基础，其中包括了很多数学的背景知识和应用于编程实现的方法思想，从这些基本思想和方法中，提供一些实用并可行的方法对于特定区域加以分割，从而实现网格化区域的目的.在这些网格上，使得我们应用代数法的数值计算方法成为可能.

结构化网格具有规则的网格连接关系，所以可以用快速的网格生成算法来实现，并且其向量化或并行化处理非常的简单，需要的缓存也很有限. 但是在对于区域的分割处理上需要大量的人工时间来完成，所以现在对于复杂的区域情况，趋势是用非结构化的网格生成方法来代替.

参 考 文 献

[1]陈景仁. 湍流模型及有限元分析法[M]. 上海：上海交通大学出版社，1989.

[2]齐学义，杨帆，齐冲. 贴体坐标网格生成技术的研究[J]. 工程热物理学报：2001，22(S1):29-32.

[3]Peter R.Eiseman. Grid generation for fluid mechanics computations[J]. Annual Review of Fluid Mech,1985,17:487-522.

[4]刘晶. 结构与非结构网格的生成、转化及应用[D]. 南京：南京理工大学，2006.