OpenFOAM在传热学教学中的应用.docx
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1、OpenFOAM在传热学教学中的应用 摘 要:传热学是能源动力类专业的重要基础学科,随着时代发展,传统的传热学教学中应更重视CFD数值计算。OpenFOAM作为面对对象的开源数值计算软件,具有强大的传热计算以及简便地求解器修改与定制功能。笔者认为应做好教学实施过程将其引入到传热学数值计算部分的教学过程中,从而提高学生对传热数值计算的理解与驾驭。 关键词:传热学 数值计算 OpenFOAM 改革 中圖分类号:G642.1 文献标识码:A 文章编号:1674-0101X05-0233-02 传热学是能源动力类专业的主干课程,它主要探讨由温差引起的热量传递规律,而温差在自然界和工业实际中普遍存在,故
2、传热学探讨具有重要的应用价值和科学意义。整体来看,传热学课程的理论和应用性很强、基本概念多,且内容相对分散,现行教材内容肯定程度上减弱了不同换热方式之间的联系1-2,这样易给学生造成传热学枯燥难学的感觉,且使学生根本上缺乏实力解决耦合了多种换热方式,具有实际应用背景的问题。针对该课程特点,教学模式和方法的探讨开展的如火如荼,如重视案例教学、融研于教、翻转课堂等3-6。 然而,由于课时限制,在传热学教学过程中不行避开地存在授课内容详略安排的问题,其中状况比较突出的是导热问题数值解,这部分内容涉及方程离散,数值稳定性等数学问题,好像和导热、对流和辐射等物理现象相关性不大,因而往往得不到大家重视,同
3、时学生也无法深化理解这部分内容的价值,遑论应用数值技术求解传热问题。事实上,方程的数值求解属于CFD技术,是当今除理论探讨和试验探讨之外的第三大探讨手段,尽管部分专业或高校在后期会开设特地的数值传热学或计算流体力学课程,但引入CFD 技术协助传热学教学,不但可以提高学生学习爱好,还可以为后续课程或毕业论文的开展供应铺垫。目前,已有学者提出将商业软件Fluent用于本科传热学教学中的探讨7,但商业软件的授权费用贵,且类似“黑箱子”操作,无法真正促进学生对数值计算方法的学习和理解。相比较而言,OpenFOAM是一种面对对象的开源CFD软件,便于进行程序的二次开发,现已发展成为通用的CFD 软件之一
4、,并在流体力学、计算流体力学和空气动力学等课程的改革与探究中得到了应用,有效提升了教学效果8-9。 有鉴于此,为达到改善传热学教学和培育学生具备肯定CFD数值计算实力的目的,笔者结合在OpenFOAM软件运用与开发上的探究工作,及传热学的相关教学实践和教学体会,对OpenFOAM软件在传热学数值计算中的应用进行了初步探讨。 1 开源软件OpenFOAM介绍 OpenFOAM最早起源于20世纪80年头末的英国帝国理工高校,是对连续介质力学问题进行数值计算的工具包,其代码遵守GNU通用公共许可证。该软件采纳C+语言编写和开发,具有免费开源、前后处理接口多样、各类底层类库稳定、大规模并行计算实力突出
5、等优点,常用求解器有不行压及可压的雷诺平均和大涡模拟求解器、干脆数值模拟求解器等,此外,OpenFOAM还供应常用的 SST、k-等湍流模型以及各类燃烧模型,便利运用者进行各类问题的计算。仅从本文关切的传热角度来看,OpenFOAM软件已经供应可求解瞬态可压缩流的湍流通风和传热问题、稳态可压缩流的辐射、通风和传热问题,及固液间的传热等问题的数值求解器,具备强大的传热计算功能。 由于OpenFOAM通过面对对象技术构建高层数据结构以代表各类数学概念,所以它描述张量和偏微分方程的程序语言与被求解的方程本身特别相像,以如下方程为例: 所对应的OpenFOAM代码为: solve + fvm:div
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- 关 键 词:
- OpenFOAM 传热学 教学 中的 应用
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