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摘要：在分析暖通课程教学现状的基础上，提出了将CFD技术引入到暖通专业教学中来，通过将暖通的教学与CFD技术紧密结合使教学中难以讲解清楚的现象直观地展现在学生面前，有助于学生提高室内环境分析的基本技能和计算机操作与软件的应用能力。
关键词：CFD；暖通；教学
作者简介：李炎锋（1971-），男，河南新密人，北京工业大学建筑工程学院，教授；林欣欣（1988-），男，河北邢台人，北京工业大学建筑工程学院硕士研究生。（北京 100124）
基金项目：本文系2011大学生实验室建设－大学生实践创新基地建设（004000544211021）、2011北京工业大学研究生课程立项“建筑设备数值分析与模拟课程建设”的研究成果。
中图分类号：G642.41 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）30-0194-02
工科高等教育的目的主要是要向社会输送大批合格的工程技术人员，随着大学生就业制度的逐步改革，社会对人才需求的多样化，工科院校如何改变过去教学中理论脱离实际的倾向，培养大学生的工程意识，提高他们的工程实践能力变得越来越重要。实践表明，只有创新的教育和教育的创新，才能更好地培养专业性人才。高校建筑环境与设备工程专业（原暖通空调专业）实践性强，专业课大量涉及流动与传热等基本问题，知识点容量大，机理抽象、复杂，且与工程实际现象紧密结合。学生普遍反映理论知识比较抽象，不容易理解。由于教学条件的限制，专业课教师无法具体动态地将空气流动等现象讲授给学生，容易造成专业课的理论知识讲解与实际现象脱节。[1]
CFD（Computational Fluid Dynamics，即计算流体动力学）是国际上一个强有力的研究领域。我国大量的研究人员对CFD的应用研究开展了大量的工作，并取得了许多重要成果。CFD具有模拟设备简单、投资低、计算速度快、计算空间不受限制、完整的资料获取，并且可以模拟各种工况，故其逐渐受到人们的青睐。尤其是随着计算机技术和数值模拟技术的发展，CFD已被广泛应用于解决工程实际问题中，CFD方法可应用于对室内空气分布情况进行模拟和预测，从而得到房间内速度、温度、湿度以及有害物浓度等物理量的详细分布情况。[2]
一、暖通专业课程教学现状
高校建筑环境与设备工程专业的专业课知识点容量大，机理抽象、复杂，且与工程实际现象紧密结合。大多数学生学习这门专业课程时，普遍反映理论知识比较抽象，不容易理解，且不能与具体现象相结合。学校的教学条件差，没有足够的实验经费，实验条件得不到改观，另外，随着我国高等教育体制的深化改革以及招生规模的扩大，各院校的教学资源相对不足，使得一般院校由于底子薄、基础差、经费紧张，实验室建设规模严重滞后于迅速扩大的学生规模，教学的硬件设施已满足不了教学任务的需要，老师的授课也只能是力不从心，理论与实际不能相结合是各高校的普遍现象，没有实际的引导，理论的知识得不到升华，学习中的从理性到感性认识的阶段不能实现，再从感性认识到理性认识的阶段就不能实现，这极大的限制了学生的思维，这样必然严重影响暖通课程的教学水平，从而影响其他专业课程的学习。
二、创建CFD实验的必要性
实验教学是暖通教学的重要组成部分，它和理论教学相辅相成。实验是暖通学科理论的基础，理论也需要实验的验证。目前，受到实际试验水平的限制，很多学校没有很好的实验条件，不能让学生的理论直观的展现在工程中，而且，计算机的模拟可以让每位学生独立的去动手来模拟专业内的一些现象，增加学习的印象。
CFD在暖通空调领域应用非常广泛，主要包括：[3]1）空调气流方案组织设计以及优化。在对大空间建筑、高层建筑、洁净室设计方面尤其重要；2）传热传质设备的CFD 分析，如各种换热器、冷却塔的CFD 分析；3）空气品质及建筑热环境的CFD 方法评价、预测；4）建筑内火灾烟气扩散及防排烟系统运行效果的数值分析；5）流体机械及流体元件，如泵、风机等旋转机械内流动的CFD 分析，各种阀门的CFD 分析等。
利用CFD软件，可以模拟一些实际实验室环境难以实现的实验，弥补常规实验条件的不足，而且许多实验结果以彩色动画形式展示，增强学生对暖通理论的感性认识。感性的认识能使学习的印象深刻，空洞的理论教学已经变为教学中的大忌，作为大学教师，应当能够掌握CFD技术，用前沿的计算机技术来提高教学质量，增加课堂生动性，提高每位学生的学习积极性。
三、CFD技术应用于暖通专业教学的优势
随着计算机技术的快速发展，CFD软件得到空前的发展。随着计算机技术的普及，课堂组织教学形式呈现出多样性发展趋势。多媒体教学课件具有直观、形象、生动等特点，目前正被广泛应用于教學，推动着教学的改革。教学课件依赖于多媒体素材的优劣。传统上采用FLASH、3DMAX等处理软件制作多媒体素材，这类素材具有动态显示、容易制作等优点，但缺少实际模型法的效果。而随着教学的改革实践和理论探索，越来越多的课件制作要求课件素材的真实性、可靠性。虽然一些企业和商家开发研制出大批多媒体教学素材是由于开发人员具有的专业知识面比较狭窄，使得总体情况并不令人十分乐观，能满足课堂教学要求的多媒体素材仍然占少数。特别是大型通用软件FLUENT、PHOENICS、CFX可以模拟热、流体、电、磁、声学、压电及多种物理场之间的耦合效应，可用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、土木工程、生物医学、水利、造船、国防军工等领域，很多高校已经将作为本科或研究生的必修课程。在CFD的教学过程中，如果能针对学生的具体情况，充分利用CFD软件的计算和分析优势，将暖通的教学与CFD的数值仿真技术结合起来，可以提高学生的学习积极性和分析创新能力，大大提高教学效果，减小少学时对课程教学的影响。
1.有利于培养学生的学习兴趣
暖通专业专业课学习知识点多，知识量大，学生学习对概念的理解抽象。如果只是纯粹的教学讲解，上述过程中的概念和几何要素要经过脑海中的反复构思和想象才能有所消化，这对数学基础较差的同学来说确实感到有所畏怯。由于暖通专业的很多流动状态由多参数决定，学生不能很好的理解各个参数在流动状态发展过程中的作用。因此，对简单理想状态下的流场和温度场的模拟能帮助学生更加直观地了解公式的含义，参数变化导致的流场和温度场的变化有更加深刻的理解，也为今后学习复杂流动和传热过程奠定坚实的专业基础。
2.有助于培养学生的计算机应用能力
CFD软件一般拥有极强大的计算分析和图形显示功能，学生可以通过计算机对流场流态进行模拟，增强学生的计算机解决实际问题的能力。通过这种与计算机技术结合的教学方式，可以扩大学生的视野，拓宽其知识面，鼓励其掌握和应用计算软件，使学生理论联系实际，很好的将课堂的知识应用到实际工程中去，很好的利用计算机去探索专业未知的领域。
四、CFD在暖通教学中的应用实践案例
1.软件Airpak对流场的模拟
Airpak是建筑流体模拟软件，是面向工程师、建筑师和设计师的专业应用于HVAC领域的软件，可以对房间建立空间的速度场（如图1）和温度场（如图2）。
2.软件FDS对房间火灾的模拟[4]
FDS是重点计算火灾中的烟气和热传递过程，可以对火灾传播规律以及对火灾的预防有很强的模拟功能，下图是对房间中火灾的动态模拟图片，火势及烟气的发展过程分别如图3～6。
在设计CFD实验中，可以有针对性地改变边界条件、源项条件、建筑几何尺寸等，来保证学生一人一题，避免学生的互相抄袭。要求每位学生就求解问题写出研究报告，并组织答辩讨论。这样，在培养学生创新能力的同时，提高学生的科技写作、沟通交流的能力。
五、结语
CFD与暖通课程教学有机结合起来，通过CFD软件强大的图形显示功能，使得学生更易于理解和掌握暖通的基本理论，拓宽了视野，从而有效解决了课程教学中的一些疑难问题，培养了学生的兴趣，提高了教学质量和效率，提高了学生理论联系实际的能力，增强了工程设计和计算的意识概念，同时也培养了学生的计算应用能力，为以后的工作打下了基础。
参考文献：
[1]毛军,熊艳,薛琳.实施计算流体力学本科教学的可行性分析[J].高等建筑教育,2003,(2):46-52.
[2]陶文铨.数值传热学(第二版)[M].西安：西安交通大学出版社,2001.
[3]杨学宾,周湘江,罗义英,等.CFD在暖通空调专业课程教学中的应用初探[J].嘉兴学院学报,2008,(3):139-143.
[4]张吉光.高层建筑和地下建筑通风与防排烟[M].北京:中国建筑工业出版社,2005.
（责任责任：麻剑飞）
关键词：CFD；暖通；教学
作者简介：李炎锋（1971-），男，河南新密人，北京工业大学建筑工程学院，教授；林欣欣（1988-），男，河北邢台人，北京工业大学建筑工程学院硕士研究生。（北京 100124）
基金项目：本文系2011大学生实验室建设－大学生实践创新基地建设（004000544211021）、2011北京工业大学研究生课程立项“建筑设备数值分析与模拟课程建设”的研究成果。
中图分类号：G642.41 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）30-0194-02
工科高等教育的目的主要是要向社会输送大批合格的工程技术人员，随着大学生就业制度的逐步改革，社会对人才需求的多样化，工科院校如何改变过去教学中理论脱离实际的倾向，培养大学生的工程意识，提高他们的工程实践能力变得越来越重要。实践表明，只有创新的教育和教育的创新，才能更好地培养专业性人才。高校建筑环境与设备工程专业（原暖通空调专业）实践性强，专业课大量涉及流动与传热等基本问题，知识点容量大，机理抽象、复杂，且与工程实际现象紧密结合。学生普遍反映理论知识比较抽象，不容易理解。由于教学条件的限制，专业课教师无法具体动态地将空气流动等现象讲授给学生，容易造成专业课的理论知识讲解与实际现象脱节。[1]
CFD（Computational Fluid Dynamics，即计算流体动力学）是国际上一个强有力的研究领域。我国大量的研究人员对CFD的应用研究开展了大量的工作，并取得了许多重要成果。CFD具有模拟设备简单、投资低、计算速度快、计算空间不受限制、完整的资料获取，并且可以模拟各种工况，故其逐渐受到人们的青睐。尤其是随着计算机技术和数值模拟技术的发展，CFD已被广泛应用于解决工程实际问题中，CFD方法可应用于对室内空气分布情况进行模拟和预测，从而得到房间内速度、温度、湿度以及有害物浓度等物理量的详细分布情况。[2]
一、暖通专业课程教学现状
高校建筑环境与设备工程专业的专业课知识点容量大，机理抽象、复杂，且与工程实际现象紧密结合。大多数学生学习这门专业课程时，普遍反映理论知识比较抽象，不容易理解，且不能与具体现象相结合。学校的教学条件差，没有足够的实验经费，实验条件得不到改观，另外，随着我国高等教育体制的深化改革以及招生规模的扩大，各院校的教学资源相对不足，使得一般院校由于底子薄、基础差、经费紧张，实验室建设规模严重滞后于迅速扩大的学生规模，教学的硬件设施已满足不了教学任务的需要，老师的授课也只能是力不从心，理论与实际不能相结合是各高校的普遍现象，没有实际的引导，理论的知识得不到升华，学习中的从理性到感性认识的阶段不能实现，再从感性认识到理性认识的阶段就不能实现，这极大的限制了学生的思维，这样必然严重影响暖通课程的教学水平，从而影响其他专业课程的学习。
二、创建CFD实验的必要性
实验教学是暖通教学的重要组成部分，它和理论教学相辅相成。实验是暖通学科理论的基础，理论也需要实验的验证。目前，受到实际试验水平的限制，很多学校没有很好的实验条件，不能让学生的理论直观的展现在工程中，而且，计算机的模拟可以让每位学生独立的去动手来模拟专业内的一些现象，增加学习的印象。
CFD在暖通空调领域应用非常广泛，主要包括：[3]1）空调气流方案组织设计以及优化。在对大空间建筑、高层建筑、洁净室设计方面尤其重要；2）传热传质设备的CFD 分析，如各种换热器、冷却塔的CFD 分析；3）空气品质及建筑热环境的CFD 方法评价、预测；4）建筑内火灾烟气扩散及防排烟系统运行效果的数值分析；5）流体机械及流体元件，如泵、风机等旋转机械内流动的CFD 分析，各种阀门的CFD 分析等。
利用CFD软件，可以模拟一些实际实验室环境难以实现的实验，弥补常规实验条件的不足，而且许多实验结果以彩色动画形式展示，增强学生对暖通理论的感性认识。感性的认识能使学习的印象深刻，空洞的理论教学已经变为教学中的大忌，作为大学教师，应当能够掌握CFD技术，用前沿的计算机技术来提高教学质量，增加课堂生动性，提高每位学生的学习积极性。
三、CFD技术应用于暖通专业教学的优势
随着计算机技术的快速发展，CFD软件得到空前的发展。随着计算机技术的普及，课堂组织教学形式呈现出多样性发展趋势。多媒体教学课件具有直观、形象、生动等特点，目前正被广泛应用于教學，推动着教学的改革。教学课件依赖于多媒体素材的优劣。传统上采用FLASH、3DMAX等处理软件制作多媒体素材，这类素材具有动态显示、容易制作等优点，但缺少实际模型法的效果。而随着教学的改革实践和理论探索，越来越多的课件制作要求课件素材的真实性、可靠性。虽然一些企业和商家开发研制出大批多媒体教学素材是由于开发人员具有的专业知识面比较狭窄，使得总体情况并不令人十分乐观，能满足课堂教学要求的多媒体素材仍然占少数。特别是大型通用软件FLUENT、PHOENICS、CFX可以模拟热、流体、电、磁、声学、压电及多种物理场之间的耦合效应，可用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、土木工程、生物医学、水利、造船、国防军工等领域，很多高校已经将作为本科或研究生的必修课程。在CFD的教学过程中，如果能针对学生的具体情况，充分利用CFD软件的计算和分析优势，将暖通的教学与CFD的数值仿真技术结合起来，可以提高学生的学习积极性和分析创新能力，大大提高教学效果，减小少学时对课程教学的影响。
1.有利于培养学生的学习兴趣
暖通专业专业课学习知识点多，知识量大，学生学习对概念的理解抽象。如果只是纯粹的教学讲解，上述过程中的概念和几何要素要经过脑海中的反复构思和想象才能有所消化，这对数学基础较差的同学来说确实感到有所畏怯。由于暖通专业的很多流动状态由多参数决定，学生不能很好的理解各个参数在流动状态发展过程中的作用。因此，对简单理想状态下的流场和温度场的模拟能帮助学生更加直观地了解公式的含义，参数变化导致的流场和温度场的变化有更加深刻的理解，也为今后学习复杂流动和传热过程奠定坚实的专业基础。
2.有助于培养学生的计算机应用能力
CFD软件一般拥有极强大的计算分析和图形显示功能，学生可以通过计算机对流场流态进行模拟，增强学生的计算机解决实际问题的能力。通过这种与计算机技术结合的教学方式，可以扩大学生的视野，拓宽其知识面，鼓励其掌握和应用计算软件，使学生理论联系实际，很好的将课堂的知识应用到实际工程中去，很好的利用计算机去探索专业未知的领域。
四、CFD在暖通教学中的应用实践案例
1.软件Airpak对流场的模拟
Airpak是建筑流体模拟软件，是面向工程师、建筑师和设计师的专业应用于HVAC领域的软件，可以对房间建立空间的速度场（如图1）和温度场（如图2）。
2.软件FDS对房间火灾的模拟[4]
FDS是重点计算火灾中的烟气和热传递过程，可以对火灾传播规律以及对火灾的预防有很强的模拟功能，下图是对房间中火灾的动态模拟图片，火势及烟气的发展过程分别如图3～6。
在设计CFD实验中，可以有针对性地改变边界条件、源项条件、建筑几何尺寸等，来保证学生一人一题，避免学生的互相抄袭。要求每位学生就求解问题写出研究报告，并组织答辩讨论。这样，在培养学生创新能力的同时，提高学生的科技写作、沟通交流的能力。
五、结语
CFD与暖通课程教学有机结合起来，通过CFD软件强大的图形显示功能，使得学生更易于理解和掌握暖通的基本理论，拓宽了视野，从而有效解决了课程教学中的一些疑难问题，培养了学生的兴趣，提高了教学质量和效率，提高了学生理论联系实际的能力，增强了工程设计和计算的意识概念，同时也培养了学生的计算应用能力，为以后的工作打下了基础。
参考文献：
[1]毛军,熊艳,薛琳.实施计算流体力学本科教学的可行性分析[J].高等建筑教育,2003,(2):46-52.
[2]陶文铨.数值传热学(第二版)[M].西安：西安交通大学出版社,2001.
[3]杨学宾,周湘江,罗义英,等.CFD在暖通空调专业课程教学中的应用初探[J].嘉兴学院学报,2008,(3):139-143.
[4]张吉光.高层建筑和地下建筑通风与防排烟[M].北京:中国建筑工业出版社,2005.
（责任责任：麻剑飞）