OpenFOAM在传热学教学中的应用

朱跃进 唐爱坤

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作为面向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掌握。

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：1674-098X（2019）05（a）-0233-02

传热学是能源动力类专业的主干课程，它主要研究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，故传热学研究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，现行教材内容一定程度上削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能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，教学模式和方法的研究开展的如火如荼，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可避免地存在授课内容详略分配的问题，其中情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，似乎和导热、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，同时学生也无法深入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（Computational Fluid Dynamics，计算流体力学）技术，是当今除理论研究和实验研究之外的第三大研究手段，尽管部分专业或高校在后期会开设专门的数值传热学或计算流体力学课程，但引入CFD 技术辅助传热学教学，不但可以提高学生学习兴趣，还可以为后续课程或毕业论文的开展提供铺垫。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研究[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是一种面向对象的开源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，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索中得到了应用，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养学生具备一定CFD数值计算能力的目的，笔者结合在OpenFOAM软件使用与开发上的探索工作，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年代末的英国帝国理工大学，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。该软件采用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、大规模并行计算能力突出等优点，常用求解器有不可压及可压的雷诺平均和大涡模拟求解器、直接数值模拟求解器等，此外，OpenFOAM还提供常用的 SST、k-ε等湍流模型以及各类燃烧模型，方便使用者进行各类问题的计算。仅从本文关心的传热角度来看，OpenFOAM软件已经提供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通过面向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非常相似，以如下方程为例：

（1）

所对应的OpenFOAM代码为：

solve

（

fvm：：ddt（rho，U）

+ fvm：：div（phi，U）

- fvm：：laplacian（mu，U）

==

- fvc：：grad（p）

）;

不难看出，OpenFOAM的开发者可以用近似于数学公式的方式实现编程，从而大大降低了编程的工作量，因此编写求解代码的速度很快，可帮助学生快速实现不同数值算法。相对于其他成熟的CFD 软件，如Fluent、Star-CD、CFX等，OpenFOAM 的一大优势在于定制性强，开发者可以很方便地在OpenFOAM 的基础上开发自己的求解器。以OpenFOAM中经典的不可压缩流动求解器icoFoam为例，为在原求解器中加入温度方程以获得流体流动时计算域内的温度分布情况，首先给出流场内温度控制方程如下：

（2）

其所对应的程序代码为：

fvScalarMatrix T

（

fvm：：ddt（T）

+ fvm：：div（phi， T）

- fvm：： laplacian （DT， T）

）;

T.solve（）;

即，学生在修改求解器过程中，通过上述的直接程序表达方式就可以方便地添加自己想要求解的物理量（温度T），并且通过直接对控制方程时间项、对流项和扩散项分别指定计算格式，加深对各类具有不同计算精度的数值计算方法的理解，这种定制数值求解器是以往商业软件无法提供的。

2  教学过程实施

2.1 激发学习兴趣

尽管OpenFOAM软件具有强大的传热计算，以及简便地求解器修改與定制功能，但广大学生要想尽快熟悉和掌握该软件还存在很多困难。首先该软件通常是在Linux下工作运行，而目前大家更为熟悉的操作系统是Windows，因此需要学生进行提前自学，熟悉操作环境;其次，程序采用面向对象的C++语言编写，继承性高，学生需要具备一定的编程基础，熟悉C++知识来学习修改相关代码，实现想要的计算功能;最后，这是一款数值计算软件，学生除了学习传热学课本上的数值计算部分，还应补充更多的CFD知识。因此，OpenFOAM应是一个桥梁，通过学习使用和修改这款软件，让学生产生积极自学弥补自身知识短板的动力，提高学习的幸福感和满足感，这需要从根本上激发学生的学习兴趣。

2.2 重视课后练习

正所谓“台上一分钟，台下十年功”，教师除了在课堂上通过讲解传热实例、展示OpenFOAM计算结果等方式激发学生学习兴趣之外，更重要的是布置适当的课后练习，让学生能以问题为导向，利用课余时间来研究传热学问题和OpenFOAM使用，比如如何在软件中添加所要求解的方程，如何编译新的边界条件，如何实现不同形式的初始化流场等，以问题引导学生多思考，进而提升其自身水平，这能为学生后续进行独立科研打好基础。

2.3 做到因材施教

不同学生对学习的要求和态度均不同。在传热学的授课过程中，三大基本换热方式的概念自然是重中之重，而数值计算部分的讲解相对简单。若学生在学习中确实对OpenFOAM的使用与修改感到困难，也可鼓励其使用其他方式进行练习来掌握数值计算技术，如使用商业软件Fluent，或用Matlab编程，或用C语言编程等等，具体方法不拘一格。对于对OpenFOAM软件感兴趣，愿意多花时间和精力的学生，可以组织他们在一起成立学习小组，以同学们之间相互帮助，教师定期辅导的方式来提升学生对数值传热的兴趣和能力。

3  结语

一直以来，传热的数值解法在整个传热学教学体系中都处于被忽视的地位，但随着时代不断发展，传统的传热学教学中应更重视CFD数值计算，这可大幅提高学生的学习兴趣，促进传热学的教学质量提升。笔者认为OpenFOAM作为当下一种蓬勃发展的开源CFD软件，具有很旺盛的生命力，应做好教学实施过程将其引入到传热学的教学中，这可极大提高学生对传热数值计算的理解与掌握。时代在不断发展，作为传热学教师理应不断改进自身教学方法，掌握新的教学与科研工具，为提高教学质量和培养高素质人才不懈努力。

参考文献

[1] 戴锅生.传热学[M].2版.北京：高等教育出版社， 1999.

[2] 杨世铭.传热学基础[M].2版.北京：高等教育出版社， 2003.

[3] 唐波.传热学教学方法改进以及实践[J].教育教学论坛，2018（13）：215-216.

[4] 杨新桦，冯仁华.“传热学”课程教学方法研究[J].科教导刊，2017（32）：131-132.

[5] 李水娥，龙章刚.《传热学》课程教学改革探讨[J].教育教学论坛，2018（3）：117-118.

[6] 耿凡，何光艳，宋正昶，等.融研于教的传热学教学模式探讨[J].课程教育研究，2018（31）：221-222.

[7] 潘刚.Fluent软件在本科传热学教学中的应用[J].科技创新导报，2015（25）：144-145.

[8] 石世杰.OpenFOAM在空气动力学教学中的应用[J].教育观察，2018（19）：90-92.

[9] 殷亮，蒋军成，刘金祥，等.面向对象的开源软件库在计算流体力学教学中的应用[J].化工高等教育，2012（3）： 76-79.