“传热学”本科生教材40年的变迁及其对我们的启示(续3)

[ 字号: ] [ 关闭 ] 2008-12-21 10:53:23 来自网络 作者:admin 浏览次数: 发表评论

关键词:传热

5. 对未来数年内本科传热学教学的思考
5.1  高等学校不同层次传热学教学的主要内容(目的与宗旨)
    在预测未来数年本科传热学教材内容可能的变化时,应当对我国大学不同层次传热学教学的宗旨或者目的有共同的认识。笔者认为,大学传热学教学有三个不同的层次:(1)本科传热学,讲授传热学的基本概念,求解导热、对流换热过程温度场的基本数学描写,相似理论和以实验为主得出的研究结果,以及换热器的热设计方法;(2)研究生传热学,一般称为高等传热学,以介绍传热问题分析解为主线,着重介绍简单几何形状导热问题的分析解,边界层型对流换热的积分方程解和相似解,辐射传输方程及其求解方法,简介湍流模型;(3)研究生的计算传热学,或数值传热学,着重介绍求解导热物体的温度场、流体流场与温度场的数值方法,以及辐射换热的数值方法。简言之,本科传热学、研究生高等传热学和数值传热学分别以实验方法和结果、分析方法和结果以及数值计算方法和结果作为各自的主要教学内容。根据我们对国外部分高等学校传热学教学的了解,上述基本内容的界定是与国外高校基本一致的。
5.2  近5年内本科传热学教学可以考虑的新内容
    根据上述理解和目前国内外传热学发展的情况,笔者建议在今后我国本科传热学教学中可以考虑增加或采纳以下内容。
(1) 用Campo方法替代Heisler-Grober 图 
对本科生传热学中三种一维非稳态导热的计算,半个世纪以来都是介绍Heisler-Grober图线来代替级数解。Heisler 图线有以下缺点:1)当计算工况的参数不与图中给出参数一致时,插值引起的误差较大;2)对于应用乘积解法确定为实现某个过程所需的时间时,要采用迭代解法;3)无法纳入到计算程序中去。1997年由美国Idaho大学Campo教授提出的近似解析表达式基本上克服了上述缺点[68],尤其是对于采用乘积解法确定所需时间时,不需要迭代。其计算精度基本与采用Heisler-Grober图相当,是值得推广的方法。
(2)采用自然对流流态转变的新判据
大空间自然对流流态的判别历来采用Rayleigh 数为依据,即依Grashof数与Prandtl数的乘积大小来判别。 1994年杨世铭教授通过物理机制以及实验数据的细致分析,提出应该以Grashof数为判据的观点[69],几年来的研究进展与文献分析对这一观点提供了越来越多的支持。首先,Bejan与Lage[70]在1990年对于文献中大空间竖直平板上自然对流实验数据的研究表明在Prandtl数从0.007 到200 的范围内,流态转变的局部Grashof数均在 左右,根本与Prandtl数无关(图32);其次近期教材[25]及 [28]中,Cengel 与Hagen均明确指出:自然对流的Grashof数与强制对流的Reynolds 相当,因此流态判别应该是Grashof 数。笔者认为,这正如液态金属的管内强制对流换热的关联式一般都表示成的形式,但是作为流态判别仍然是Reynolds数而不是Peclet数 一样,流体自然对流层流与湍流的判别依据是Grashof数,并且应当引入我们的教材。

图32 竖直平壁上流态转变的局部Grashof数[70]

 (3) 引入非Fourier导热与不连续介质概念
随着微米纳米传热问题研究的深入及其在高新技术中的应用,在本科传热学教材中适当介绍有关内容已经势在必行。大致可以在导热部分指出Fourier 定律及相应的导热微分方程的适用范围,在对流换热部分的数学描写中指出连续介质假设和速度无滑移边界条件的适用范围。教师在讲授时可以根据自己了解的情况给出一些例子,主要起到拓宽知识面的作用,同时也可以激发学生的兴趣。
(4) 介绍强化单相对流换热的根本机制
   强化传热技术的研究虽然已经经历了近半个世纪,但关于强化传热技术的基本机理却没有一个统一的认识。在单相对流换热的范围内,减薄热边界层和增加流体中的扰动都可以强化换热,现在广泛采用的单相对流强化换热表面也都是按照这样的思路设计的。现在要问:减薄热边界层厚度与增加流体中的扰动之间有什么内在关系,其共同的本质是什么?这个问题直到上世纪末才由我国学者过增元教授给出了明确的答复[71-73]。
   在文献[71] 中,作者将边界层型的对流换热能量方程对热边界层厚度作积分,得(3)
其中:是固体表面上流体与固体之间所交换的热流密度,即对流换热量。 根据矢量的运算规则,有。 可见在一定的速度及温度梯度下,减小两者间的夹角是强化传热的有效措施。这基本思想以后发展成为“场协同原理”(field synergy principle),夹角称为协同角。
    笔者所在的课题组在近5年内在执行国家重点基础研究项目的过程中,对场协同原理的论证、推广和应用方面作出了自己的工作。主要有:1)论证了场协同原理对于椭圆型流动的换热也是正确的[74];2)用数值计算揭示了场协同原理可以将文献中现有的强化机理统一起来:无论哪种机理最终都是要减小速度与温度梯度间的夹角[75];3)用数值计算证明了场协同原理对于湍流也是成立的[76];4)用数值计算证明了场协同原理对于非稳态过程也是成立的[77];5)将场协同原理推广到一般的迁移与能量转换过程,指出只要过程的结果量是以两个矢量的点积来表示的,则场协同原理均适用[78];6)应用场协同原理提出了翅片开缝要前疏后密的原则[79,80],并经实验测定证实了这一思想。有关场协同原理及其应用的论文已先后在6种国际杂志发表或被接受。在这样的前提下,我们认为现在已经是在本科生传热学教学中适当引入场协同原理的时候了。
5.3  我们如何面对急速膨胀的知识体系
由本文前面的讨论可见,最近40年内,应当在本科生传热学教学中有所反应的知识体系急剧膨胀,而教学的学时则受到严格限制,如何处理这对矛盾是当前我们面临的重要问题。根据笔者的初步探索,可以从以下几方面入手:
(1)及时删节一些陈旧的或不能适应新形势的内容    例如计算一维非稳态导热的Heisler-Grober 图线是否可以用Campo 的简化分析式代替。
(2)例题与习题是拓宽应用领域、引入结合工程实际问题的入口   作为拓宽知识面的某些内容未必都要在正文中或课堂上讲授,而是可以通过例题与习题来完成,这是不少近期教材,如[28,31,33] ,采用的方法。
(3)适当使用多媒体是扩大信息量的有效手段    根据笔者近三年的课堂教学体会,每章的总结适合采用多媒体教学,除了简要总结本章内容外,还可以引入不少结合工程实际的例子、照片,可以在较短的时间内让学生看到在教科书与黑板上无法表现的复杂内容,是拓宽学生视野,增强学生的工程观点,扩大信息量和使课程教学更加结合工程实际的有效方法。
(4) 开设专题讲座是引进新知识的好方法    1984年在美国ASME的全国传热学会议上,Eckert,Incropera和Lienhard三位教授被邀在主题为“传热学教学”的讨论会上发言。Eckert教授在谈到“Future trends”(发展方向)时第一句话就是:“教材的缺点是一旦印出,内容就冻结来了,而讲座则永远是活的而且年年变化”。部分新的内容可以通过讲座向学生传授,这既符合个性培养的要求,又与因材施教一致。目前学生课堂学习时间普遍压缩,但是课外自己支配的时间则有余度。笔者曾经在西安交通大学为学生开设了题为“热流科学漫谈”的系列讲座,内容包括:1)电子器件冷却技术;2)强化传热的本质是什么?3)微尺度传热与流动简介;4)21世纪的能源问题;5)传热学在工程技术中的应用,普遍得到学生的欢迎。
(5)改革教学环节,以撰写课程论文作为课程考核的一部分    我们曾经连续两届在一个传热学教学的大班中采用撰写小论文作为课程考核的一部分,受到学生的热烈欢迎。不少学生在课程论文末尾表示:“这是进入大学以来第一次自己写论文,…”,“我认为这样的论文,不仅锻炼了我们用书本知识解决实际问题的能力,业培养了我们思考问题、处理问题的技能”。2003年我们提出的课程小论文参考题目如下:
【1】 地球的温室效应分析:原因及其对策。
【2】 电工学中 -形接法与Y-形接法在辐射换热计算中的应用。
【3】 试论非稳态导热Heisler图的适用范围。
【4】 空气强制对流冷却电子器件的计算方法。
【5】 两层抽气遮热罩的传热分析。
【6】 计算多表面辐射换热的程序开发与计算实例。
【7】 超级保温材料在航天技术中的应用。
【8】 传热问题的样谬-Mpemba现象分析讨论。
【9】 双层玻璃窗的隔热效果分析。
【10】 空间辐射制冷器工作原理分析及其应用。
【11】 Planck 建立黑体辐射按波长分布定律的过程及对我们的启示。
【12】 微尺度流动与传热问题初探。
【13】 机械工业中热传递现象的普遍性和重要性的分析。
【14】 最佳肋片几何尺寸的确定。
【15】 你自己认为有意义的传热问题分析和讨论。
(6)组织学生课外科技活动是使部分学有余力学生拓宽知识面、培养创新精神的好方式   笔者曾经在所教课的大班中组织过学生课外科技活动小组,报名参加者十分踊跃,分成了换热器测试、温度场的光学演示、燃料电池及热声制冷现象演示等小组,每周活动一次,研究生与实验室工程技术人员协助指导,收到了良好的效果。
        
6.结  论
(1) 40年的变迁说明传热学是热流科学中最活跃的分支学科:工业生产和科技领域的发展需求是传热学发展的基本动力,传热学研究的成果又推动了工业技术的发展。因而传热学的基本原理虽然形成了近一个世纪,但直至今日仍然是热科学乃至整个技术科学中十分活跃的学科。
(2) 由于传热学与工程应用之间的密切关系,适时地在课堂教学和教材中反映有关传热学的发展与变化,引入结合工程实际的例题与习题不仅能使学生更深刻掌握传热学的基本原理,而且是培养学生解决实际问题能力、保持传热学课程的生命力、使课程内容与时俱进的重要途径。
(3) 鉴于全世界能源供应的状态和我国中长期能源发展规划,强化传热技术(包括热绝缘技术)应该成为本科传热学教学的一条主线,在导热、对流、辐射与换热器四块知识结构中都有所反映,教材编写与课堂教学应该对此予以足够的重视。
(4) 面对当今知识的急剧膨胀,本科生传热学教学要通过多种方式适应形势的发展:除课堂讲授外,多媒体演示、科技讲座、学生科技活动、以及以撰写小论文作为课程考核的部分内容等,都是可以尝试的方式。这些方式也为学生个性发展、培养创新精神提供了机会。

致  谢
本文中提到的一些教学改革尝试和调查研究得到下列项目的支持:
(1) 教育部“世行贷款项目”《能源动力类人才培养方案改革研究与实践》;
(2) 教育部教改项目《能源动力学科专业发展战略研究》;
(3) 西安交通大学教改项目《传热学精品课程》
特此一并致谢。
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