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传热学论文范文1
关键词：卓越工程师；传热学；教学改革
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）11-0149-02
国家教育部于2009年决定实施的“卓越工程师教育计划”，是为顺应国际发展趋势，适应国家工业、企业需求，增强我国核心竞争力，建设创新型国家，走新型工业化道路，培养各类型工程师的重要决策。该计划要解决的重点问题是：企业一方面抱怨工科大学毕业生工程实践能力弱化、不适应企业要求等问题；另一方面又不愿意接受大学生实习，不愿意参与工程师培养。该计划旨在高校中培养造就一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量各类型工程技术人才，为国家走新型工业化发展道路、建设创新型国家和人才强国战略服务。
传热学课程着重研究热量传递的规律和方法。[1]建筑环境与设备工程专业是土木工程专业下属学科专业，主要包含供热、供燃气、通风与空调工程、建筑给排水工程、建筑电气工程等几个方向，涉及的主要专业课程有暖通空调、制冷技术、流体输配管网系统、锅炉设备、热质交换等。从这些课程所讲授的内容看，传热学知识有着相当重要的地位，因此传热学是建筑环境与设备工程专业毕业生知识结构中的一门非常重要的基础课。随着我国高等教育教学改革的不断深化，在“重基础、宽口径” 的指导方针下，建筑环境与设备工程专业传热学的课时减少到原来的一半。如何在较少课时内培养学生用传热学的规律分析工程问题的能力，面对“卓越工程师”培养的传热学教学方法改革势在必行。[2]
下面结合笔者对建筑环境与设备工程专业学生进行传热学课堂教学的工作实践，谈谈卓越工程师背景下推进“热传学”课程改革的几点体会。
一、传热学课程教学现状及存在的问题
1.教材的内容结构
杨世铭等主编的《传热学》为比较经典的教材，该教材总体上体现了传热学这门应用性很强的基础课程的特点。教材主要包含热传导、热对流和热辐射三方面的内容。其中热传导部分相对简单，通过简化实际物理模型，运用高等数学的知识能够得到一般问题的分析解。而对流换热过程则相对复杂，该部分在实验研究的基础上总结出大量的图表和经验、半经验公式，运用时需区别不同情况带入不同的计算公式。对于此部分的学习学生感觉公式繁多、复杂，需强化记忆，且应用时经常选择错误的经验公式。辐射传热部分由于理论的抽象性以及辐射换热方程次数较高的问题，学生不仅对概念的掌握困难，辐射换热问题的求解亦有比较大的难度。总的来说，到目前为止传热学学科的发展中对于三种传热方式分析方法差别较大，连贯性不强，导致学生对课本知识的理解有些被动。且由于学时的减少，课上主要介绍三种传热方式的基本概念及方法，对综合性问题的分析、训练环节必然相应减少，导致学生分析和解决综合实际问题的能力缺乏。
2.教学方法和手段单一
传热学的教学中，目前多采用多媒体授课。多媒体授课方式相对于以前的板书授课方式虽然大大增强了学生的直观感受，通过图、文、声、像多角度调动学生的情绪、注意力和兴趣，但也存在许多新的问题。例如：对于重点公式的推导不够细致，通常忽略或者先于学生的反应便给出答案，学生无法真正领会推导过程；课上信息量大，只注重讲课进度，忽视学生接受程度，到头来学生收效甚微；与学生的互动缺乏，因为内容多，上课过程多是教师一人在上边喋喋不休，学生却在下面精神恍惚，特别是难度较大的章节，学生因为理解不了干脆放弃听讲，教师在讲台上唱独角戏，课堂气氛沉闷。
根据传热学课程现状及存在的问题，以下内容分别为笔者从教学内容、教学方法、考核方式等几方面进行的一些思考及尝试。
二、面对“卓越工程师”培养的改革
1.优化教学内容
正如教材中所述，最近几年，世界范围内科学技术的发展对于传热学课程的发展产生了积极的影响，也提出了新的挑战。尽管传热学的基本规律并无变化，但是研究手段的发展和工程应用领域的扩大进一步丰富了传热学的内涵。为了适应我国相关行业的发展，体现本学科的进展，要使学生学到最新的知识，必须不断更新教学内容，把最新的知识引入到教学中。因此在教学内容的选择上，考虑面对卓越工程师培养的目标，笔者适当删减了一些比较繁琐的数学推导内容，如一维无限大平板非稳态导热分析解的推导过程课堂上不再推导，直接给出最后解的表达形式，要求同学了解其物理意义即可；对于传统传热学中相对陈旧的内容也可根据情况做一些删减，例如管内湍流传热的齐德-泰特公式、米海耶夫公式、流体横掠管束的格里森公式等；此外，根据情况可以增加一些有关传热学新技术的内容，如微尺度传热内容、强化单相对流换热的纵向涡方法等，通过这些前言知识的渗透使学生了解目前传热学应用的热点技术，增加学习兴趣。
2.引入工程案例的教学方法
面对“卓越工程师”培养需加强基于工程应用的教学方法。传热学学习的最终目的是解决与传热有关的工程实际问题。教材中分析的主要问题都能够在工程实际中找到原型。对建筑环境与设备工程专业来说，空调系统中最主要的部件是两个换热器：蒸发器和冷凝器。其中分别发生的是制冷工质的沸腾吸热以及凝结放热过程，这两部分换热的理论基础分别来自于传热学课本中沸腾和凝结换热一章。为了增强换热器的传热面积，肋片的应用则增加了同学们对换热器表面不同结构的理解和认识。空调中冷量的载体―制冷剂在管路中的输送过程需要保温，经济保温层厚度的确定也离不开利用传热学知识的计算。此外，空调系统设计初期，计算维护结构的冷、热负荷时，建筑维护结构的热传导环节则多可简化为无限大平壁的稳态导热问题，与课本中重点分析无限大平壁的导热问题相对应，等等。因此，在教学工作中引入与本专业密切相关的典型案例，首先会激发同学的学习兴趣，让同学带着问题去理解、去学习。此外，融入大量实际案例也可以使同学对基础知识的理解更加深入，避免了单纯课本知识的枯燥无味。
3.讲解与讨论相结合的教学方式
提高学生学习效果的重要方法是让学生的学习从被动到主动。多媒体课件作为一种辅助手段，把抽象的事物用生动的语言和画面展现在学生面前，更加形象和具体，但讲解基础理论时，以板书为主的方式效果较好。
摒弃课堂上老师一言堂的局面，在整个学习过程中教师主动设置讨论环节。目前传热学作为建筑环境与设备工程专业研究生考试的专业课之一，许多时候专业课的复试是通过综合案例的分析来考查学生对传热学知识的掌握情况。因此，在本科生教学阶段就加强这方面的练习十分必要。例如在不同学习阶段，教师可以挑选某一综合的传热问题，让学生分成小组，分别通过查阅文献、分析和制订求解方案，最后以报告或论文形式提交不同的解决方案，让学生在课堂上进行汇报和讨论，最终获得大家认为较好的方案。期间避免教师完全控制讨论，教师应注意倾听学生的发言，并进行适当引导，使所有学生都参加讨论过这个过程。这样，让学生对传热学的学习从被动到主动，深切体会运用所学传热学知识解决实际工程问题的过程，增强学习兴趣，并能培养部分学生进行科学研究的能力。
4.CFD教学方法的应用
CFD（Computer Fluid Dynamics）是应用各种离散化的数值计算方法与计算机科学相结合来解决流动与传热问题的重要方法。对于典型情况下的传热问题，传热学课本中能够推导并以公式的形式给出某一特定物体的温度场，但对于几何形状或者边界条件复杂的传热问题，运用CFD技术获得其内部的温度场之后，再对其传热量进行分析，这种方式已经必不可少。因此，结合CFD的教学方法可以更形象、生动地展示特定复杂场景下的传热过程，增强学生学习的兴趣，运用巧妙的模拟方法又可以使学生加强对传热基本规律的理解和掌握。[3]
5.增加实践教学课程
传热学是理论与应用并重的课程，目前传统的授课却往往偏重理论。为提高学生的动手与分析能力，应增加形式多样的实践课程。例如：建立教学和实习示范基地，在学习过程中带学生到这些基地进行参观。例如到散热器或空调厂家，通过让学生参观各种形式的换热器，让学生感受到传热学知识与日常生活和工业生产的重要性；利用假期可以鼓励学生到这些示范基地进行短期实习，丰富实践经验的同时也加强了锻炼。笔者所在的学校就与大金、开利等空调公司建立了合作关系，也为学生的就业提供了很好的出路。此外，可以针对重要知识点开设实验环节，让学生亲自制订实验方案、获得并整理实验数据，最后运用理论方法获得不同条件下的实验规律等等。这样通过锻炼学生的动手能力，增强了工程师素质的培养。
6.考核方式改革
考核既是对教师课堂教学效果的检验，又会促进学生学习的效果。笔者曾经对传热学的考核方式尝试多次改革。目前，期末考试环节分成开卷加闭卷两个部分，其中开卷部分针对综合传热问题进行考核，着重考查学生综合分析问题的能力；而闭卷部分则重点考查学生对基本概念、定性分析方法的理解。此外，课程过程中穿插的小论文完成情况也会在平时成绩中体现。这样避免了单一环节失误导致学生成绩不理想而造成的心理负担，充分给予学生机会，也能够清楚了解到每个学生在不同方面的特长加以针对性培养。
三、结论
面对“卓越工程师”培养的要求，结合建筑环境与设备工程专业特点，本文提出了优化教学内容，引入工程案例的教学方法，讲解与讨论相结合的教学方式，应用CFD教学方法，增加实践教学课程，改革考核方式等传热学教学改革之方法，能够使学生学习从被动到主动，并培养学生在较少课时内用传热规律分析工程问题的能力。
参考文献：
[1]杨世铭，陶文铨.传热学[M].北京：高等教育出版社，2006.
传热学论文范文2
关键词：传热学；任务教学法；课程设计
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）23-0044-02
传热学是一门研究由温差引起的热量传递规律的科学，是现代科学技术中最重要的基础学科之一，它不仅是能源动力、交通运输、石油化工等专业本科生的一门重要专业基础课，而且在机械、电子、土木、航天航空和轻纺食品等工程技术领域里的应用也十分广泛。目前大连海洋大学（以下简称“我校”）该课程体系是由理论、实验、实习和课程设计四个环节所组成。其中传热学课程设计这个教学环节是紧接在传热学课程理论教学之后进行的一个综合性实践教学环节，也是学生综合运用传热学、换热器设计以及相关先修课程知识，联系实际生产和日常生活，以完成以某一特定设计任务为主的一次工程设计实践环节（包括自行完成主体设备的选型计算、材料选择及内部结构设计、工艺计算及主要尺寸设计，主要附属设备的选型设计，主体设备总图的绘制等，同时还要综合考虑制造成本、加工工艺难度、维护保养等因素）。因此，该课程设计在整个课程体系教学改革中的地位十分重要。[1-3]
一、传热学课程设计的现状与改革方向
目前高校的课程设计大多数是依附于理论课程而开设的，与理论教学同步并在授课计划范围内完成，通常课程设计的过程往往是学生仿照教师的设计过程和设计指导书上的步骤来进行。因此课程设计的核心主要是指导教师，学生按教师预先给定好的设计流程进行，被动地接受设计方案，丧失了主动参与课程设计的积极性和热情，而且在设计中发生问题也不能及时反馈。这样的结果，将大大降低学生的动手能力、分析和解决问题的能力，更谈不上对学生工程素质的培养了。
随着对培养工程素质人才的需求和对传统课程设计教学模式改革的呼声越来越高，一种“以学生为中心”的教学理念即“任务学习法”越来越受到教育工作者的重视。这种教学模式主要是体现“任务导向”和“学生主体、教师主导”的教学原则，引导学生主动参与、乐于探究、勤于动手，培养学生搜集和处理信息的能力、获取新知识的能力、分析和解决问题的能力，甚至于交流合作的能力，这同样也是当前培养知识、能力、素质综合发展的工程型人才的改革方向。[4，5]
二、基于任务型教学法的课程设计改革原则
为了将任务教学法成功而高效地运用于传热学课程设计这一实践教学环节，在改革之前必须制订某些行之有效的原则作为指导，以便使其更好地发挥功用。考虑到任务型教学法是一种以任务为核心单位计划和组织教学的途径，它强调在“做中学”，不仅吸收了以往多种教学方法的优点，而且和其他的教学方法并不排斥。因此，笔者在教学改革实施过程中根据此教学方法的特点提出了以下的课程设计原则。[6]
1.将较难的任务前置
大量的研究结果表明，学生在整个学习过程中的精力是有限的。根据笔者多年指导课程设计的教学经验，发现学生往往在学习过程的前半阶段思想最为活跃，精力也最为充沛。因此，在给定课程设计任务后，教师应有意识地把那些理论性强、需要花费大量精力才能掌握的较难的任务环节放在课程设计的前半阶段，例如对换热器的选型计算部分。这不仅仅是因为这些较难的学习任务往往更具有冒险性和创新性，而且这样的设置可以极大地激发学生的学习兴趣和好奇心，从实际教学反馈效果来看教学效果良好，也更有利于教师灵活地推动整个课程设计教学流程的进行。
2.将安静的教学任务前置
激烈的教学活动能让学生的大脑兴奋，特别是在课程设计的后半阶段，学生往往会感觉到疲惫，这个时候如果再进行安静的教学活动，学生的大脑就会处于一种抑制状态，从而影响整个课程设计的教学效果。因此，为了保证学生处于科学、合理的学习状态，指导教师应当把相对较为安静的教学任务安排在课程设计的前半阶段。
3.将整个课程设计连贯化
根据任务型教学法的指导思想，任务的设计是实施任务型教学法的关键和前提。因此，在课程设计正式开始之前，教师应指导每名学生根据分配的相关参数独立构建设计项目，每一项目均设计任务若干，在任务设计的过程中考虑行业发展、企业需求的实际情况，同时把传热学作为基础技能贯穿于任务环中，让学生提前对任务环的大体框架有一个较为清晰的了解。同时以任务为核心单位计划和组织教学，在“教中做”，在“做中学”，通过一系列的集体活动或个人活动来开展课程设计，最后对所涉及的全部教学内容进行整合并总结。总之，每一个教学环节都应该紧密相连，从教学设计角度保证课程设计的连贯性，并让学生能够获得最佳的学习效果。
三、课程设计的具体改革步骤
1.改革课程设计的教学大纲
课程设计中的教学目标和任务都是依据教学大纲提出的，而教学大纲中所提出的相关教学要求和教学任务就是开展课程设计的指挥棒，其作用不言而喻。显然，大纲中的这些目标和要求应该能够体现任务教学法的任务设计思想。
通过传热学课程设计这一实践环节，应该让学生掌握换热器设备设计的基本程序和方法，熟悉查阅技术资料、国家技术标准的途径，正确地选用公式和数据，加强工程计算和CAD绘图能力，初步形成工程优化意识，并能运用简洁的文字和工程语言正确表述设计思想和结果，从而培养学生的工程能力和创新能力。笔者在总结以往教改经验的基础上，将教学大纲作为前任务阶段进行改革，根据行业的发展趋势以及学生日后就业的企业需求，为每名学生都构建了不同的设计项目，引导学生自主地参与到任务设计环节中来。当学生对自身任务有了较为明确的认知后，就可以进入任务环阶段了。
2.课程设计题目的设定
在任务环阶段需要学生采用各种方法和手段去完成任务要求。如何能让学生从课程设计中既学到有用的知识和技能，同时又符合传热学课程设计的教学要求，这是课程设计题目设定的最根本原则。考虑到传热学课程设计最多一般也就两周的时间，同时受各种条件的限制，学生到现场测量考察换热器实物的可能性很小。如果设置的课程设计题目过大过深，学生可能会没有时间深入研究任务而只是忙于完成形式上的设计报告。因此，在设计题目的设定上，指导书中会尽量选取学生在学校和日常生活中能接触到的常见换热器类型，同时做到每名学生的初始设计参数都不一样，从而培养学生自主设计的独立工作意识。[7]
3.教学环境的改革
传统的课程设计教学环境已经不能很好地适应新形势下的课程设计教学要求。任务教学法就是要以学生为中心，创新教学模式和教学方法，建立以学生为主体、教师为主导的教学模式，通过组建课程设计小组，激发学生学习兴趣，引导学生通过组内分工、信息资源共享、技术难题攻关、组内讨论、组外交流等多种方式参与到教师的各个教学环节中去，鼓励每一名学生发挥自身特点，积极参与到设计团队的任务中，充分利用学生主观能动性，师生共同营造一个轻松热烈的教学环境。
基于以往的课程设计教学经验，采用灵活的情景式教学比较有利于任务教学法的开展，同时适当结合CDIO（构思、设计、实现、运作）模式等先进教学方法，展开对设计任务的团队讨论及研究模式，注重原理和应用相结合，强化以工程实例为载体的案例教学，将课程设计与工程体系有机结合，强化综合设计和工程实践训练。同时开展专题讨论，强化能力的培养。教学中增加一些专题讨论、工程案例、工程项目研究报告，有助于培养学生分析、解决问题的能力，创新意识和创新能力。
4.评价与考核方式的改革
从学生的长远发展来看，对学生的评价与考核不过是激励他们不断学习和进步的一种手段。既然实践环节的教学目的是侧重提高学生的动手实践能力，那么其评价考核方式就应与传统的理论教学有所区别，针对任务教学法更应如此。
由于任务教学法是以任务作为教学的主线，以学生实践作为中心，以老师作为辅导。因此，在考核方式上也应以学生为主体，以设计任务完成的质量作为考核依据，而不再以最终的课程设计报告作为终结性评价指标。每个学生作为个体既是自己任务的设计者，也是其他同学的“同行”，可以对其他同学的设计进行评价打分，因为学生在一起共同完成课程设计任务的同时，对彼此平时的表现也是最为了解的，这样可以提升评价考核的公平性与透明度，有效促进学生们的学习积极性。
四、结束语
总而言之，任务教学法有效地打破了传统的教学模式，最大限度地发挥了学生学习的积极性和主动性，不仅符合新形势下对高素质工程技术人才培养的需要，同时在教学实践中也取得了良好的教学效果。在教学中，教师要不断地总结实际经验，运用任务教学法，实现传热学课程设计教学效果的不断提高。
参考文献：
[1]杨世铭，陶文铨.传热学[M].第四版.北京：高等教育处出版社，
2006.
[2]于靖博，董丽娜， 赵兰英.《工程热力学与传热学》课程教学改革与实践[J].广州化工，2013，（11）.
[3]顾丽莉，张登峰， 赵文波，等.关于化工原理课程设计的几点思考[A].2013年创新教育学术会议（CCE2013）论文集[C].2013.
[4]金华.运用任务驱动教学法的思考和实践[J].新课程（教研），
2010，（11）.
[5]李广华，李华彦， 于靖博，等.“传热学”课程实践性教学环节的探索[J].中国电力教育，2010，（13）.
传热学论文范文3
热学课程论文教学形式与作用一、引言
《热学》是物理学中研究物质热运动及其有关性质和规律的一门分支学科，是物理学专业本、专科学生必修的专业基础课。《热学》课程在实验基础上，通过物理学的基本概念、基本原理、基本知识、基本思想和方法的引导，培养学生进一步学好物理学的兴趣，提高学生的自学能力、分析和解决问题的能力。其主要内容包括：分子动理学理论的平衡态理论、输运现象与分子动理学理论的非平衡态理论、热力学第一定律、热力学第二定律与熵、液态与固态、相变等方面的基本概念、基本理论和基本运算技能。通过本课程的学习，既要帮助学生迅速掌握大学的学习特点和规律，建立正确的学习方法，努力养成刻苦踏实、勤于思考的良好学风，又要为后继课程的学习作好业务、思想和心理上的准备，还要为学生毕业后从事有关科学研究、应用开发、教学工作等打下良好的基础。在目前《热学》课程的教学中，课程论文扮演着越来越重要的角色，探讨课程论文教学的相关研究课题也逐渐开始得到重视。课程论文要求学生在掌握物理学基本概念和基本规律的基础上，通过调查研究，适当了解这些基本概念与规律以及它们在生产技术、特别是高技术领域中的应用，注意培养学生理论联系实际的能力，培养学生对实际问题特别是当代物理学前沿以及当前高技术领域中物理问题的兴趣，引导和激励他们解决实际问题的愿望和责任感。教学方法的改进是课程教学改革的重要方面，在课程论文的实施过程中重视学生能力素质的培养，把课程建设的目标定位于造就新世纪人才，使学生终生受益。
二、课程论文的基础
课程论文实际上是对学生提出了更高的要求，因此，《热学》课程的教学应当把重点放在打好基础上。如果学生掌握的基础知识雄厚，基本功扎实，再加上广泛涉猎与深入钻研，专业课就能学得好，理解得深，在将来从事高新科技领域的创新工作时就上手快，回旋的余地也比较大。况且，“热学”课程在传授系统物理学知识的同时，还要培养学生掌握物理学中的思维方法与工作语言。这样，尽管有些基础物理知识从表面上看似乎并没被直接应用，但这却会影响到学生的工作方法、思维方式以至世界观，当他们以后从事科研与教学工作时会在潜意识深处起重要作用。总而言之，《热学》课程的基础还是基本概念、基本原理、方法，离开这些基础去谈课程论文就是无源之水、无本之木。
三、课程论文的形式
课程论文的形式灵活，不仅包括论文、调查报告，还包含有实验研究、实物制作等多种形式。在教学过程中，教师可以通过告知、提问等多种提示方式引导同学自行深入研究，常见的课程论文形式主要有以下几种。一是解题方法的探究，通过对一个例题或习题的多种方法求解，使得学生对相关概念、原理、方法掌握得更透彻；二是实验探究，例如，当讲解到气体玻一马定律与盖・吕定律知识点时，可以让学生自行设计相关实验来验证上述定律；三是调研报告，例如在讲解卡诺循环这一知识点时，可让学生调研、总结目前市场上热机的工作原理与工作流程等；四是理论模拟与分析，例如讲到相变这一知识点时，可以通过理论分析各种相的稳定性。五是合理的估算，例如气体动理学理论里输运现象中的气体黏度公式，查普曼和恩斯库格曾用不同的高深理论得到相同结果，它是个级数，由前几项可得系数约为0.499，而如果充分考虑速度住留的简便方法，很容易就得到此系数等于1/2，又如通过对小无极分子估算分子间力的有效作用距离与平衡距离的半经验公式，再如可以用标准大气模型中数以千计的数据，考虑地面凹凸不平的影响，可求出精度较高的大气粒子总数，然后与用均质大气模型、等温大气模型或者地面大气压强所得到的结果进行对比，从而总结出估算行星大气粒子总数的简便方法；目前“热学”课程中有一些概念和提法在学术界实际并未完全统一，有的甚至还是有争议的，例如：任意逆循环的制冷系数的定义，等热容过程与多方过程的差异，卡诺循环的概念以及回热式循环与非回热式循环，等等。遇到这些内容时，就在课程讲授中把各家的观点都原原本本地告诉学生，同时也介绍自己的看法，然后让学生独立进行研究，自由思考，自己做出合理的判断。
四、总结
《热学》课程论文的目的是使得学生通过热力学宏观定理与微观模型的学习，建立把宏观现象与微观模型进行联系的物理思想方法，掌握对事物的实验――理论――实践的认知规律，在此基础上，采用问题探讨与课程讲授、主题讨论与实践相结合的教学方式，以教学论文为载体，实现《热学》课程的互动研究型教学，重视学生能力素质培养，通过精心设计方案，全面加强各个环节，合理运用各种方法手段，形成视野开阔、理论联系实际的特色风格。用搞科研的态度对待教学，积极开展教学论文的教学，从教学有关领域挖掘课题开展科研，再把科研成果引入教学丰富教学内容，使教学与科研两者有机地相结合。教师在课程教学中引入了这些从教学有关领域挖掘课题开展科研所取得的成果，身教言传，课程里就会充满了研究与探索的特色和风格，使学生在学习课程的过程中逐渐受到熏陶，养成勤于思考研究、勇于提出自己独立见解的良好习惯，并为学生发展其科学研究能力和科学创新能力创造了良好的学术环境，使得学生发现问题、分析问题、解决问题的能力都能够得到进一步的提升。
参考文献：
[1]国家教育委员会.高等学校理科本科专业基本培养规格和教学基本要求（I）.高等教育出版社，1992.59-60.
[2]张辉，陈振乾.“高等传热学“教学的改革实践[C].第四届全国高等院校制冷空调学科发展与教学研讨会论文集.2006.172-175.
[3]高崇伊.改革“热学“课程教学加强对学生能力与素质的培养[J].高等理科教育，2003，（3）：34-38.
传热学论文范文4
关键词 柠檬酸；仿真实验；实践教学
中图分类号：TP391.9 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2015）12-0049-02
1 前言
实践教学是高等工科教育教学中的重要组成部分。通过实践教学，可以帮助学生巩固课堂知识、培养其专业基本技能、养成并具备良好的创新习惯。可是，在实际教学实施过程中存在诸多问题。
首先，能够接受学生去实习的企业数量有限，学生数量又较多，都到企业或工厂进行实习，给工厂带来较大的压力。
其次，工厂现在都是大规模连续生产，生产过程要求连续稳定，导致学生在生产实习时只能看不能动手操作，难以完成生产实习的教学目标。
最后，随着科技的进步，现有大型生产装置日益系统化、自动化，导致学生只能观察和了解整个系统的表面，无法深入学习，难以提高教师和学生的积极性，生产实习的效果很差。
2 仿真实验
在增加硬件实验设备难以立即实现的情况下，利用计算机仿真技术，开发适合于专业需求的实验与操作实习仿真软件成为解决当前实验教学存在问题的一个重要途径。区别于传统的实验，仿真实验不需要实物形态工具与对象，实验时主要是针对软件设计的实验设备与仪器进行。计算机仿真技术借助面向对象编程软件与多媒体制作技术，制作与传统实验操作相对应的软硬件条件。学生在仿真实验中可像在真实环境中一样实现各种实验项目，实验结果甚至优于实际实验。可见，计算机仿真实验可辅助、部分替代传统实验操作。仿真实验提供了友好、操作方便的教学环境，学生的学习兴趣也大大提高。仿真实验与互联网信息技术结合后，通过网络链接，学生可在网络上进行远程实验课程学习，克服了传统实验教学空间和时间的限制，同时能大幅降低实验经费。
当前，计算机仿真在工科实验教学中已经得到越来越多的应用。以生物工程专业为例，烟台大学就已经开发完成一套谷氨酸发酵生产仿真软件，实现了谷氨酸发酵生产与分离提取过程的形象化与动态模拟。该软件在山东轻工业学院、青岛农业大学、文经学院等多所学校内试用，成为生物工程专业实习教学与培训的重要辅助手段。国内某公司开发的离心泵单元仿真培训被众多院校采用，作为相关专业的离心泵操作训练工具。
其他专业如热能与动力工程专业，许多高校都在实验教学中加入仿真实验以辅助教学，如制冷模拟教学课件[1]、小型冷库仿真教学系统[2]、制冷空调综合创新模拟实验平台[3]等。烟台大学也研制了传热学实验教学仿真软件[4]辅助实验教学。这些仿真实验在实际应用中都取得较好的教学效果，值得大力推广。
3 柠檬酸发酵生产仿真实验
柠檬酸发酵实验 柠檬酸发酵实验是生物与食品类专业的主要实验教学内容之一，目的是让学生了解柠檬酸的生产原理与流程，掌握柠檬酸的发酵生产工艺与发酵分析方法，通过实验能熟练地掌握真菌发酵的接种、培养与发酵产物的分析测定等技术。由于柠檬酸整个发酵生产流程所需设备众多，现在国内还没有厂家制作销售实验用柠檬酸全过程生产演示的仪器，大多数学校实验教学中只是在实验室中开展柠檬酸生产中发酵部分的实验，无法实现整个生产过程的操作练习。由于柠檬酸生产厂家分布过于分散，大部分高校因人力、物力等资源限制，无法开展实地操作实验教学。
针对此问题，本文开发了柠檬酸发酵生产仿真软件。该软件能够实现柠檬酸发酵生产全过程的仿真模拟，为广大生物与食品类专业学生的生产实习提供支持。通过该软件的推广使用，满足这些专业实验教学的迫切需要。
柠檬酸实验仿真工具 柠檬酸实验仿真软件的开发是根据教学任务要求，分析整理实验教学内容而进行的。利用该软件，学生对柠檬酸生产流程获得形象化的认知，还可以在仿真平台上完成实验虚拟操作，得到实践成绩。
本软件含有实验内容、成绩评定、使用帮助等内容。软件能够实现的实验内容包括柠檬酸生产的淀粉糊化、发酵、粗提和精提四个主要流程，在每个流程的实验界面上，都设计了该流程所需的全部实验部件，包括罐体、阀门、泵、过滤机、搅拌器等，各动力机械与调节阀门均可实现手动调节。学生在该仿真软件上手动完成各生产过程的相关操作练习。软件的成绩评定功能将在学生实际操作过程中，根据操作过程顺序以及由此引起的生产工艺参数变化情况给出实验成绩，并提供详细的得分明细与说明，学生可根据该明细查找实验操作中出现的问题并加以改进。软件的实验成绩判别功能实现了实验操作的定量计分，减轻了实验指导教师的负担。软件提供的帮助功能为学生提供逐步实验操作指导，帮助学生更快地熟悉相关实验操作。软件还提供了时间加速功能，使得学生能够在较短的时间内就完成柠檬酸的实际长时间生产过程。
软件采用VB6.0软件开发，功能包括装置组成与工艺流程演示、部件运行与阀门操作动态演示、工艺参数动态变化、逐步指导等功能。图1～图4分别为淀粉糊化、发酵、粗提和精提四个流程的实验界面。
该软件的开发采用模块化编程，每部分实验内容作为一个大模块，大模块中还细分为若干个小的模块，模块之间通过操作流程引起的操作流程因果关系、耦合参数进行衔接。开发过程中采用动态模拟技术实现搅拌器、罐体液位、管道内流体流动等动态变化内容，实验参数可依据实际操作实现动态即时显示，学生能够随时了解参数的动态变化情况，并据此判断操作时机。
教学效果 基于仿真技术开发的柠檬酸发酵生产仿真软件，完整地模拟了柠檬酸生产的全过程，学生通过使用该软件，不仅加深了对所学理论知识的理解，还对柠檬酸的生产流程有了更深刻全面的认知，生产操作水平也得到了较大的提高。仿真实验由于界面设计友好，形式新颖，学生对此普遍欢迎，实验兴趣大大提高，取得较好的教学效果。可见，柠檬酸发酵生产仿真软件很好地解决了实践教学过程中存在的不足，提高了实践教学的水平，强化了生物工程专业学生综合素质的培养。
4 结论
本文首先分析传统实验与实习教学存在的一些问题，总结仿真实验教学应用现状及其优点，叙述自主开发的柠檬酸发酵生产仿真软件以及学生的使用体会。■
参考文献
[1]晏刚，吴业正，厉彦忠，等.发挥实验室优势，完善实践教学改革[M]//2004年制冷会议论文集：实践教学.2004：
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[2]张华，刘楚芸，王勤.基于web的小型冷库教学系统的设计与开发[M]//2004年制冷会议论文集：实践教学.2004：
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传热学论文范文5
摘要：低温地板辐射供暖设备―地盘管散热器，是目前民用建筑采暖系统中的一项新技术。该文根据室内地面热传导的实际情况，对地板辐射供暖系统建立数值计算的数学模型，运用fluent软件进行模拟的分析方法得出随着供、回水温度变化及护结构传热系数的改变，对室内温度及人体舒适度的影响。分析结果可为地板辐射供暖系统的设计、施工及运行提供参考依据。
中图分类号：TU767+.4 文献标识码：A 文章编号：
0 引言
低温热水地板辐射供暖系统(以下简称地板辐射供暖)是一种利用建筑物内部地面进行供暖的系统。地板通过对流换热加热周围空气，同时还与四周的围护结构进行辐射换热，从而使围护结构表面温度升高，其辐射换热量约占总换热量的50%。地板辐射供暖系统既能高效地利用各种低品位能源，节能效果好，又具有室温均匀，温度梯度小，脚感温度高，热舒适性好，卫生条件好，安全可靠，蓄热性能好及不占用室内使用面积等优点，是一种降低建筑能耗、提高热舒适性的理想供暖系统。
1 地板辐射供暖的简介
1.1 地板辐射供暖的发展
低温热水地板辐射供暖技术于上世纪三十年代运用于发达国家，由于它具有经济、节能、舒适等一系列优越性，很快被人们接受并广泛使用，从而得到了迅速地推广。在北美、北欧已十分普及，到1994年，法国约有20％、德国40％、奥地利25％、瑞士48％、加拿大65％的住宅建筑采用了地板辐射供暖系统。六十年代初，我国开始对地板辐射供暖系统进行研究，八十年代得到了大面积的推广。目前，许多省市已经制定了这一技术的工程标准。介于地板辐射供暖系统成本低、安全、舒适、易施工等优点，近几年新建的住宅小区大多数都采用地板辐射供暖系统来进行供暖，占到了我国地暖市场的90%以上。
1.2 地板辐射供暖结构型式
地板辐射供暖结构型式种类很多。现以目前通常采用的混凝土内埋管式为研究对象，主要结构为基本结构层、复合保温层、管上豆石混凝土层、找平层、地面层。混凝土内埋管式地板辐射供暖的结构及各层尺寸，如图1所示。
图1地板辐射供暖结构图
在建筑地面基层做好以后，首先敷设高效保温和隔热材料，然后将塑料埋管按一定的间距固定在保温材料上，最后回填豆石混凝土。在找平层施工完毕后再做地面层。由于管径的变化随管子埋深的增大对地板表面温度的影响愈来愈小，当埋管较深时，这种影响可忽略不计。在实际工程中，塑料埋管的管径一般都为De20x2.0这种规格。
1.3 地板辐射供暖中加热管的布置方式
地板辐射供暖以温度不高于60℃的热水为热媒，供暖埋管的材质一般为钢、铜、聚乙烯(PE-RT)和聚丙烯。由于近几年来塑料工业发展迅速，塑料加工制作和使用寿命等问题得到了较好的解决。所以目前国内外大都采用塑料管作为地板辐射供暖中的加热管。
图2塑料埋管的铺设型式
地板辐射供暖系统中，塑料埋管的铺设型式大致分为回折型、平行型和双平行型三种。具体铺设型式如图2所示。三种铺设型式各有不同特点，而其中，由于回折型铺设型式，经过板面中心点的任何一个剖面，埋管均是高温管、低温管相间布置，易于造成“均化”效果，并且它的铺设弯度大部分为90度，铺设简单，没有埋管相交的问题[1]。因此，在工程上，铺设塑料埋管广泛采用回折型铺设型式。该文将主要针对回折型塑料埋管铺设型式进行研究。
2 室内温度场的数值模拟与分析
2.1 建立数值计算的模型
用传热学的基本原理对地板辐射供暖系统地板层内的传热进行简化假设，建立数学模型。通过模拟的结果，对地板层内、地板表面及室内空间温度场的分布及其影响因素进行分析。
通常的模型都建立在一定假设基础上，地板辐射采暖系统由于各种复杂因素的影响，难以求解。为了使问题简化，将物理模型抽象成数学模型，使其易于求解分析，又不失指导意义。故作以下几条合理假设：
(1) 对于以热水为热源的低温地板辐射采暖系统，水在塑料管中流动，不断将热量传到室内空间。热量在空间三个方向传导，该传热过程是一个三维传热过程。但由于回折型铺设方式特有的均化作用，除了最边缘的管子外，其它各管间的分布基本相同，又以管中心剖面对称，故可忽略管间的传热，认为该传热问题是二维传热过程。
(2) 假设从加热开始到稳态期间，加热热源温度恒定，热水流量为定值，房间内无内热源。塑料管的弯管部分，实际的传热过程较为复杂，但所占的比例较小，所以将其简化为直管段。
(3) 假设保温材料导热系数很小，在盘管底层周围铺设一定厚度的保温材料，向外的散热量可忽略不计，视为绝热。
(4) 假设热管与埋管层材料接触良好，各覆盖层之间接触良好，忽略接触热阻。
(5) 假设各层材料均质恒物性。
(6) 假设管内热水流动为稳定流动。
地板辐射换热过程可分为三个阶段。第一阶段，盘管内热水与管壁的换热；第二阶段，管壁通过填充层、找平层、地板层的换热；第三阶段，地板表面与房间的换热。[1]
2.2 实际模拟的对象及物性参数
在实际中，对于典型房间（如图3），房间尺寸(长×宽×高)为5m×4m×3m，东、西、南、北面各有一面外墙，外墙墙体为370厚的页岩多孔砖，传热系数K=1.3W/( m2・K)。其中南面外墙上有面积为2.1m2的塑钢窗，玻璃为中空玻璃，空气层厚度为12mm，传热系数K=3.5W/( m2・K)。北外墙有一塑钢门，传热系数K=3.9W/( m2・K)。室内设计温度为18℃。室外温度为-5℃。管间距为300mm。具体物性参数见表1。
表1物性参数表
2.3 室内空间温度场数值模拟与结果分析
在其它条件都相同，仅改变供水温度和回水温度时，地板以下及室内空间温度场的分布情况如下。
图4为供水温度328K(即55℃)、回水温度318K(即45℃)的室内温度场模拟图。
图5为供水温度313K(即40℃)、回水温度303K(即30℃)的室内温度场模拟图。
图4室内温度场分布图图5室内温度场分布图
以上两图对比结果表明在其他条件都相同时，随着供、回水温度的降低，室内温度也有所下降。
在其它条件都相同，仅改变护结构的传热系数时，地板以下及室内空间温度场的分布情况如下。
图6为外墙传热系数为1.3[W/(・K)]的室内温度场模拟图。
图7为外墙传热系数为2.6[W/(・K)]的室内温度场模拟图。
图6室内温度场分布图 图7室内温度场分布图
以上两图对比结果表明在其他条件都相同时，当护结构传热系数变大时，室内温度降低。
3 结论
(1)地板辐射供暖系统中随着供、回水温度变化，地板散热量、室内及地板表面的温度分布也相应变化。水温是影响地板辐射供暖系统的主要因素之一。地板辐射采暖系统若想保证舒适，就必须有效控制供回水平均温度。
(2)外墙围护结构传热系数不同，室内温度变化也不同。所以为了减少建筑能耗及保持室内温度的舒适性，应在外墙上添加保温板。
(3)将地板辐射供暖系统进一步加以利用，冬季时盘管内通低温热水加热地板，向室内供热；夏季时又可在盘管内通入冷水，向室内供冷。降低建筑能耗，提高室内舒适性。
参考文献
[1] 周兴红．低温地板辐射采暖数值模拟及其性能分析[D]．南京理工大学硕士学位论文， 2004．
[2] 叶张波，李琦芬，韩晨光等．低温地板辐射采暖系统传热分析与数值模拟[J]．华北电力大学学报（自然科学板），2008，35(104)．
[3] 杨巍，张于峰，王荣光．低温地板辐射供暖的传热模拟[J]．暖通空调，2001，31(1)73-75．
传热学论文范文6
关键词：BP神经网络；管芯式散热器；性能
1.设计预测网络参数、结构参数
1.1输入量的选择
输入量必须选择那些对输出影响大且能够检测或提取的变量，各输入量之间互不相连或相关性很小。在大多数情况下，直接送给神经网络的输入量无法直接得到，常常需要用信号处理与特征提取技术从原始数据中提取能反映其特征的若干参数作为网络输入，输出量表示可以是数值也可以是语言变量[1]。本文进行的预测目标已经确定，就是要预测管芯式散热器的热工性能，而解决问题的关键就是确定输入层的节点数，即影响输出的直接变量。
1.2训练样本集的设计
网络的性能与训练用的样本密切相关，设计一个好的训练样本既要注意样本规模，又要注意样本的质量。一般来说样本的数目越多，训练结果越能正确反映其内在规律，但样本的获取往往有一定困难，另外样本数量过多，网络的精度也很难提高。样本要有代表性，样本的组织要注意将不同类的样本交叉输入。一般将收集到的可用样本随机分成两部分，一部分为训练集，一部分为测试集。本文就是通过管芯式散热器的性能试验来获得样本集的，在编写预测程序时也相应将样本集分为两部分。
2影响散热器传热性能的主要因素
输入量必须选择那些对输出影响大且能够检测或提取的变量，此外还要求各输入变量之间互不相关或相关性很小。目前对于汽车散热器传热性能研究的理论已经比较成熟，衡量散热器优劣的一个重要指标就是传热系数的值，对于不同类型或同一类型不同结构参数的散热器进行传热性能比较的关键就是比较传热系数K的值。所以传热性预测模型建立的输出层节点数已经确定就是传热系数K，而影响传热系数的主要因素即输入层节点的数目就要从传热系数的计算公式入手了。由公式（2-1）知
3影响散热器阻力性能的主要因素
散热器的阻力包括水流阻力和空气阻力。影响各个阻力性能的主要因素应分别做出具体的分析。
3.1影响水流阻力的主要因素
水管流经管道，产生沿程阻力和局部阻力，这两部分阻力的计算公式前面已经叙述，通过传热学知识可以看出，水流动的速度，是影响沿程阻力的主要因素。而散热器水管的长度、水管直径试验前已经确定，它们的值不随流量和温度的改变而变化；通过文献[3]分析可知水流阻力受管排数M的影响，水的密度是与温度有关的物理量（本文将空气密度、水的密度通过拟合方法求得，拟合的温度分别是水、空气进出口温度的平均值），通过以上分析可知，影响水流阻力的主要变量因素是水流速度、水的进出口温度、管排数。
3.2影响空气阻力的主要因素
空气流过散热器通道的压力损失可以通过文献[4]确定，如下式：
（3-1）
建立神经网络预测模型就是要通过输入层物理量的变化来预测输出变量，所以输入层的各节点就是影响输出变量的可以通过试验测定的主要因素。通过对公式（3-1）可以看出影响影响散热器空气阻力性能的主要变量是空气的质量流量、散热器进出风温度，另外由文献[5]可知：散热器管排数M同样影响空气阻力的大小。通过以上分析可知，影响管芯式散热器空气阻力的主要因素是管排数、空气的质量流量、散热器的进出风温度。
3.4 散热器性能预测模型的建立
图3-1散热器传热性能预测BP神经网络模型
图3-2 散热器水阻性能预测BP神经网络模型
通过以上分析可以建立管芯式散热器神经网络预测模型，分别为传热性能预测模型和阻力性能预测模型，建立预测模型时应尽量使网络的结构紧凑。传热性能预测模型如图3-1所示，阻力性能预测模型如图3-2、3-3所示。
神经网络预测模型建立的准确与否直接影响着最终的预测结果，所以要经过反复的验证。图3-1、3-2给出了模型的输入节点和输出节点的具体情况，通过具体的编程可以实现管芯式散热器的性能预测，为矿用的管芯式散热器的结构改造提供理论依据。■
参考文献
[1] 朱大奇，史慧.人工神经网络原理及应用[M].北京：科学出版社，2006
[2] 曹志峰，余波，王永强等.基于MATLAB神经网络的变风量空调控制的仿真[J]：制冷与空调.2007，2：114-116
[3] 彭国谱.重型车用新型散热器的设计[J]：机电设备.1999，6：44-47
[4]朱聘冠. 换热器原理与计算[M].北京：清华大学出版社，1986：7-14.
