時間：2022-10-31 03:36:08
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1.1開篇案例對于傳熱單元操作，可采用學生熟悉的氨的合成中脫除二氧化碳的生產工藝作為開篇案例。氨的合成中二氧化碳脫除的傳統流程如圖1所示[8]。一氧化碳變換后的原料氣經吸收塔底部的氣體分布管加入吸收塔，在塔內與碳酸鉀吸收劑進行洗滌，出塔凈化氣經分離器把氣體夾帶的液滴分離后進入下一工段。吸收液由吸收塔底部引出，經水力透平減壓后進入再生塔頂部。在再生塔頂部，溶液閃蒸出部分水蒸氣，然后沿塔向下流，在塔內與再沸器加熱產生的蒸汽逆流接觸，同時被蒸汽加熱到沸點并放出殘余的二氧化碳。而再生出來的碳酸鉀溶液經冷卻器冷卻之后并經泵加壓后進入吸收塔頂部循環使用。選用此工程案例作為開篇案例是基于下述三個原因：（1）我校的化工原理是在大二下學期開設。此前學生已到云峰合成氨廠進行了生產認識實習，對此工程案例比較熟悉，能較好的引起學生的興趣；（2）該生產案例中，涉及到三類換熱器（再沸器、冷卻器、冷凝器），與教學目標吻合較好；（3）該案例中，化工原理與化工工藝學緊密結合。提出此生產案例后，以學生為主體，讓學生簡述整個脫碳過程，并引導學生思考該生產過程中這些換熱器的作用，流體之間的換熱方式。然后，請學生歸納總結、教師補充說明加以延伸，即可完成開篇內容：（1）換熱在化工生產中的應用，（2）換熱器的類型，（3）冷熱流體換熱方式。之后，提出兩個問題留給學生思考：一是如何根據生產任務設計或選擇一臺換熱器。二是這些換熱器使用時間長了，換熱效果不好了，怎么辦。這些問題將在后續章節逐一解決。
1.2問題案例問題案例法，即教學中講授某一知識點前先列舉出工程中存在的實際問題，分析該問題產生的原因及解決該問題的方法，再引出知識點的教學方法。傳熱一章涉及知識點較多，講授時可采用問題案例法逐一進行。例如，對于保溫層的厚度問題，許多學生會習慣性的認為厚度越厚越好。為改變學生的習慣性思維，即可列舉如下實例進行教學。假設一鋼管規格，鋼管外壁溫度環境溫度鋼管外包熱導率為的保溫材料，以減少熱損失。已知保溫層外表面與環境的對流傳熱系數為保溫層與鋼管接觸良好。求保溫層厚度分別為10mm、20mm、30mm、40mm、50mm、60mm、70mm時，每米管長的總熱阻及熱損失。為節約時間，可將3-5位學生分為一組，每小組計算1個保溫厚度對應的總熱阻和熱損失。計算結果如表1所示。表1的數據顯示，在題設條件下保溫層厚度由10mm增至30mm時，總熱阻逐漸減小、總熱損失逐漸增大；當保溫層厚度從30mm增至70mm時，總熱阻逐漸增大、總熱損失逐漸減小。則保溫層厚度從10mm增至70mm時，總熱阻和總熱損失均存在一個拐點，對應的總熱阻最小、熱損失最大。此點對應的保溫層厚度稱為保溫層的臨界厚度。計算表明，上述題設條件下的臨界保溫層厚度為28mm。原因可由熱損失公式（其中為熱阻）可知，當保溫層厚度增大時，一方面是導熱熱阻增加，另一方面是對流傳熱熱阻減小，因此保溫層厚度存在臨界厚度。當保溫層厚度小于其臨界厚度時，隨著厚度的增加，總熱阻減小、總熱損失增大；在此期間增加保溫層厚度并非是越厚越好。當保溫層厚度大于其臨界厚度時，隨著厚度的增加，總熱阻增大、總熱損失減小。鑒于經濟和管道體積的考慮，實際生產中需通過計算，再選取合適的保溫層厚度。
1.3綜合案例綜合案例法即在每章（或每個單元操作）的結尾，列舉出該單元操作的工程設計（或工程改造）實例，提出需要解決的工程問題，引導學生綜合利用本單元操作所學知識，解決該工程設計（或工程改造）問題。在傳熱單元操作講解的最后一堂課，提出如下生產案例：在某化工產品的生產裝置中，混合液在分解塔中進行反應時，放出大量的熱量。若不及時移走，分解塔內溫度將繼續上升，會產生過量焦油。這不但會使產品質量下降，堵塞管道，甚至造成事故。國內該類生產裝置大都采用蒸發冷卻的方式轉移反應熱（即塔內溫度靠液體自身蒸發來維持，一般維持在88℃左右）。也有部分工廠采用外循環冷卻的方式（將塔內液體用泵抽出，經塔外一雙管程換熱器用冷卻水冷卻后循環回分解塔）轉移反應熱。所用換熱器主要參數為：殼徑1m，雙管程，換熱管，換熱管根數370根，總傳熱面積100m2。該廠欲將塔內溫度降至60℃，這一改變要求冷卻器熱負荷增至4×105kJ/h。將此案例加以描述和說明后，讓學生對這一案例提出實際的解決辦法。根據班級學生數，將學生按5-7人一組，課堂上用10-15min時間進行分組討論。之后，小組派代表闡述解決方案，其它小組可質疑和提問。經小組討論，教師點評，最終形成如表2所示的四種方案。經分析可知，得出方案D是可行的。得到這一結論并不意味著案例分析就結束了。最后也是最重要的一步，是教師引導學生總結歸納出具有普遍規律的理論知識，也就是“從例到理”。此案例表明，考察一臺換熱器的工作能力不能單純只考慮其傳熱面積，傳熱面積和總傳熱系數的乘積KA才能真正代表一臺換熱器的工作能力。因為存在如下關系：A—管數或者殼體體積—流速—傳熱系數。因此，列管換熱器的K和A值之間往往存在“此漲彼消”的關系。傳熱面積過大往往由于流體流量的“不匹配”而導致K值降低，換熱效果降低了。
2案例教學的啟示
案例教學在一定程度上彌補了傳統教學的不足，可提升學生的學習興趣。一個好的案例一定要源于生產和生活，又不能脫離教學內容與教學目標。案例中既包含對實際問題的描述，又暗含一定的科學問題，讓學生參與分析并解決此實際問題。案例教學不但可使學生快速鞏固理論知識，還培養了學生解決實際問題的能力。采用案例教學時，要正確處理好案例教學與理論教學的關系。案例教學只是眾多教學方法中的一種，不能用案例教學完全替論教學，而應在一定的理論基礎上加以實施。案例教學中，應注重以學生為主體，讓全體學生參與問題的分析與解決，最終總結歸納得出具有普遍規律的理論知識，做到“從例到理”，使學生明白理論知識源于實踐。當學生掌握了理論知識后，又要從理論的高度重新審視工程案例，做到“從理到例”，培養學生理論指導實踐的方法。真正實現“以學生為主體，以能力培養為核心”的實踐教學理念。
3結語
關鍵詞：卓越工程師；傳熱學；教學改革
中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）11-0149-02
國家教育部于2009年決定實施的“卓越工程師教育計劃”，是為順應國際發展趨勢，適應國家工業、企業需求，增強我國核心競爭力，建設創新型國家，走新型工業化道路，培養各類型工程師的重要決策。該計劃要解決的重點問題是：企業一方面抱怨工科大學畢業生工程實踐能力弱化、不適應企業要求等問題；另一方面又不愿意接受大學生實習，不愿意參與工程師培養。該計劃旨在高校中培養造就一大批創新能力強、適應經濟社會發展需要的高質量各類型工程技術人才，為國家走新型工業化發展道路、建設創新型國家和人才強國戰略服務。
傳熱學課程著重研究熱量傳遞的規律和方法。[1]建筑環境與設備工程專業是土木工程專業下屬學科專業，主要包含供熱、供燃氣、通風與空調工程、建筑給排水工程、建筑電氣工程等幾個方向，涉及的主要專業課程有暖通空調、制冷技術、流體輸配管網系統、鍋爐設備、熱質交換等。從這些課程所講授的內容看，傳熱學知識有著相當重要的地位，因此傳熱學是建筑環境與設備工程專業畢業生知識結構中的一門非常重要的基礎課。隨著我國高等教育教學改革的不斷深化，在“重基礎、寬口徑” 的指導方針下，建筑環境與設備工程專業傳熱學的課時減少到原來的一半。如何在較少課時內培養學生用傳熱學的規律分析工程問題的能力，面對“卓越工程師”培養的傳熱學教學方法改革勢在必行。[2]
下面結合筆者對建筑環境與設備工程專業學生進行傳熱學課堂教學的工作實踐，談談卓越工程師背景下推進“熱傳學”課程改革的幾點體會。
一、傳熱學課程教學現狀及存在的問題
1.教材的內容結構
楊世銘等主編的《傳熱學》為比較經典的教材，該教材總體上體現了傳熱學這門應用性很強的基礎課程的特點。教材主要包含熱傳導、熱對流和熱輻射三方面的內容。其中熱傳導部分相對簡單，通過簡化實際物理模型，運用高等數學的知識能夠得到一般問題的分析解。而對流換熱過程則相對復雜，該部分在實驗研究的基礎上總結出大量的圖表和經驗、半經驗公式，運用時需區別不同情況帶入不同的計算公式。對于此部分的學習學生感覺公式繁多、復雜，需強化記憶，且應用時經常選擇錯誤的經驗公式。輻射傳熱部分由于理論的抽象性以及輻射換熱方程次數較高的問題，學生不僅對概念的掌握困難，輻射換熱問題的求解亦有比較大的難度。總的來說，到目前為止傳熱學學科的發展中對于三種傳熱方式分析方法差別較大，連貫性不強，導致學生對課本知識的理解有些被動。且由于學時的減少，課上主要介紹三種傳熱方式的基本概念及方法，對綜合性問題的分析、訓練環節必然相應減少，導致學生分析和解決綜合實際問題的能力缺乏。
2.教學方法和手段單一
傳熱學的教學中，目前多采用多媒體授課。多媒體授課方式相對于以前的板書授課方式雖然大大增強了學生的直觀感受，通過圖、文、聲、像多角度調動學生的情緒、注意力和興趣，但也存在許多新的問題。例如：對于重點公式的推導不夠細致，通常忽略或者先于學生的反應便給出答案，學生無法真正領會推導過程；課上信息量大，只注重講課進度，忽視學生接受程度，到頭來學生收效甚微；與學生的互動缺乏，因為內容多，上課過程多是教師一人在上邊喋喋不休，學生卻在下面精神恍惚，特別是難度較大的章節，學生因為理解不了干脆放棄聽講，教師在講臺上唱獨角戲，課堂氣氛沉悶。
根據傳熱學課程現狀及存在的問題，以下內容分別為筆者從教學內容、教學方法、考核方式等幾方面進行的一些思考及嘗試。
二、面對“卓越工程師”培養的改革
1.優化教學內容
正如教材中所述，最近幾年，世界范圍內科學技術的發展對于傳熱學課程的發展產生了積極的影響，也提出了新的挑戰。盡管傳熱學的基本規律并無變化，但是研究手段的發展和工程應用領域的擴大進一步豐富了傳熱學的內涵。為了適應我國相關行業的發展，體現本學科的進展，要使學生學到最新的知識，必須不斷更新教學內容，把最新的知識引入到教學中。因此在教學內容的選擇上，考慮面對卓越工程師培養的目標，筆者適當刪減了一些比較繁瑣的數學推導內容，如一維無限大平板非穩態導熱分析解的推導過程課堂上不再推導，直接給出最后解的表達形式，要求同學了解其物理意義即可；對于傳統傳熱學中相對陳舊的內容也可根據情況做一些刪減，例如管內湍流傳熱的齊德-泰特公式、米海耶夫公式、流體橫掠管束的格里森公式等；此外，根據情況可以增加一些有關傳熱學新技術的內容，如微尺度傳熱內容、強化單相對流換熱的縱向渦方法等，通過這些前言知識的滲透使學生了解目前傳熱學應用的熱點技術，增加學習興趣。
2.引入工程案例的教學方法
面對“卓越工程師”培養需加強基于工程應用的教學方法。傳熱學學習的最終目的是解決與傳熱有關的工程實際問題。教材中分析的主要問題都能夠在工程實際中找到原型。對建筑環境與設備工程專業來說，空調系統中最主要的部件是兩個換熱器：蒸發器和冷凝器。其中分別發生的是制冷工質的沸騰吸熱以及凝結放熱過程，這兩部分換熱的理論基礎分別來自于傳熱學課本中沸騰和凝結換熱一章。為了增強換熱器的傳熱面積，肋片的應用則增加了同學們對換熱器表面不同結構的理解和認識。空調中冷量的載體―制冷劑在管路中的輸送過程需要保溫，經濟保溫層厚度的確定也離不開利用傳熱學知識的計算。此外，空調系統設計初期，計算維護結構的冷、熱負荷時，建筑維護結構的熱傳導環節則多可簡化為無限大平壁的穩態導熱問題，與課本中重點分析無限大平壁的導熱問題相對應，等等。因此，在教學工作中引入與本專業密切相關的典型案例，首先會激發同學的學習興趣，讓同學帶著問題去理解、去學習。此外，融入大量實際案例也可以使同學對基礎知識的理解更加深入，避免了單純課本知識的枯燥無味。
3.講解與討論相結合的教學方式
提高學生學習效果的重要方法是讓學生的學習從被動到主動。多媒體課件作為一種輔助手段，把抽象的事物用生動的語言和畫面展現在學生面前，更加形象和具體，但講解基礎理論時，以板書為主的方式效果較好。
摒棄課堂上老師一言堂的局面，在整個學習過程中教師主動設置討論環節。目前傳熱學作為建筑環境與設備工程專業研究生考試的專業課之一，許多時候專業課的復試是通過綜合案例的分析來考查學生對傳熱學知識的掌握情況。因此，在本科生教學階段就加強這方面的練習十分必要。例如在不同學習階段，教師可以挑選某一綜合的傳熱問題，讓學生分成小組，分別通過查閱文獻、分析和制訂求解方案，最后以報告或論文形式提交不同的解決方案，讓學生在課堂上進行匯報和討論，最終獲得大家認為較好的方案。期間避免教師完全控制討論，教師應注意傾聽學生的發言，并進行適當引導，使所有學生都參加討論過這個過程。這樣，讓學生對傳熱學的學習從被動到主動，深切體會運用所學傳熱學知識解決實際工程問題的過程，增強學習興趣，并能培養部分學生進行科學研究的能力。
4.CFD教學方法的應用
CFD（Computer Fluid Dynamics）是應用各種離散化的數值計算方法與計算機科學相結合來解決流動與傳熱問題的重要方法。對于典型情況下的傳熱問題，傳熱學課本中能夠推導并以公式的形式給出某一特定物體的溫度場，但對于幾何形狀或者邊界條件復雜的傳熱問題，運用CFD技術獲得其內部的溫度場之后，再對其傳熱量進行分析，這種方式已經必不可少。因此，結合CFD的教學方法可以更形象、生動地展示特定復雜場景下的傳熱過程，增強學生學習的興趣，運用巧妙的模擬方法又可以使學生加強對傳熱基本規律的理解和掌握。[3]
5.增加實踐教學課程
傳熱學是理論與應用并重的課程，目前傳統的授課卻往往偏重理論。為提高學生的動手與分析能力，應增加形式多樣的實踐課程。例如：建立教學和實習示范基地，在學習過程中帶學生到這些基地進行參觀。例如到散熱器或空調廠家，通過讓學生參觀各種形式的換熱器，讓學生感受到傳熱學知識與日常生活和工業生產的重要性；利用假期可以鼓勵學生到這些示范基地進行短期實習，豐富實踐經驗的同時也加強了鍛煉。筆者所在的學校就與大金、開利等空調公司建立了合作關系，也為學生的就業提供了很好的出路。此外，可以針對重要知識點開設實驗環節，讓學生親自制訂實驗方案、獲得并整理實驗數據，最后運用理論方法獲得不同條件下的實驗規律等等。這樣通過鍛煉學生的動手能力，增強了工程師素質的培養。
6.考核方式改革
考核既是對教師課堂教學效果的檢驗，又會促進學生學習的效果。筆者曾經對傳熱學的考核方式嘗試多次改革。目前，期末考試環節分成開卷加閉卷兩個部分，其中開卷部分針對綜合傳熱問題進行考核，著重考查學生綜合分析問題的能力；而閉卷部分則重點考查學生對基本概念、定性分析方法的理解。此外，課程過程中穿插的小論文完成情況也會在平時成績中體現。這樣避免了單一環節失誤導致學生成績不理想而造成的心理負擔，充分給予學生機會，也能夠清楚了解到每個學生在不同方面的特長加以針對性培養。
三、結論
面對“卓越工程師”培養的要求，結合建筑環境與設備工程專業特點，本文提出了優化教學內容，引入工程案例的教學方法，講解與討論相結合的教學方式，應用CFD教學方法，增加實踐教學課程，改革考核方式等傳熱學教學改革之方法，能夠使學生學習從被動到主動，并培養學生在較少課時內用傳熱規律分析工程問題的能力。
參考文獻：
[1]楊世銘，陶文銓.傳熱學[M].北京：高等教育出版社，2006.
關鍵詞：傳熱學 導熱 fluent
中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）09（a）-0144-02
Abstract：Fluent software was introduced in heat transfer teaching for numerical solution method of heat conduction problem. Numerical solution method was explained combination with Fourier law and heat conduction problem of multi wall.Wall temperature distribution was show by picture，the abstract concept and the theory change into the image picture，to raise students’interest in learning the course.And to make students deeper understanding of what is learned，to achieve the purposes of improving the teaching effect and quality.
Key Words：Heat transfer；Heat conduction；Fluent
傳熱學就是研究由溫差引起的熱能傳遞規律的科學[1]，要求學生掌握強化傳熱、削弱傳熱以及能計算簡單情況下的溫度分布。熱傳導問題數值解法的是學生比較難以掌握的難點，同時也是重點，要求學生能對簡單的熱傳導問題進行數值求解。通過將Fluent軟件引入教學過程，是學生講學習的重點放在熱傳導問題數值計算的基本原理上，而求解過程由Fluent軟件實現，進一步掌握該軟件的用法，為做畢業論文打下一定的基礎。
1 Fluent軟件的特點
對導熱問題數值求解的基本思想是：把原來在時間、空間坐標中連續的物理量的場，如導熱物體的溫度場，用一系列有限個離散點上的值的集合來代替，通過一定的原則建立起這些離散點上變量值之間關系的代數方程，求解所建立起來的代數方程以獲得所求物理量的近似值[2]。Fluent軟件是一個模擬和分析在復雜集合區域內的流體流動與傳熱問題的專用CFD軟件，同時也能模擬固體的導熱問題[3]。Fluent軟件由前處理器、求解器和后處理器組成。其中前處理器Gambit用于網格的生成，網格的生成過程即為計算區域離散化的過程。求解器用于求解所建立起來的代數方程。而后處理器用于處理計算的結果，可以把計算得到的數據可視化[4]。
2 教學案例
分析帶有保溫層的墻壁的傳熱過程，在教學中以長3m（x方向），高3.2m（y方向），厚0.3m（z方向）的墻作為研究對象，其中保溫層厚度為0.05m，如圖1所示。在教學過程中分析以下兩種情況下爐墻的傳熱過程：（1）分析有保溫層和無保溫層時墻壁的溫度分布；（2）保溫層厚度不變，分析保溫層導熱系數對爐墻溫度分布以及散熱量的影響。水泥墻和保溫層的物性參數表1所示。
（1）數學模型。
（2）邊界條件。
（3）墻壁中的溫度分布。
計算得到不同厚度方向（z方向） xy截面的溫度分布，從圖中可以看出不同截面上的溫度相等，根據傅里葉定律可知熱量沿著厚度方向傳遞。從而驗證了傳熱學中大平板模型中（長度、寬度遠遠大于厚度的平板）熱量沿著厚度方向傳遞。
計算保溫層存在時以及沒有保溫層時墻壁的溫度分布，計算結果如圖3所示。圖3（a）為爐墻厚度方向yz截面的溫度分布，從圖中可以看出溫度在z方向及墻壁厚度方向發生變化，而在y方向爐墻的溫度保持不變。對比有保溫層和無保溫層兩種情況的溫度分布，在有保溫層時，墻壁中的溫度發生劇烈的變化，而無保溫層時，墻壁中的溫度變化比較平緩。可見保溫層對墻壁的溫度分布影響比較大。
根據墻壁厚度方向的溫度變化，得到墻壁溫度在厚度方向的變化曲線，如圖3（b）所示。由于墻壁內外的邊界條件相同，有保溫層時和無保溫層時內墻壁的溫度為296K、外墻壁溫度為260K。無保溫層時墻壁內的溫度幾乎成線性變化，而有保溫層時，墻壁的溫度變化比較平緩，在墻壁和保溫層的交界面處z=0.3m，溫度發生劇烈變化，在保溫層中溫度急劇下降，這是由于保溫層的熱阻非常小而導致的。在厚度0m
（4）保溫層導熱系數對熱流量的影響規律。
在保溫層厚度保持不變的情況下，保溫層導熱系數的大小，直接影響墻壁的散熱，因此分析保溫層導熱系數對墻壁熱流量的影響，如圖4所示。隨著保溫層導熱系數從0.06 W/（m?K）減小到0.01 W/（m?K），墻壁散熱的熱流量從180W減少到40W。導熱系數越小，保溫層的熱阻越大，根據傳熱過程熱流量與熱阻的關系可知墻壁的熱流量越小，從而減少墻壁的散熱。
3 結語
在傳熱學導熱問題數值解法的教學過程中，引入Fluent軟件，同時結合傅里葉定律、多層平壁導熱問題進行講解。以墻壁的溫度分布為例，分析了有保溫層時和無保溫層時墻壁的溫度分布，比較這兩種情況下墻壁的熱流量大小，有保溫層時能顯著的減小墻壁的散熱。同時分析了保溫層導熱系數對墻壁熱流量的影響規律。將較強理論的教學內容形象化，激發學生的學習興趣，加深對傳熱學基礎理論的理解。
參考文獻
[1] 楊世銘，陶文銓.傳熱學[M].北京：高等教育出版社，2006：1-2.
[2] 陶文銓.數值傳熱學[M].西安：西安交通大學出版社，2001：28-29.
關鍵詞：傳熱強化與控制 課程建設 教學方法 考核手段
中圖分類號：G64 文獻標識碼：A 文章編號：1673-9795（2014）01（a）-0098-02
熱環境控制課程是熱能與動力工程專業一門專業課，也可作為航天、機械、電子、化工類相關專業的選修課。課程的教學目的是使本科學生在學習了大學傳熱學中的傳熱基本原理基礎上，進一步了解、掌握對相關工程技術中傳熱過程進行強化與控制的原理思路與技術方案，擴大知識面，培養根據基本原理進行技術研發、創新的能力。課程教學以課堂講授為主，輔之以適當的課堂討論。通過資料搜集、分析整理、評判，培養學生主動獲取知識能力；通過學生自主擬定設計題目、進行論證與初步設計訓練，達到教學目的。
熱環境控制課程的特點是屬于新開設課程、無合適教材、涉及面廣、無習題；接近研究生選修課、要求學習主動性；需查找文獻、大量閱讀，發揮主動性進行課程設計、撰寫論文；與一般專業課的課程設計訓練不同，主要考察主動性、創新性。本課程的教學正是圍繞培養能從事熱動系統設計、制造、運行管理和經營銷售等方面工作的高級復合型技術人才展開的，結合我校本科教學要點“以學生為本、以教學為教師第一要務，重點推進教學方法和考試方法改革”，依照培養高質量復合型人才的人才培養目標，以教學與科研一體化為教學思想，為深化教學改革進行了積極的探索，并從中獲得了一些有益的啟示。
1 教學與科研一體化的教學思想
熱環境控制的教學與科研是相對獨立又是一個具有內在聯系的、不可分割的統一體的兩項活動，在適宜的條件下，兩者可以得到強化，并相輔相成、互為促進。高校教學與科研一體化的基本思想基于建設具有地方工科特色的現代教育教學，以科研項目為依托，堅持側重工程和應用的研究型教學和科研思想，致力于教學與科研一體化的探索和實踐，使教學促進科研，科研服務教學。教學與科研一體化的教學思想在熱環境控制課程教學中體現為：通過理論的教學、科研活動和課程設計等，使學生適度地參與相關的科研項目中來，既可以鞏固學生的理論基礎，又可以加強本科生教育與實際課題的聯系。熱環境控制課程的教學目標、教學進程和教學方法都是按照這種教學思想進行。
教學組主持完成和正在進行的課題有973課題、863課題、國家自然科學基金項目等縱向課題，也有和航天院所、公司企業之間的橫向課題。這些課題涉及了強化換熱、計算傳熱及多相流動和相變換熱等各研究方向。通過科研活動不僅提高了教師的科研能力和學術水平，開拓了教師的知識面，同時為教學提供了第一手科學前沿資料，豐富了教學內容，提高了教學水平。課堂教學時，授課教師注重聯系實際及本人的科研成果和他人的科研成果，使授課變得更加生動活潑，從而提高了教學質量。如，圍繞863課題中近地空間飛行器熱控和熱防護研究，從課堂教學、理論教學、實踐教學等多方面設計了教學內容和教學方法。在課堂教學中，把項目的內容（包括近地空間飛行器的工作原理、熱環境和特有熱控系統設計思路和方法）融入到導熱強化與控制原理、對流傳熱強化與控制原理、輻射換熱強化與控制原理、耦合換熱與傳熱過程的強化與控制、新技術領域中的傳熱強化與控制問題等章節中，同時利用部分課堂時間開設了幾個由淺入深的專題學術講座。為了增加學生的感性認識，利用學生業余時間，帶領學生參觀相關的科研實驗平臺，通過一系列教學，學生不但理解了熱環境控制課程的基礎理論知識，真正把傳熱學理論知識拓展到實際應用中來。同時也了解了科研的基本程序、基本方法，鍛煉了學生的動手能力和思維能力，為將來參加社會工作或科研工作奠定了堅實的基礎。
2 現代與傳統相結合的多樣化教學方法
多媒體技術教學，已在眾多課程中得到了大量的運用。但在實際應用過程中，多媒體技術輔助教學也存在一些弱點和缺陷。例如，多媒體教學容易分散學生的注意力等，因此，本課程靈活運用現代教學手段和傳統教學手段，像錄像、小黑板、多媒體、課程互動討論、學生上臺講等多種教學手段，有效地提高學生上課的注意力，調動學生課上主動性和課后思考的學習積極性，并且培養了學生的獨立思考能力。教學的主要內容、授課教案等都可以在網站上瀏覽，學生可以通過網絡了解該課程的主要內容。網上教學與答疑可以通過傳熱學精品課程網站（資源共享課）進行。為了增強教師與學生的聯系，解決學生對于該課程存在的一些疑問，并及時了解學生對于本課程的反響，我們還開設了微信群和QQ群進行教學討論和答疑交流；另外網站設置了資源共享區，為授課教師與學生之間建立了資源共享的渠道。
講解課程時，積極引導學生從實際問題出發，學習理解基本概念、基本理論和基本計算方法。為使學生更好地理解和掌握課程基本知識，講解的例題都與實際生活和科研項目相聯系。比如講解緒論的時候，筆者在講課時問學生，人們在冬天一只手握鐵棒另一只手握木棒時，為什么感覺握鐵棒的手比握木棒的手更冰冷？為什么蔬菜大棚里的溫度比大棚外的溫度高？神舟飛船是如何克服大氣燒蝕返回地面的？于是學生就有了反應，開始思考。這樣一來，自然而然，老師就把學生引入下面要介紹的導熱強化、對流換熱強化和輻射換熱強化等基本原理和控制手段。通過這些問題的提出，學生可以知道學習這門課以后，能夠運用所學的相關知識解決哪些實際問題，學生帶著問題學習，就不會盲目，大大激發了他們學習這門課程的興趣，引導學生從傳熱學的角度去發現、分析和解決實際工程問題，真正學會如何利用傳熱學知識去控制熱環境。
3 N+1的考核手段
考試方式改革如何客觀、公正、有效地考核學生，如何摒棄一張考卷定乾坤的現象，一直是廣大教師探討的問題。對于絕大多數大學課程來說，尤其是一些工科課程，我們所要考查的決不是學生記憶公式的能力，而是學生綜合運用知識分析和解決問題的能力。因此，怎樣通過考試來考查學生綜合運用傳熱學知識分析和解決問題的能力就很值得我們思考。為此，我們設計了N+1全方位多層次的考核辦法，辦法的內容如下：
（1）課堂提問，考核學生學習情況、表達能力與課堂出勤情況，以提高學生聽課的積極性和思考問題的獨立性。
（2）平時小測驗，考核學生知識積累能力與平時的學習態度。
（3）課程設計，考核學生綜合運用知識分析和解決問題的能力。
要求：構思、提出一種熱環境控制技術方案，并進行基本的論證。沒有應用領域限制，充分發揮。最后經過老師評定較好的方案將有機會上臺展示并講述5～10分鐘。
（4）課后資料查閱，鼓勵學生積極思考，通過文獻了解專業領域的最新進展，激發學生的學習興趣。
要求：自擬題目，要求圖文并茂，按正規學術論文形式撰寫，必須有自己的觀點或認識。可選擇下列之一：①針對某一工程領域的熱環境控制技術，進行文獻資料綜述、評價、分析，每人至少查找20篇國內外較新的論文（近10年）、技術報告及應用介紹。②針對某一傳熱方式的熱環境控制技術在不同領域的應用發展，進行文獻資料綜述、評價、分析，每人至少查找20篇國內外較新的論文（近10年）、技術報告及應用介紹。
（5）期末考試采取閉卷形式，進行基本概念、原理考試，加深學生對傳熱學和傳熱強化與控制的理解。
4 結論
熱環境控制是一種改善傳熱性能的先進科學技術。通過對熱環境控制的學習，使學生了解如何改善提高熱傳遞的速率，以達到利用最經濟的設備來傳遞規定的熱量，或是用最經濟的冷卻來保護高溫部件安全，或是用最高的熱效率來實現能源合理利用。不僅為專業知識拓展提供有效的手段，也是培養和提高學生分析問題和解決工程實際問題能力的重要環節。
我們對“熱環境控制”課程教學方法的進行了探討，主要目的就是提高教學效果，充分調動學生學習本課程的主動性和積極性，使他們在有限的學習時間中掌握熱量傳遞的高效途徑和控制方法，為后繼的專業課學習提供必要的基礎理論知識，同時培養和提高學生分析解決工程問題的能力。
參考文獻
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關鍵詞：傳熱學；任務教學法；課程設計
中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）23-0044-02
傳熱學是一門研究由溫差引起的熱量傳遞規律的科學，是現代科學技術中最重要的基礎學科之一，它不僅是能源動力、交通運輸、石油化工等專業本科生的一門重要專業基礎課，而且在機械、電子、土木、航天航空和輕紡食品等工程技術領域里的應用也十分廣泛。目前大連海洋大學（以下簡稱“我校”）該課程體系是由理論、實驗、實習和課程設計四個環節所組成。其中傳熱學課程設計這個教學環節是緊接在傳熱學課程理論教學之后進行的一個綜合性實踐教學環節，也是學生綜合運用傳熱學、換熱器設計以及相關先修課程知識，聯系實際生產和日常生活，以完成以某一特定設計任務為主的一次工程設計實踐環節（包括自行完成主體設備的選型計算、材料選擇及內部結構設計、工藝計算及主要尺寸設計，主要附屬設備的選型設計，主體設備總圖的繪制等，同時還要綜合考慮制造成本、加工工藝難度、維護保養等因素）。因此，該課程設計在整個課程體系教學改革中的地位十分重要。[1-3]
一、傳熱學課程設計的現狀與改革方向
目前高校的課程設計大多數是依附于理論課程而開設的，與理論教學同步并在授課計劃范圍內完成，通常課程設計的過程往往是學生仿照教師的設計過程和設計指導書上的步驟來進行。因此課程設計的核心主要是指導教師，學生按教師預先給定好的設計流程進行，被動地接受設計方案，喪失了主動參與課程設計的積極性和熱情，而且在設計中發生問題也不能及時反饋。這樣的結果，將大大降低學生的動手能力、分析和解決問題的能力，更談不上對學生工程素質的培養了。
隨著對培養工程素質人才的需求和對傳統課程設計教學模式改革的呼聲越來越高，一種“以學生為中心”的教學理念即“任務學習法”越來越受到教育工作者的重視。這種教學模式主要是體現“任務導向”和“學生主體、教師主導”的教學原則，引導學生主動參與、樂于探究、勤于動手，培養學生搜集和處理信息的能力、獲取新知識的能力、分析和解決問題的能力，甚至于交流合作的能力，這同樣也是當前培養知識、能力、素質綜合發展的工程型人才的改革方向。[4，5]
二、基于任務型教學法的課程設計改革原則
為了將任務教學法成功而高效地運用于傳熱學課程設計這一實踐教學環節，在改革之前必須制訂某些行之有效的原則作為指導，以便使其更好地發揮功用。考慮到任務型教學法是一種以任務為核心單位計劃和組織教學的途徑，它強調在“做中學”，不僅吸收了以往多種教學方法的優點，而且和其他的教學方法并不排斥。因此，筆者在教學改革實施過程中根據此教學方法的特點提出了以下的課程設計原則。[6]
1.將較難的任務前置
大量的研究結果表明，學生在整個學習過程中的精力是有限的。根據筆者多年指導課程設計的教學經驗，發現學生往往在學習過程的前半階段思想最為活躍，精力也最為充沛。因此，在給定課程設計任務后，教師應有意識地把那些理論性強、需要花費大量精力才能掌握的較難的任務環節放在課程設計的前半階段，例如對換熱器的選型計算部分。這不僅僅是因為這些較難的學習任務往往更具有冒險性和創新性，而且這樣的設置可以極大地激發學生的學習興趣和好奇心，從實際教學反饋效果來看教學效果良好，也更有利于教師靈活地推動整個課程設計教學流程的進行。
2.將安靜的教學任務前置
激烈的教學活動能讓學生的大腦興奮，特別是在課程設計的后半階段，學生往往會感覺到疲憊，這個時候如果再進行安靜的教學活動，學生的大腦就會處于一種抑制狀態，從而影響整個課程設計的教學效果。因此，為了保證學生處于科學、合理的學習狀態，指導教師應當把相對較為安靜的教學任務安排在課程設計的前半階段。
3.將整個課程設計連貫化
根據任務型教學法的指導思想，任務的設計是實施任務型教學法的關鍵和前提。因此，在課程設計正式開始之前，教師應指導每名學生根據分配的相關參數獨立構建設計項目，每一項目均設計任務若干，在任務設計的過程中考慮行業發展、企業需求的實際情況，同時把傳熱學作為基礎技能貫穿于任務環中，讓學生提前對任務環的大體框架有一個較為清晰的了解。同時以任務為核心單位計劃和組織教學，在“教中做”，在“做中學”，通過一系列的集體活動或個人活動來開展課程設計，最后對所涉及的全部教學內容進行整合并總結。總之，每一個教學環節都應該緊密相連，從教學設計角度保證課程設計的連貫性，并讓學生能夠獲得最佳的學習效果。
三、課程設計的具體改革步驟
1.改革課程設計的教學大綱
課程設計中的教學目標和任務都是依據教學大綱提出的，而教學大綱中所提出的相關教學要求和教學任務就是開展課程設計的指揮棒，其作用不言而喻。顯然，大綱中的這些目標和要求應該能夠體現任務教學法的任務設計思想。
通過傳熱學課程設計這一實踐環節，應該讓學生掌握換熱器設備設計的基本程序和方法，熟悉查閱技術資料、國家技術標準的途徑，正確地選用公式和數據，加強工程計算和CAD繪圖能力，初步形成工程優化意識，并能運用簡潔的文字和工程語言正確表述設計思想和結果，從而培養學生的工程能力和創新能力。筆者在總結以往教改經驗的基礎上，將教學大綱作為前任務階段進行改革，根據行業的發展趨勢以及學生日后就業的企業需求，為每名學生都構建了不同的設計項目，引導學生自主地參與到任務設計環節中來。當學生對自身任務有了較為明確的認知后，就可以進入任務環階段了。
2.課程設計題目的設定
在任務環階段需要學生采用各種方法和手段去完成任務要求。如何能讓學生從課程設計中既學到有用的知識和技能，同時又符合傳熱學課程設計的教學要求，這是課程設計題目設定的最根本原則。考慮到傳熱學課程設計最多一般也就兩周的時間，同時受各種條件的限制，學生到現場測量考察換熱器實物的可能性很小。如果設置的課程設計題目過大過深，學生可能會沒有時間深入研究任務而只是忙于完成形式上的設計報告。因此，在設計題目的設定上，指導書中會盡量選取學生在學校和日常生活中能接觸到的常見換熱器類型，同時做到每名學生的初始設計參數都不一樣，從而培養學生自主設計的獨立工作意識。[7]
3.教學環境的改革
傳統的課程設計教學環境已經不能很好地適應新形勢下的課程設計教學要求。任務教學法就是要以學生為中心，創新教學模式和教學方法，建立以學生為主體、教師為主導的教學模式，通過組建課程設計小組，激發學生學習興趣，引導學生通過組內分工、信息資源共享、技術難題攻關、組內討論、組外交流等多種方式參與到教師的各個教學環節中去，鼓勵每一名學生發揮自身特點，積極參與到設計團隊的任務中，充分利用學生主觀能動性，師生共同營造一個輕松熱烈的教學環境。
基于以往的課程設計教學經驗，采用靈活的情景式教學比較有利于任務教學法的開展，同時適當結合CDIO（構思、設計、實現、運作）模式等先進教學方法，展開對設計任務的團隊討論及研究模式，注重原理和應用相結合，強化以工程實例為載體的案例教學，將課程設計與工程體系有機結合，強化綜合設計和工程實踐訓練。同時開展專題討論，強化能力的培養。教學中增加一些專題討論、工程案例、工程項目研究報告，有助于培養學生分析、解決問題的能力，創新意識和創新能力。
4.評價與考核方式的改革
從學生的長遠發展來看，對學生的評價與考核不過是激勵他們不斷學習和進步的一種手段。既然實踐環節的教學目的是側重提高學生的動手實踐能力，那么其評價考核方式就應與傳統的理論教學有所區別，針對任務教學法更應如此。
由于任務教學法是以任務作為教學的主線，以學生實踐作為中心，以老師作為輔導。因此，在考核方式上也應以學生為主體，以設計任務完成的質量作為考核依據，而不再以最終的課程設計報告作為終結性評價指標。每個學生作為個體既是自己任務的設計者，也是其他同學的“同行”，可以對其他同學的設計進行評價打分，因為學生在一起共同完成課程設計任務的同時，對彼此平時的表現也是最為了解的，這樣可以提升評價考核的公平性與透明度，有效促進學生們的學習積極性。
四、結束語
總而言之，任務教學法有效地打破了傳統的教學模式，最大限度地發揮了學生學習的積極性和主動性，不僅符合新形勢下對高素質工程技術人才培養的需要，同時在教學實踐中也取得了良好的教學效果。在教學中，教師要不斷地總結實際經驗，運用任務教學法，實現傳熱學課程設計教學效果的不斷提高。
參考文獻：
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在傳熱與流體流動問題的數值計算研究中，主要存在兩種思路，一種是應用數學家針對空氣動力學問題發展的可壓縮流動計算方法，以有限差分法為主，國內習慣上稱其為計算流體力學（CFD）；另一種是物理學家針對傳熱問題發展的不可壓縮流動計算方法，以有限體積法為主，國內習慣上稱為計算傳熱學（NHT）。通過某種特殊處理，兩種思路都試圖將方法推廣到另一種思路所側重的問題。流體流動和傳熱現象十分復雜，其中不少子課題均可并且已經形成獨立的學科。數學模型和數值計算方法也名目繁多、千姿百態。想要花費較少的時間歷數各類流動和傳熱現象、各類數學模型和數值方法，幾乎是不可能；對于初學者來說也沒有這個必要[2]。許多專門講解計算流體力學的各種書籍，由于需要較多的數學知識，而顯得晦澀難懂。針對初學者的教學內容應該是能夠突出介紹傳熱和流體流動數值計算核心算法，而又盡量避免深奧的數學知識，特別是為他們克服最初的入門障礙，以便建立起對CFD和NHT的興趣和信心，為繼續學習更深入的相關知識做好鋪墊。教學過程中要力求做到以較簡單的數學方程來解釋計算流體力學和計算傳熱學的基本知識。在世界范圍內得到廣泛認可的作為CFD和NHT入門學習的教材有1980年PatankarS.V.[6]撰寫的《Nu-mericalHeatTransferandFluidFlow》（1984年張政[7]譯為中文，科學出版社出版），1995年VersyeegH.K.和MalalasekeraW.[8]撰寫的《AnIntroductiontoComputationalFluidDynam-ics—theFiniteVolumeMethod》（2005年李人憲[9]撰寫的《有限體積法基礎》大量參考了此書的有關內容（作者注），國防工業出版社出版），1995年AndersonJ.D.[10]撰寫的《Computa-tionalFluidDynamics—theBasicswithApplications》（2007年吳頌平和劉趙淼[2]譯為中文版，機械工業出版社出版）。這三本書中，前兩本主要介紹有限體積法，數值計算方法主要為壓力修正的SIMPLE算法系列；第三本書主要專門介紹有限差分法，對有限體積法只是一帶而過。我們知道，當前流體流動和傳熱問題的數值計算方法有多種，如有限體積法、有限差分法、有限元法、譜分析法、各類格子類方法等。每一種方法都有其特點和使用范圍。在應用于傳熱和流體流動問題數值計算的眾多方法中，有限體積法由于其物理意義明確、實施過程簡便、數值特性優良而獲得了特別廣泛的應用，是當前主流通用商品化CFD軟件（如：PHOENICS、FLU-ENT、Star-CD、CFX）中最常用的核心算法，也是最為成熟的一種方法。特別是自20世紀80年代以來，由于非結構化網格和自適應網格技術的發展，有限體積法更是得到了長足的進步。值得指出的是，雖然有限體積法表現出優異的程序通用性和對求解域的廣泛適應性，但因為這樣的原因而只是去了解有限體積法的知識是不夠的。原因如下：第一方面，有限差分法是有限體積法的基礎，有限體積法是在有限差分法的基礎上發展起來的。第二方面，如何分析和判斷一個離散格式的有效性和可靠性，即離散格式的數學特性（相容性、收斂性、穩定性、數值耗散與色散）的分析，必須借助于有限差分法才能完成。有限體積法是無法看見離散格式的內在微觀特性的。這也是很多初學者學習完計算傳熱學（有限體積法）后，再去學習計算流體力學（有限差分法）時仍然感到吃力和困難的原因。有限差分法更多地是建立在數學概念上的，需要學習者要有較為厚實的數學功底；有限體積法是從物理概念入手，顯然容易理解和接受，但難以透徹理解各物理量的內在聯系。第三方面，有限差分法簡便易行、格式和離散方案豐富多彩，求解變量設置隨意，是初學者練習編寫小程序而能深刻理解數值計算精髓很好的方法。第四方面，有限體積法在當前仍然被廣泛使用，特別是在航空航天領域更是必不可少。綜上所述，對于教授初學傳熱與流體流動數值計算的學生而言，在安排教學內容時應當涵蓋有限體積法和有限差分法兩方面的內容。兩種方法是否應當有所側重，得依據修課學生的專業情況來具體舍取。另外，對于初學者要立足基礎，突出物理概念和數學模型的循序漸進、由淺入深。因為精確科學的目標就是通過數學而簡化自然界的問題，以確定物理上的量。反之，片面追求起點高、內容深，會使大部分學生感到畏懼，敬而遠之，從而失去繼續深入學習的興趣。
二、明確本課程的學習方法
鑒于傳熱與流體流動數值計算課程的重要性，特別是許多學生在接下來的學位論文工作時，都要采用數值計算的手段去研究自己的特定問題。那么如何才能學好CFD或NHT？或者是應該采用什么樣的方法來學好這門課程？這是初學者經常愛詢問的問題。有效的學習方法能起到事半功倍的效果，對于本門課程學習中需要注意以下幾方面的問題：1.要有扎實的流體力學和傳熱學基本知識。所謂計算流體力學或計算傳熱學，顧名思義，就是數值計算和流體力學（或傳熱學）兩方面知識的結合。要想學好CFD和NHT，首先要有扎實的數學功底、流體力學和傳熱學的基本知識。在理解并應用CFD和NHT的所有知識之前，我們必須充分理解流體力學和傳熱學控制方程，包括它們的數學形式和它們所描述的物理現象。有的同學在學習過程中想要繞過流體力學和傳熱學的基本知識，特別是粘性流體力學的內容，最終的效果只能是知其然而不知其所以然。2.不要忽視自己動手編寫程序。這是一門理論和編程并重的課程，應使理論與編程操作相結合，二者才能相得益彰。因此，想要學好CFD和NHT，應該鼓勵自己去編寫一些計算簡單問題的程序。而且只有通過編寫程序來親手實踐，才能了解CFD和NHT究竟是如何一回事。3.要學習使用商品軟件。自己編程是一個良好的學習方法，針對某一較簡單的問題編程容易實現；而對于復雜問題，自己動手從零開始編寫程序將會是一個繁雜的工作。對于作為工程計算而非專門的研究型人員來說，學會使用一個通用的商品軟件是有益的，像流行的PHOENICS、FLU-ENT、CFX和Star-CD等商品軟件，雖說不是針對性軟件，應用于某些專門問題的計算時可能表現出效率低、精度低，但要自己編制一個計算復雜流場的軟件，還是要慎重思考。
三、結束語
關鍵詞：螺旋盤管 曲率半徑 螺距 fluent
中圖分類號：TE08文獻標識碼： A
引言
螺旋盤管管構造獨特，可以利用離心力來抑制污垢的生長，起到自清洗作用。螺旋盤管換熱器充分利用空間進行設計，管內通道與管外通道均為螺旋狀流體通道，一次介質與二次介質均可旋流運動進行熱交換，傳熱系數較高，結構緊湊、空間利用率高，換熱面積大大增加，而且占地面積很小[1]。本文對螺旋盤管換熱器進行研究，研究螺旋盤管的結構對換熱器換熱系數和流動性能的影響。
螺旋管中的流體在離心力的作用下，呈現三維網狀流動或不規則螺旋流動，增強了流體邊界層、換熱邊界層的擾動，使邊界層變薄，強化對流換熱。而且在離心力的作用下，污水中的雜質輕易被帶走，具有自清洗功能，避免了頻繁清洗，在一定程度上解決了污水中雜質沉淀造成的換熱器堵塞、換熱效率降低等問題。
1、影響螺旋盤管換熱器性能的因素
螺旋管管內為強制對流換熱，換熱系數由Dittus-Boelter公式[2]計算：
加熱流體時，n=0.4，冷卻流體時，n=0.3。此關聯式僅適用于平直管道，對于螺旋管，需要進行修正。工程上一種實用的做法是，應用上述準則式計算出Nu數后再乘以一個螺旋管修正系數cr。對于液體，，R為盤管曲率半徑。
選定介質及換熱器材料后，對換熱系數有直接影響的參數有：換熱管管徑d、螺旋管曲率半徑R、螺距b。螺旋盤管式換熱器的一個優勢就是可以充分利用空間，若螺距過大會導致空間利用率低，同時根據文獻[3]資料可知，螺距相對曲率半徑來說，對換熱效率及壓強損失的影響相對較小，因此先研究曲率半徑對螺旋管換熱效果的影響，再研究螺距的影響。
2、螺旋盤管換熱器傳熱模型
2.1模型建立過程的數學描述
2.1.1模型假設
為了使數值模擬結果更能準確真實地反映螺旋盤管強化換熱過程，根據流體動力學和傳熱學等理論基礎，對管內的流動與傳熱進行簡化假設。在研究流體流動規律時，文中做了如下假設：
（1）螺旋管管內流體為不可壓縮的牛頓流體，流動過程為充分發展階段的三維定常湍流流動；
（2）流體的各項物性參數不隨溫度發生變化；
（3）傳熱過程為穩態。
2.1.2坐標系的建立
根據以上假設，在螺旋盤管換熱器的流動換熱過程中，建立以r、θ、z為變量的柱坐標系， r代表徑向，從圓心向外指為正；θ代表切向，根據右手法則，大拇指指向z軸方向，四指指向為切向的正向；z代表軸向，向上為正。
流速在三個坐標方向r、θ、z上的分量分別為u、v、w，流體壓力為 p，密度為常數。螺旋盤管物理模型參數如下：管徑d，曲率半徑R，曲率直徑D，螺距b，螺旋升角。
2.1.3判斷流型
管道內流體狀態分為層流和湍流，層流的各流層間互不混合，只存在黏性引起的隔層流間的滑動摩擦阻力；湍流流體在沿管軸向流動的同時，伴著大小不等的渦體動蕩于各層流之間，流體體質點彼此碰撞、混合。層流是只有軸向速度而徑向速度為0，紊流時則出現了徑向脈動速度，湍流阻力比層流阻力大得多。
管內流體流態的判別準則――臨界雷諾數Recr，若Re≤Recr，則為層流；若Re≥Recr，則為湍流。流態判斷的關鍵在于臨界雷諾數的求解，而螺旋盤管的臨界雷諾數的計算不同于直管。1959年Ito給出了螺旋管道中流體臨界雷諾數的計算公式[4]：
2.2螺旋管內控制方程的建立
湍流對流傳熱問題的控制方程包括連續性方程、動量方程、方程和能量方程。控制方程的通用形式為[5]：
連續性方程：
動量方程：
k-ε方程：
能量方程：
3、模擬求解過程
3.1曲率半徑對流動與換熱的影響
綜合考慮換熱效率與壓強損失，本研究換熱管選用DN25的銅管，螺距為35mm，保證換熱面積一樣，分別模擬以下四種曲率半徑，換熱面積A=0.222m2。
（a）R1=45mm、n1=10；（b）R2=60mm、n2=7.5；（c）R3=75mm、n3=6；（d）R4=90mm、n4=5
將以上四種模型進行求解，模擬條件：螺旋管為銅管，壁厚取為2.5mm，取管壁溫度t=27℃；模擬時定義成速度進口，壓力出口，螺旋管的進口溫度40℃；取管內流體流速為1.0m/s。將模擬得到的數據進行分析計算，繪制出換熱系數、壓強損失隨曲率半徑的變化曲線圖，如圖1所示。
圖1 傳熱系數、壓強損失隨曲率半徑的變化
根據圖1可知：在速度、管徑、螺距一定的情況下，傳熱系數隨曲率半徑的增大而減小，壓強損失也隨著曲率半徑的增大而減小，這是由于管道趨于平緩，離心力導致的脈動程度降低。曲率半徑由90mm減小到45mm，傳熱系數升高了4.2%，而壓強損失增加了23%，壓損增大的速度遠大于傳熱效果提高的速度。由圖可以發現，當曲率半徑由45mm增大到60mm時，壓強損失急劇下降，下降了13.8%，而傳熱系數下降了1.7%，相對其他情況，在曲率為60mm左右時螺旋管性能較優。
3.2螺距對流動與換熱的影響
模擬條件：換熱管為DN25銅管，曲率半徑D=60mm，換熱面積A=0.2m2，管壁溫度t=27℃，管內進口溫度40℃，速度進口，壓力出口，流速1m/s。分別模擬螺距為35mm、45mm、55mm、65mm時的情況。對以上四種模型進行求解，并繪制出換熱系數、壓強損失隨曲率半徑的變化曲線圖，如圖2所示。
圖2 傳熱系數、壓強損失隨螺距的變化
根據圖2可知：在速度、管徑、曲率半徑一定的情況下，傳熱系數隨著螺距的增大而增大，但是增大的幅度很小，螺距為55mm時，比螺距為35mm時換熱系數提高了1.17%，說明螺距對換熱系數的影響不大；在速度、管徑、曲率半徑一定的情況下，壓強損失隨螺距的增大而增大，螺距為65mm時，比螺距為35mm時壓降提高了5.3%。
螺距大了雖然換熱效果稍有提高，但是相應的壓損也大了，不利于節能，而且由于壓損增大的程度比傳熱系數要大。綜合以上分析，同時為了充分利用換熱器空間，體現螺旋盤管換熱器的優勢，在設計換熱器結構時，取螺距為35mm左右比較合適。
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熱學課程論文教學形式與作用一、引言
《熱學》是物理學中研究物質熱運動及其有關性質和規律的一門分支學科，是物理學專業本、專科學生必修的專業基礎課。《熱學》課程在實驗基礎上，通過物理學的基本概念、基本原理、基本知識、基本思想和方法的引導，培養學生進一步學好物理學的興趣，提高學生的自學能力、分析和解決問題的能力。其主要內容包括：分子動理學理論的平衡態理論、輸運現象與分子動理學理論的非平衡態理論、熱力學第一定律、熱力學第二定律與熵、液態與固態、相變等方面的基本概念、基本理論和基本運算技能。通過本課程的學習，既要幫助學生迅速掌握大學的學習特點和規律，建立正確的學習方法，努力養成刻苦踏實、勤于思考的良好學風，又要為后繼課程的學習作好業務、思想和心理上的準備，還要為學生畢業后從事有關科學研究、應用開發、教學工作等打下良好的基礎。在目前《熱學》課程的教學中，課程論文扮演著越來越重要的角色，探討課程論文教學的相關研究課題也逐漸開始得到重視。課程論文要求學生在掌握物理學基本概念和基本規律的基礎上，通過調查研究，適當了解這些基本概念與規律以及它們在生產技術、特別是高技術領域中的應用，注意培養學生理論聯系實際的能力，培養學生對實際問題特別是當代物理學前沿以及當前高技術領域中物理問題的興趣，引導和激勵他們解決實際問題的愿望和責任感。教學方法的改進是課程教學改革的重要方面，在課程論文的實施過程中重視學生能力素質的培養，把課程建設的目標定位于造就新世紀人才，使學生終生受益。
二、課程論文的基礎
課程論文實際上是對學生提出了更高的要求，因此，《熱學》課程的教學應當把重點放在打好基礎上。如果學生掌握的基礎知識雄厚，基本功扎實，再加上廣泛涉獵與深入鉆研，專業課就能學得好，理解得深，在將來從事高新科技領域的創新工作時就上手快，回旋的余地也比較大。況且，“熱學”課程在傳授系統物理學知識的同時，還要培養學生掌握物理學中的思維方法與工作語言。這樣，盡管有些基礎物理知識從表面上看似乎并沒被直接應用，但這卻會影響到學生的工作方法、思維方式以至世界觀，當他們以后從事科研與教學工作時會在潛意識深處起重要作用。總而言之，《熱學》課程的基礎還是基本概念、基本原理、方法，離開這些基礎去談課程論文就是無源之水、無本之木。
三、課程論文的形式
課程論文的形式靈活，不僅包括論文、調查報告，還包含有實驗研究、實物制作等多種形式。在教學過程中，教師可以通過告知、提問等多種提示方式引導同學自行深入研究，常見的課程論文形式主要有以下幾種。一是解題方法的探究，通過對一個例題或習題的多種方法求解，使得學生對相關概念、原理、方法掌握得更透徹；二是實驗探究，例如，當講解到氣體玻一馬定律與蓋?呂定律知識點時，可以讓學生自行設計相關實驗來驗證上述定律；三是調研報告，例如在講解卡諾循環這一知識點時，可讓學生調研、總結目前市場上熱機的工作原理與工作流程等；四是理論模擬與分析，例如講到相變這一知識點時，可以通過理論分析各種相的穩定性。五是合理的估算，例如氣體動理學理論里輸運現象中的氣體黏度公式，查普曼和恩斯庫格曾用不同的高深理論得到相同結果，它是個級數，由前幾項可得系數約為0.499，而如果充分考慮速度住留的簡便方法，很容易就得到此系數等于1/2，又如通過對小無極分子估算分子間力的有效作用距離與平衡距離的半經驗公式，再如可以用標準大氣模型中數以千計的數據，考慮地面凹凸不平的影響，可求出精度較高的大氣粒子總數，然后與用均質大氣模型、等溫大氣模型或者地面大氣壓強所得到的結果進行對比，從而總結出估算行星大氣粒子總數的簡便方法；目前“熱學”課程中有一些概念和提法在學術界實際并未完全統一，有的甚至還是有爭議的，例如：任意逆循環的制冷系數的定義，等熱容過程與多方過程的差異，卡諾循環的概念以及回熱式循環與非回熱式循環，等等。遇到這些內容時，就在課程講授中把各家的觀點都原原本本地告訴學生，同時也介紹自己的看法，然后讓學生獨立進行研究，自由思考，自己做出合理的判斷。
四、總結
《熱學》課程論文的目的是使得學生通過熱力學宏觀定理與微觀模型的學習，建立把宏觀現象與微觀模型進行聯系的物理思想方法，掌握對事物的實驗――理論――實踐的認知規律，在此基礎上，采用問題探討與課程講授、主題討論與實踐相結合的教學方式，以教學論文為載體，實現《熱學》課程的互動研究型教學，重視學生能力素質培養，通過精心設計方案，全面加強各個環節，合理運用各種方法手段，形成視野開闊、理論聯系實際的特色風格。用搞科研的態度對待教學，積極開展教學論文的教學，從教學有關領域挖掘課題開展科研，再把科研成果引入教學豐富教學內容，使教學與科研兩者有機地相結合。教師在課程教學中引入了這些從教學有關領域挖掘課題開展科研所取得的成果，身教言傳，課程里就會充滿了研究與探索的特色和風格，使學生在學習課程的過程中逐漸受到熏陶，養成勤于思考研究、勇于提出自己獨立見解的良好習慣，并為學生發展其科學研究能力和科學創新能力創造了良好的學術環境，使得學生發現問題、分析問題、解決問題的能力都能夠得到進一步的提升。
參考文獻：
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[2]張輝，陳振乾.“高等傳熱學“教學的改革實踐[C].第四屆全國高等院校制冷空調學科發展與教學研討會論文集.2006.172-175.
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1.美國高校。僅為大四學生開設頂峰（又譯高峰）體驗課程，基于工程學開設，絕大數高校（如麻省理工、加州理工等）是（專業）必修課，從3學分到分，學生自行選擇，有的甚至長達三個學期，學分也從分到18學分不等。還有課程屬于選修課，通常能拿到3~4個學分，教師提出課題，學生解答，不要求寫畢業論文。教學的模式是接受（Receive）—聯系（Relate）—反思（Reflect）—提煉（Refine）—建構（Reconstruct）。接受指教學內容和方法。打通學生知識和技能之間的壁壘。科目基礎上選擇恰當的主題，整合經驗。專家評估后，編寫課程大綱———課程目標、考核方案等。
2.德國高校。應用型大學課程設置和內容多偏重于應用，畢業設計以校企合作的方式為主。聯邦政府和州政府均提供經費、制定法規和優惠企業的政策，學生可以從多種渠道選擇自己感興趣的題目。（1）本科生教育分兩個階段，第一階段一般為兩年，通過考試進行選拔和淘汰。第二階段學生選擇專業方向，完成必修課、選修課和任選課程的學習任務，還要完成規定實驗、課程設計、專題報告、實習和畢業論文，第五學年，學生花3~6月時間寫畢業論文[5]。（2）畢業設計選題。①大企業在網站或報紙雜志上貼出課題信息，學生申請企業選擇是否錄取。②小企業由校內相關部門企業需求信息和課題內容。③一些校內課題信息。（3）畢業設計管理方式。①一旦學生被企業選中，企業就會派一名工程師指導學生的畢業設計工作，包括給出具體的課題名稱、任務要求、課題截止時間、預期結果等。②學生在設計課題一段時間后，要找導師審查課題。（4）畢業設計基本要求。①大約100頁的文字材料、論文格式、需要的圖表說明。②對于論文的質量控制，堅持應用為本。即使課題未能完成，以科學的方法進行課題研究，也可以獲得通過。（5）畢業設計成績評定。五分制評定。畢業論文分數加上專業考試分數而得出的平均分數是畢業的總分。評定畢業論文原則上有兩位考官，其中一位是畢業論文題目的指定者，另一位（教師或畢業設計單位工程師）由考試委員會主席委派。兩位考官在評定畢業論文中發生意見分歧時，以地方性考試規則的評分辦法為準。成績由學校教授給出，畢業設計單位不參與成績評定。
二、機械工程專業畢業設計教學模式探討及實踐
提出畢業設計與生產、科研、教學相結合的教學模式。以指導老師為中心、學生為主體管理，對畢業設計全程質量監控。
1.時間安排。工科院校的畢業設計基本都是安排在大四下學期，16周，每周5天，要求學生每天必須保證8學時，學時總數是640學時，便于集中做好畢業設計，管理與指導學生。缺點是學生沒有充足自由安排時間，設計質量得不到保證。暑期期間，重點學習冶金工藝、相應重點設備結構、傳動原理及零件或材料加工機理。大四上學期，基礎知識學習、夯實及拓展專業知識、研究及設計工具掌握。如本課題組研究重要方向之一，金屬材料控冷強韌化，就需要學生學習流體力學、傳熱學及材料相關理論，并且熟悉研究及設計工具，如流體仿真軟件Fluent、有限元軟件ANSYS、設計軟件CAD二維或三維等掌握及熟練應用。大四下學期，進入學校規定的畢業設計階段，重點是研究及設計方案的創新。
2.結合生產實際或者實驗室建設任務，努力做到真題真做。本專業選題絕大多數仍然以冶金行業中課題進行設計及研究。作者所在的“金屬材料控冷強韌化”研究團隊，分為鋼板、鋼管、棒材及型鋼等方面控冷題目的設計或研究，根據品種規格，在一大題目下，分若干小專題。如“浸入式鋼管淬火裝置研究與設計”題目下，有幾小專題“浸入式鋼管淬火裝置影響因素研究”、“浸入式鋼管淬火裝置上料裝置設計”等，這樣選題能對學生進行流體力學、傳熱學、液壓傳動及機械等各專業的綜合訓練。對于已經明確就業意向或者是找到就業單位的學生來講，作為指導教師必須要根據學生在就業時的選擇以及需要設計相關的畢業課題，如準備讀研學生分配做論文（研究）類題目，擬到公司就業學生分配做設計類題目。
3.借鑒國外高校做法，以小組為單位進行畢業設計。培養團隊合作精神。如“浸入式鋼管淬火裝置研究與設計”題目的幾個專題，研究題目可以為設計題目提供設計合理結構參數，設計題目又可為液壓設計或研究題目提供合理結構模型。
4.國內設計成果主要有二類：設計類提供圖紙，設計類課題的設計圖紙工作量，一般控制在4~7張（折合A1）；機類專業學生必須有用計算機繪制的圖紙；研究類提供畢業設計（論文），要求使用計算機打印。將畢業設計成果多樣化。只要能反映學生的創新成果，達到學生鍛煉的目的成果形式均可。
5.采取“專題講座”、“學術匯報”、“個別輔導”、“科研實踐”、“小組討論”等多種指導方式指導學生。第三類是校企聯合指導畢業設計，提高設計質量。但必須組織得當，在校企聯合中“以我為主”，堅持學校主導作用。
6.畢業答辯時，一般會根據專業大類分成幾個小組，學生單獨答辯，答辯組對學生的態度、能力水平、論文質量及應用價值給出評定意見，給出成績。以答辯組成績為最終成績。建議還是建立指導教師、評閱教師及答辯組共同給學生成績較為合理，當然可以給答辯組成績更高的權重，有的高校達到50%。作者所指導本科生中，優良率一直較高，尤其是在設計方面，圖紙規范，結構合理，較好地傳承了我們工科院校對本科生進行良好設計綜合訓練的傳統。
三、結語
