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針對建筑類研究生的計算流體力學課程建構研究

來源:核心期刊咨詢網位置:理工論文時間:2019-06-14 10:1012

  摘 要:文章結合教改項目的實施,確立了建筑類相關學科計算力體力學研究生課程“為工程服務”和“理論與實踐并舉”的教學原則,介紹了在課堂教學內容組織、教材建設和實踐環節等方面的有益探索和實踐。通過推行“項目”考核方法,全面提高建筑類研究生的學習興趣與教學效果。

  關鍵詞:計算流體力學;教學方法;虛擬仿真教學平臺;課程考核

計算機教學論文

  隨著計算機硬件、軟件功能的飛速提升和計算算法的發展,計算流體力學(Computational Fluid Dynamics,以下簡稱CFD)目前在所有與流體相關的學科,如物理學、天文學、氣象學、海洋學、宇宙機械、機械、土木與建筑學、環境學、生物學等領域內得到了廣泛的應用。很多相關學科開設了以CFD為教學內容的研究生課程,積累了大量的教學經驗和成果,反過來又推進了計算流體力學的普及發展。[1][2]

  CFD模擬越來越受到建筑類相關學術界和工程界的重視。[3]但近年來出現了令人憂慮的趨勢,一些CFD使用者只是簡單地把CFD商用軟件作為“傻瓜型”的計算工具來使用,對CFD的基本理論和應用原則缺乏必要的認識。因此,針對建筑類相關學科開設有針對性的CFD模擬研究生課程就顯得十分必要。

  一、教學難點

  筆者自2009年起為哈爾濱工業大學本部供熱、供燃氣、通風及空調學科(下文簡稱“暖通”)開設并主講“計算流體及數值模擬技術”,2012年起為哈爾濱工業大學深圳研究生院建筑學與城鄉規劃學科開設并主講“城市區域熱氣候與風環境CFD模擬”,自2013年起為哈爾濱工業大學本部建筑學、城鄉規劃學、風景園林學等學科開設并主講“建筑物理環境模擬”等研究生課程。教學實踐表明,與暖通等工科色彩更鮮明的學科相比,針對建筑類相關學科開設CFD課程存在一些特殊的困難。主要包括:

  1. 知識基礎差異大。哈爾濱工業大學建筑學及建筑環境與能源應用工程專業的部分本科課程開設情況的不完全統計對比如下:

  (1)數學類基礎課程。建筑學:文科數學I、II(計96學時)。建筑環境與能源應用工程專業:微積分I、II,代數與幾何、概率論與數理統計(計288學時)。

  (2)物理類基礎課程。建筑學:無。建筑環境與能源應用工程專業:大學物理I、II,大學物理實驗(計185學時)

  (3)力學類專業基礎課、專業課。建筑學:建筑力學與結構、建筑物理(熱)(計104學時)。建筑環境與能源應用工程專業:工程流體力學、工程熱力學、傳熱學(計208學時);其他所有相關專業基礎課、專業課(計408學時)。

  (4)計算機類課程。建筑學:大學計算機—計算思維導論(計32學時)。建筑環境與能源應用工程專業:大學計算機—計算思維導論、C語言程序設計、暖通計算機應用實踐(計136學時)。

  (5)制圖、設計類課程。建筑學:計1120學時。建筑環境與能源應用工程專業:計56學時。

  可以明顯看出,兩個專業的課程體系完全不同。這意味著暖通學科學生具有更扎實的數理和計算機理論基礎,同時絕大多數專業基礎課及專業課都在不斷強化與建筑環境、設備相關的物理概念和運算能力。另一方面,建筑類相關學科的學生更側重于培養解決復雜多元的建筑設計問題的能力,藝術、人文氣息更為濃厚,但數理及數值計算的理論基礎相對薄弱,除了建筑物理課外,對于建筑環境及能源問題的分析更多來自直觀感受,缺乏更深層面的知識儲備。

  2. 課程內容與課時之間的矛盾。由于研究生課程學時總數的限制,筆者承擔的“城市區域熱氣候與風環境CFD模擬”和“建筑物理環境模擬”課程均只有16學時。而CFD模擬作為揭示和預測復雜湍流流動內在規律的學科,本身有著嚴謹的理論支撐和豐富的實踐內涵,相關的教材、文獻汗牛充棟,在如此短的教學周期內對CFD進行充分講解并使缺乏相關知識基礎的學生掌握正確的使用方法幾乎是不可能完成的任務。如何精心地挑選課程內容,在有限的時間內讓學生學有所得,是本課程面臨的最大挑戰。

  二、課程建設原則

  1. 為工程服務原則。對于建筑類相關學科的學生來講,最關心的是如何用CFD手段來解決本領域的工程實際問題,一般不會深入討論CFD的數值理論以及湍流的內在機理。所以,最重要的是培養學生在進行CFD模擬時所需要的正確的工程概念,對計算流體力學理論的介紹要提綱挈領,能夠宏觀了解即可,不追求面面俱到。但另一方面,對計算流體力學所依賴的核心理論又不能完全回避。如果完全不講理論,則學生在將來實際應用時無法對模擬結果進行科學合理的解釋和分析。

  2. 理論與實踐并舉原則。目前CFD商用軟件在工程界發揮著越來越大的作用,是利用CFD來研究建筑環境問題,提出改善建筑環境設計方法的強有力工具。雖然總體課時極為有限,仍然有必要通過實踐環節的有效設置,結合具體案例,讓學生初步掌握CFD商用軟件的基本操作技巧,以及利用商用軟件進行CFD模擬的大致流程,以便于將來的科研工作和工程實際應用。

  三、課程建設思路與方法

  基于上述課程建設原則,筆者提出了建筑類相關學科計算流體力學課程的建設思路和方法,具體如下:

  1. 課堂教學內容組織。課程分為課堂教學和上機實踐教學兩部分。課堂教學共計13學時,首先是計算流體力學的背景知識介紹,包括增加了少量講解CFD所必須的本科流體力學知識,如流動性、湍流、繞流阻力等的基本概念,注意教學的深入淺出,用圖片、視頻等方式提高內容的趣味性。其次,挑選出進行CFD模擬最為關鍵的知識環節,包括湍流計算模型、網格劃分、邊界條件、離散方法、迭代求解和誤差分析等進行較為系統的介紹。講解時盡可能做到:①突出主線,如湍流計算模型有很多種,每一種的建模思路和適用性都不盡相同。②淡化各環節的理論部分,如一般CFD教材中,關于離散處理部分會涉及到有限體積法的數學推導、空間和時間微分項中各種離散格式的數學表述和性質分析等,內容比較抽象枯燥。③精選出建筑熱環境、空氣品質、建筑外環境等前人文獻中的經典研究案例,結合之前的學習內容,從問題的導入、CFD模擬過程到模擬結果分析予以較為細致地解讀。

  推薦閱讀:《建筑技術開發》(月刊)創刊于1974年,由北京市建筑工程研究院主辦。系由國家新聞出版署批準的全國性建筑類綜合性科技刊物,全國唯一一家以建筑技術開發為主要內容的國內外公開發行刊物。

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