時間：2023-03-21 17:03:52
導(dǎo)語：在傳熱學(xué)論文的撰寫旅程中，學(xué)習(xí)并吸收他人佳作的精髓是一條寶貴的路徑，好期刊匯集了九篇優(yōu)秀范文，愿這些內(nèi)容能夠啟發(fā)您的創(chuàng)作靈感，引領(lǐng)您探索更多的創(chuàng)作可能。
根據(jù)傳熱學(xué)課程知識點多，內(nèi)容抽象，應(yīng)用性強的特點，本文從四方面對傳熱學(xué)內(nèi)容進行講解，對每一塊內(nèi)容的重要知識點進行了歸納總結(jié)及討論了學(xué)習(xí)時的方法。
【關(guān)鍵詞】
熱傳導(dǎo)；對流換熱；輻射換熱；換熱器
0引言
傳熱學(xué)是安全工程專業(yè)的一門必修課程，講述的是與熱量傳遞相關(guān)的自然現(xiàn)象及研究熱量傳遞規(guī)律的一門學(xué)科，對于與熱相關(guān)的自然現(xiàn)象有很多，例如我們知道人的身體為恒溫體，在夏天和冬天，人們在相同室溫（比如25攝氏度）的房間里穿著衣服能一樣嗎?熱天人們?yōu)槭裁聪矚g在游泳館里的水里而不喜歡在相同溫度的空氣里?這都是在日常生活中常見的現(xiàn)象，對于這些現(xiàn)象的解釋就需要學(xué)習(xí)傳熱學(xué)的知識，需要知道熱量傳遞的規(guī)律。并且隨著經(jīng)濟的發(fā)展，與熱量傳遞相關(guān)的企業(yè)、公司越來越多，與熱量傳遞相關(guān)技術(shù)的發(fā)展也越來越快，基本上可以分為三種類型的技術(shù)[1]，即強化傳熱技術(shù)，削弱傳熱技術(shù)，溫度控制技術(shù)，上面的三種類型的技術(shù)代表著傳熱技術(shù)的三個方向，在相應(yīng)的領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用，比如強化傳熱技術(shù)，現(xiàn)在的家用空調(diào)或者車載空調(diào)體積越來越小，所需的能量消耗也越來越低，同時制冷效果也明顯提高，這要得益于強化傳熱技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。傳熱學(xué)是和生活息息相關(guān)的一門學(xué)科，對于傳熱學(xué)課程的學(xué)習(xí)無論是對自然界熱現(xiàn)象的認(rèn)識還是熱量傳遞技術(shù)的學(xué)習(xí)都是有必要的。
1內(nèi)容講解和學(xué)習(xí)方法
對于傳熱學(xué)課程的研究有很多的文獻，分別從傳熱學(xué)的教學(xué)方法[2]，課程教學(xué)改革[3]，實踐教學(xué)體系的構(gòu)建[4]等方面進行了研究，本論文從以下二個方面探討傳熱學(xué)課程，分別是課程內(nèi)容的講解和學(xué)習(xí)方法。根據(jù)傳熱的三種方式及傳熱技術(shù)的應(yīng)用可以把傳熱學(xué)內(nèi)容分為四大塊內(nèi)容，每一塊內(nèi)容又可以分類，下面分四方面對傳熱學(xué)的內(nèi)容進行講解。
1．1熱傳導(dǎo)
在教授過程中，首先求得物體內(nèi)的溫度分布，再利用傅里葉定律可以求得傳遞的熱流量，求解物體內(nèi)的溫度分布是關(guān)鍵。明確解決物體內(nèi)溫度分布的完整的數(shù)學(xué)描寫是導(dǎo)熱微分方程及定解條件，導(dǎo)熱微分方程是一個二階的微分方程，通過能量守恒和傅里葉定律推導(dǎo)而來，是解決導(dǎo)熱問題的基礎(chǔ)。定解條件分為初始條件和邊界條件，邊界條件分三類對應(yīng)著高等數(shù)學(xué)上解二階微分方程時三類邊界條件，所以學(xué)生可以把前面學(xué)習(xí)解二階微分方程的方法用到這里，能更好地理解熱傳導(dǎo)問題。對于穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)的幾種常見的情形是通過平壁的導(dǎo)熱，又分單層平壁和多層平壁。通過圓筒壁的導(dǎo)熱，可分為單層圓筒壁和多層圓筒壁，前面的導(dǎo)熱滿足共同的特點即已知邊界上的溫度值，這些都屬于第一邊界條件的熱傳導(dǎo)問題。對于第二類及第三類邊界條件的導(dǎo)熱問題，可以通過舉電熨斗底面的導(dǎo)熱問題為例進行講解。對于穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的一個特例-肋片導(dǎo)熱，在學(xué)習(xí)過程中，要注意對于復(fù)雜的工程傳熱問題的處理方法，即忽略影響問題的次要因素，經(jīng)過適當(dāng)?shù)暮喕⒑侠淼奈锢砼c數(shù)學(xué)模型，從而運用已有的數(shù)學(xué)和傳熱學(xué)知識進行求解。對于非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的內(nèi)容講述首先明確非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的基本概念，理解非正規(guī)狀況階段和正規(guī)狀況階段及Bi數(shù)對平板中溫度分布的影響。然后理解常見的幾類非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱。對于零維問題的解決方法－集中參數(shù)法，其適用范圍是針對特征數(shù)Bi的大小來確定的。熱電偶是講述零維問題的特例，對于理解零維問題和集中參數(shù)法有著很大的幫助。對于一維物體非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱分三種情形，分別為平板，圓柱，球，這三種情況下的解很復(fù)雜，從而有必要對結(jié)果進行簡化，簡化的依據(jù)是特征數(shù)FO＞0．2后，略去第二項及后面的項所得結(jié)果與不忽略時的完整結(jié)果偏差小于0．1％[5]，從而對結(jié)果進行了簡化。在工程上對于非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱正規(guī)狀況階段的解決方法是圖線法（海斯勒圖）及近似擬合公式法。熱傳導(dǎo)內(nèi)容多，公式多，在學(xué)習(xí)過程中可以用類比法更好地識記各種情形下的公式。達到對公式的理解和應(yīng)用。
1．2對流換熱
對流傳熱的內(nèi)容在教授過程中，首先明確要得到各種對流情形下的換熱量，可以利用牛頓冷卻公式，公式中的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)是未知量，故求解各種情況下的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)是關(guān)鍵。影響表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的因素有很多，有必要按照主要的影響因素進行分類.求解對流傳熱問題需要解定解條件下的對流傳熱微分方程。對流傳熱微分方程包括質(zhì)量守恒，動量守恒和能量守恒的數(shù)學(xué)表達式，共四個非線性偏微分方程，解析解很難獲得，進展一直很小，直到20世紀(jì)初由普朗特和波爾豪森提出的邊界層概念對上述方程組進行了簡化，使得在理論上求解較為簡單的對流傳熱成為可能，層流外掠平板就是典型的一例。應(yīng)該明確的是即使對方程進行了簡化，但影響對流傳熱的因素很多，在理論上無法得出解析解，在現(xiàn)階段，對流傳熱規(guī)律的研究主要是通過實驗法來進行。在實驗上通過相似原理或者量綱分析法得到相似特征數(shù)方程，使得在實驗上研究對流換熱成為可能。對于對流傳熱分類樹上常用的實驗關(guān)聯(lián)式，要明確實驗驗證范圍，熱邊界條件明確，定性溫度，特征長度怎樣規(guī)定的。對于相變對流傳熱主要是掌握凝結(jié)與沸騰傳熱，其基本特點，計算關(guān)聯(lián)式的使用及強化相變傳熱的主要實現(xiàn)技術(shù)是主要內(nèi)容。這一塊內(nèi)容的微觀物理圖像很難想象，在講述過程中，為了增加學(xué)生的興趣，可以舉相關(guān)的例子，講述沸騰換熱時，可提到“響水不開，開水不響”，引發(fā)學(xué)生的思考，再講述沸騰換熱的原理，使得同學(xué)們對沸騰換熱有更深的理解。對流換熱的情形多，在講述過程可以通過案例分析法對某一些對流換熱進行講解，到達舉一反三，更好的理解對流換熱。
1．3輻射換熱
熱輻射的物理機制與導(dǎo)熱和對流截然不同，后者是物體的宏觀運動和微觀粒子的熱運動引發(fā)的能量轉(zhuǎn)移，而前者是物質(zhì)的電磁運動引起的能量傳遞，與前面的研究方法截然不同，用到更多物理學(xué)上的知識。熱輻射引入了很多新的概念與定律，比如黑體、輻射力、光譜輻射力、吸收比，穿透比、輻射四次方定律、普朗克定律、維恩位移定律等等，理解這些概念和定律是學(xué)好熱輻射的基礎(chǔ)。
1．4換熱器
換熱器的傳熱過程傳遞的熱量由傳熱方程確定，對于換熱器需要理解它的穩(wěn)態(tài)工況的熱設(shè)計，包括設(shè)計計算（確定傳熱面積）或者校核計算（承擔(dān)的熱負(fù)荷），基本依據(jù)是能量守恒定律和對數(shù)平均溫差的四個假定。設(shè)計計算時應(yīng)采用對數(shù)平均溫差方法，根據(jù)實際的傳熱過程選擇合適的換熱形式，進而計算出傳熱系數(shù)。對于校核計算，采用迭代法計算對數(shù)平均溫差，初始值的選取對于計算的結(jié)果有較大的影響。需要確定傳熱器的多少傳熱面積作為計算面積，不同的傳熱面積可以導(dǎo)致傳熱系數(shù)相差很多。輻射換熱和換熱器內(nèi)容抽象，理解困難，在講授過程中，可以通過設(shè)定一個問題，讓同學(xué)討論，即通過討論法來加深對內(nèi)容的理解。
2結(jié)論
傳熱學(xué)課程涉及的知識點多，數(shù)學(xué)表達式多，在講述過程中要避免一味地推導(dǎo)公式和羅列結(jié)論，而是簡化推導(dǎo)過程，重點放在每一個公式在工程上有什么用，怎樣用，有什么注意事項，力求能理解每個公式在工程上的應(yīng)用，為以后的就業(yè)打好基礎(chǔ)?；蛘邔⒚恳粋€公式，知識點與考研，學(xué)科競賽相聯(lián)系，讓學(xué)生從思想上意識到現(xiàn)在學(xué)習(xí)的知識的重要性。傳熱學(xué)課程的內(nèi)容雖然多，但具有連貫性，可以學(xué)習(xí)完每一部分后做一個表格或者思維導(dǎo)圖，總結(jié)知識點和公式,加深理解。通過對傳熱學(xué)課程四大塊內(nèi)容的歸納總結(jié)和學(xué)習(xí)方法的探討，相信在學(xué)習(xí)傳熱學(xué)課程時目的性更強，能更好地理解內(nèi)容，達到教學(xué)目標(biāo)。
作者：逯田力 高德營 單位：聊城大學(xué)東昌學(xué)院
【參考文獻】
［1］楊世銘,陶文銓.傳熱學(xué)[M].4版.北京:高等教育出版社,2006.
［2］阮芳,龍激波,等.傳熱學(xué)課程教學(xué)方法的研究與實踐[J].高等建筑教育,2015,24(6):93-96.
［3］李友榮,楊晨,等.“傳熱學(xué)”課程教學(xué)改革研究與思考[J].中國電力教育,2010,32:66-67.
關(guān)鍵詞：高職高專；熱工理論及應(yīng)用；教學(xué)手段
作者簡介：陳明付（1964-），男，福建泉州人，福建電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程系，副教授。（福建泉州362000）
中圖分類號：G712 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2012）13-0061-02
高職高專的人才培養(yǎng)目標(biāo)是為經(jīng)濟社會培養(yǎng)出適應(yīng)生產(chǎn)、建設(shè)、管理、服務(wù)一線需要的、掌握“必需、夠用”的專業(yè)理論知識、具有較強的高素質(zhì)技能型人才?！盁峁だ碚摷皯?yīng)用”是高職高?！半姀S熱能動力裝置”和“火電廠集控運行”（以下簡稱熱動、集控）等專業(yè)的一門必修的重要的職業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課程，是福建電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院（以下簡稱“我校”）熱動、集控專業(yè)開設(shè)的第一門職業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課程，安排在大一下學(xué)期開課。多年的教學(xué)座談會反饋，該課程難教難學(xué)。那么如何在一學(xué)期內(nèi)組織有效的教學(xué)，達到培養(yǎng)目標(biāo)的要求，是擺在任課教師面前的一個重要課題。筆者在多年教學(xué)的經(jīng)驗上，總結(jié)了以下幾點體會。
一、了解學(xué)生
1.文化基礎(chǔ)總體比較薄弱，學(xué)習(xí)積極性不高
高職高專學(xué)生的錄取批次是普通高校的最后一批，文化基礎(chǔ)較本科高校的學(xué)生要差一些。同時不少學(xué)生由于高考成績的限制，無法進入自己喜歡的學(xué)?；?qū)I(yè)就讀，學(xué)習(xí)缺乏動力；加上部分學(xué)生不適應(yīng)老師的教學(xué)方法，或某些知識點聽不懂，又未得到及時解決等原因，造成學(xué)生對所學(xué)專業(yè)或某課程缺乏熱情，學(xué)習(xí)動力不足，影響了學(xué)習(xí)的積極性。
2.注重動手能力和專業(yè)技能
高職高專學(xué)生的學(xué)習(xí)情緒化較強，對于內(nèi)容枯燥的理論性太強的內(nèi)容，學(xué)習(xí)興趣不高，學(xué)習(xí)效果不好；而對于實用的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，他們的學(xué)習(xí)興趣明顯高于理論課程的學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)的積極性和主動性較高。
二、熟悉教材
1.課程的內(nèi)容和教學(xué)目標(biāo)
我校選用的教材，是由武漢電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院景朝暉主編的《熱工理論及應(yīng)用》（第二版）。該教材包括工程熱力學(xué)和傳熱學(xué)兩部分的內(nèi)容，其中工程熱力學(xué)部分是研究熱能和機械能相互轉(zhuǎn)換的規(guī)律，以及在火電廠中的應(yīng)用；傳熱學(xué)部分是研究熱能傳遞的規(guī)律，以及在火電廠中的應(yīng)用。[1]
學(xué)生通過學(xué)習(xí)，應(yīng)掌握熱力學(xué)和傳熱學(xué)的基本理論，能正確運用熱力學(xué)知識定性分析和定量計算基本熱力過程和蒸汽動力循環(huán)的技能，運用傳熱學(xué)知識定性分析和定量計算傳熱過程的技能，為后續(xù)的如鍋爐、汽輪機、熱力發(fā)電廠等職業(yè)技術(shù)課程的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)，并為今后從事相關(guān)工作提供重要的基礎(chǔ)理論。
2.課程的特點
工程熱力學(xué)部分內(nèi)容的特點是：內(nèi)容多而且理論性較強、概念多而且抽象難理解、公式較多而且應(yīng)用條件復(fù)雜。[2]傳熱學(xué)部分內(nèi)容的特點是：三種傳熱方式有不同的傳熱機理、表現(xiàn)，自成體系，所以內(nèi)容連貫性和系統(tǒng)性較差，但又有一定的規(guī)律可循。[3]
三、講究教學(xué)方法、注重教學(xué)手段
1.培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣
筆者安排在學(xué)院的仿真機教室上第一次課，通過投影簡介火電廠的生產(chǎn)過程和各種熱工設(shè)備在火電廠中的應(yīng)用、作用及所處的地位，讓學(xué)生初步了解該課程所介紹的熱工設(shè)備都是電廠生產(chǎn)中實實在在的東西，這些設(shè)備運行得正常與否，會直接影響到電廠生產(chǎn)的安全性和經(jīng)濟性；再提出一些諸如冬天用手分別觸摸同一環(huán)境中的木塊和鐵塊，為何感到鐵塊很涼，是因為鐵塊溫度比木塊溫度低嗎，[4]夏天吹電風(fēng)扇為何感到?jīng)隹斓壬钪械膶嵗＿@些是生活中的常識，但又無法完全地解釋清楚，這樣學(xué)生就會帶著好奇心去學(xué)習(xí)，于是就激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)動機，培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。
第一次課，就給學(xué)生簡介該課程的內(nèi)容、特點和教學(xué)目標(biāo)，讓學(xué)生對該課程的總體情況有所了解，以便做好心理準(zhǔn)備。另外，第一次課就給學(xué)生交代清楚該課程的學(xué)業(yè)成績評價方法，并非僅僅通過期末閉卷考試來確定的，而是采用綜合的評價方法，并且非常注重學(xué)習(xí)過程的成績，使學(xué)生重視該課程的各個教學(xué)環(huán)節(jié)。
2.重組教學(xué)內(nèi)容
在有限的課時里，緊緊圍繞技能型人才的培養(yǎng)目標(biāo)，根據(jù)“按需施教、學(xué)以致用”的原則，重組教學(xué)內(nèi)容。“精講”重點內(nèi)容，比如對工程熱力學(xué)部分，精講壓力、功、熱量、焓、熵、可逆過程等基本概念和性質(zhì)，理想氣體的四個基本熱力過程，熱力學(xué)第一、二定律的涵義和在電廠中的應(yīng)用，以及水蒸氣的性質(zhì)，狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)的確定和蒸汽的動力循環(huán)等，特別是蒸汽的動力循環(huán)；傳熱學(xué)部分，精講三種傳熱方式的基本規(guī)律和傳熱器在電廠中應(yīng)用的傳熱實例分析，傳熱的增強與削弱等，特別是傳熱器在電廠中應(yīng)用的傳熱實例分析。
同時，上每一次課之前都要先給學(xué)生說明教學(xué)目標(biāo)和重點、難點，這樣就不會讓學(xué)生感到盲目和主次不分。
3.靈活多樣的教學(xué)方法
在教學(xué)中，教師可實行啟發(fā)式、討論式、互動式等教學(xué)方法，采用歸納法進行講授，鼓勵學(xué)生在自學(xué)的基礎(chǔ)上提出問題、相互探討、獨立思考，然后由教師進行分析、總結(jié)，使學(xué)生不僅知其然，也知其所以然，能夠建立自己的知識體系。[5]對一些有區(qū)別又有聯(lián)系，而且難以理解的內(nèi)容，教師通過上述教學(xué)方式，再列表歸納比較，可幫助學(xué)生加深理解。例如工程熱力學(xué)部分：開口系穩(wěn)定流動能量方程式的四個簡化式；體積功、技術(shù)功、軸功、流動凈功的涵義、表達式；理想氣體四個基本熱力過程的方程、比熱、內(nèi)能和焓的變化以及功和熱量交換的表達式；朗肯循環(huán)、再熱循環(huán)、回?zé)嵫h(huán)、熱電合供循環(huán)的汽耗率、熱效率的表達式；傳熱學(xué)部分導(dǎo)熱、對流、輻射三種傳熱方式的機理、表達式等內(nèi)容，都可通過多種方法來組織教學(xué)，充分發(fā)揮學(xué)生的潛能，活躍課堂氣氛，以此提高教學(xué)效果。在講授傳熱學(xué)中用到的熱阻和網(wǎng)絡(luò)圖時，將其與電工學(xué)中的電阻和電路圖聯(lián)系起來，學(xué)生就很容易理解并掌握了。
在講授各知識點的時候，應(yīng)時刻牢記高職高專的培養(yǎng)目標(biāo)是培養(yǎng)第一線技能型的人才，因此應(yīng)盡量講該知識在電廠生產(chǎn)實際中的應(yīng)用。
4.精選例題
由于受時間的限制，為了加深對重要公式的理解，必須精選有關(guān)本專業(yè)方向的、緊密聯(lián)系電廠生產(chǎn)實際的例題，例如開口系穩(wěn)定流動的能量方程的應(yīng)用，朗肯循環(huán)、再熱循環(huán)、回?zé)嵫h(huán)和熱電合供循環(huán)的經(jīng)濟指標(biāo)的計算，導(dǎo)熱、對流、輻射及換熱器的傳熱計算等。
5.采用現(xiàn)代化的教學(xué)手段
高職高專教育是要培養(yǎng)高素質(zhì)技能型人才，其特點是強化理論聯(lián)系實際，因此在教學(xué)方法方面要強調(diào)工程實踐性。在教學(xué)中，組織學(xué)生看幻燈片、動畫展示，到學(xué)院模型室參觀鍋爐、汽輪機、回?zé)峒訜崞?、空氣預(yù)熱器等模型，到學(xué)院實訓(xùn)中心參觀水泵、風(fēng)機等實物的辦法，來分析它們構(gòu)造、工作原理，以提高學(xué)生的感性認(rèn)識，增強直觀教學(xué)效果。但在推導(dǎo)一些簡單的公式和講解例題時，要用傳統(tǒng)的板書方法，以展示分析和計算的過程。同時為了彌補多媒體教學(xué)進度太快的不足，教師可讓學(xué)生把課件拷貝回去復(fù)習(xí)。
同時，為了理論聯(lián)系實際，我校安排了下廠參觀、認(rèn)識實習(xí)、運行或檢修實習(xí)（實訓(xùn)）等實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，讓學(xué)生親身感受電廠實際的工作氛圍，縮小學(xué)校與電廠的距離。
6.培養(yǎng)獲取信息的能力
工程熱力學(xué)部分的內(nèi)容已建成院級精品課程，一些相關(guān)的教學(xué)資料，如教師電子教案、課件、習(xí)題解答、實驗指導(dǎo)書、學(xué)習(xí)指導(dǎo)書、參考文獻目錄、授課錄像等均已上網(wǎng)絡(luò)，任課教師應(yīng)指導(dǎo)學(xué)生上網(wǎng)查閱，方便了學(xué)生自主學(xué)習(xí)。同時，我校還開通了教學(xué)論壇，便于師生課外交流、探討。傳熱學(xué)部分的教學(xué)內(nèi)容還未建成和上網(wǎng)，這樣就告訴學(xué)生上其他兄弟院校的精品課程網(wǎng)站。
隨著經(jīng)濟全球化的不斷深入及知識、信息技術(shù)等的不斷普及和火電廠新設(shè)備、新技術(shù)、新工藝的不斷應(yīng)用，高職高專學(xué)生需要培養(yǎng)創(chuàng)新精神和開拓能力，因此教師要在教學(xué)中訓(xùn)練學(xué)生利用Internet 獲取相關(guān)信息的能力。
7.適時開展第二課堂，提高學(xué)生實踐能力[6]
學(xué)院從設(shè)備、場地和資金上給予大力支持，選派教師跟蹤指導(dǎo)、組織學(xué)生開展各類競賽活動，如專業(yè)論文評獎、專業(yè)知識競賽，適時結(jié)合實驗、參觀畢業(yè)班學(xué)生火電廠仿真系統(tǒng)的操作技能競賽和就業(yè)應(yīng)聘現(xiàn)場模擬會等活動，將課堂教學(xué)與課外活動有機結(jié)合起來，讓學(xué)生感受職業(yè)氛圍，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)，進一步激發(fā)學(xué)生的專業(yè)興趣，提高學(xué)生職業(yè)素質(zhì)和專業(yè)實踐能力。
8.采用綜合的學(xué)業(yè)成績評價方式
改革一門課程、一份試卷、一個成績的傳統(tǒng)的學(xué)生學(xué)業(yè)成績評價方式，采用綜合評價，注重學(xué)習(xí)過程。此外，還應(yīng)考慮學(xué)生的獨特見解方面的成績，且所占比例不應(yīng)該小。如通過課外作業(yè)、課堂提問、課后輔導(dǎo)等途徑加以收集，列成表格，建立《學(xué)生學(xué)業(yè)成績登記表》，如表1。
四、結(jié)束語
為了使畢業(yè)生符合高素質(zhì)技能型人才的要求，筆者通過分析高職高專學(xué)生的特點、培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、重組教學(xué)內(nèi)容、適時開展第二課堂、綜合評價學(xué)生的學(xué)業(yè)成績等教學(xué)方法和手段等方面進行了改革與創(chuàng)新，創(chuàng)造一個良好的學(xué)習(xí)氛圍，培養(yǎng)了學(xué)生的自學(xué)能力、分析問題和解決問題的能力，提高了教學(xué)效果。
參考文獻：
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關(guān)鍵詞：電渣爐 復(fù)合換熱 Workbench/CFX 溫度場模擬
一、問題的提出
本課題的提出以一個實際工程項目為依托，在實際生產(chǎn)中，電渣爐機械結(jié)構(gòu)，尤其是電渣爐橫臂上的電機等溫度敏感的組件處于電渣熔煉時的高溫環(huán)境中，高溫對機械結(jié)構(gòu)的影響不容忽略，特別是強輻射對電渣爐機械結(jié)構(gòu)材料和電渣爐結(jié)構(gòu)組件的影響，至使整個機械系統(tǒng)無法正常運行。因此，對電渣爐機械結(jié)構(gòu)進行熱溫度場的分析是十分必要的。
二、電渣爐支臂的復(fù)合換熱過程分析及相關(guān)數(shù)值計算
㈠復(fù)合換熱過程分析
電渣爐的機械系統(tǒng)是實現(xiàn)電渣冶金工藝的執(zhí)行載體，本文主要研究電渣爐工作時機械系統(tǒng)的溫度場的分布問題。在電渣冶金生產(chǎn)中，發(fā)生的傳熱過程是一個復(fù)雜的過程。實踐經(jīng)驗和現(xiàn)場生產(chǎn)告訴我們，當(dāng)把結(jié)晶器渣池作為發(fā)熱熱源時，主要影響電渣爐支臂溫度的主要因素有三個，即：（1）結(jié)晶器渣池向外的對流傳熱強度；（2）空氣中熱輻射強度：（3）支臂對空氣的傳導(dǎo)換熱強度。
㈡空氣作為傳熱介質(zhì)的思路及其處理方式
普通傳熱學(xué)在討論固態(tài)或液態(tài)表面之間的輻射傳熱時，往往認(rèn)為表面周圍的氣體介質(zhì)對輻射是透明的，對于像空氣這樣的氣體在中、低溫的情況下，這種假設(shè)是合理的。但在電渣冶金生產(chǎn)過程中，結(jié)晶器金屬熔池內(nèi)的金屬和爐渣之間要發(fā)生一系列的物理化學(xué)反應(yīng)，會產(chǎn)生大量的熱和煙氣，以混合氣體為介質(zhì)，進行對流、輻射傳熱，輻射能與介質(zhì)的相互作用而發(fā)生吸收和散射。因此在本課題研究中，空氣不能認(rèn)為是輻射透明介質(zhì)，應(yīng)作為非連續(xù)性的輻射性氣體介質(zhì)處理。此時結(jié)晶器渣池附近的空氣具有以下特性：（1）作為輻射介質(zhì)，空氣沒有反射性；（2）空氣的輻射和吸收頻譜是間斷的；（3）空氣的輻射和吸收是在整個氣體容積中進行的。
㈢復(fù)合傳熱的相關(guān)數(shù)值計算及輻射效應(yīng)的分析
①支臂的導(dǎo)熱系數(shù)。根據(jù)Miettinen針對普碳鋼獲得的不同溫度下的固相導(dǎo)熱系數(shù),在不考慮Q235材料的材料成分、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、吸濕性及密度和壓力不隨溫度變化的條件下，可以得到普碳鋼固相導(dǎo)熱系數(shù)λ與溫度T之間的線性回歸關(guān)系式:：λ=46. 95-1.65×10-2T代入計算分析。
②渣池與空氣對流換熱系數(shù)。由于機械結(jié)構(gòu)模型較大，對應(yīng)的空氣柱也很大，此時可以將空氣與支臂的對流換熱認(rèn)為是無限大空間自然對流換熱，作為大空間恒溫壁對流換熱處理。此時，取空氣環(huán)境溫度為Tf=30℃，渣池溫度為Tw=1600℃渣池向空氣中傳遞熱量，由于粘性的作用，在貼近渣池表面處，流動的空氣被滯止而處于無滑移狀態(tài)。,聯(lián)立對流換熱微分方程和能量微分方程得到對流換熱微分方程組。將無量綱的物理量代入微分方程組，又由于支臂屬于大空間自然對流換熱問題可得到自然對流換熱的準(zhǔn)則關(guān)系式： ，下標(biāo)m表示定性溫度為邊界層的平均溫度；常數(shù)C和n由實驗確定，準(zhǔn)則關(guān)系式中的為特征尺度，空氣柱取高度值；得定性溫度：Tm=℃=815℃
按Tm查煙氣熱物理性質(zhì)，渣池渣面的自然對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 為：
③電渣爐渣池輻射效應(yīng)的分析。將輻射熱源項轉(zhuǎn)化成表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)作為判斷依據(jù)，渣池輻射換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 為：
，將參數(shù)代入式上中，得： ，對比渣池表面對流傳熱系數(shù) 和輻射換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 可知，在電渣爐支臂的復(fù)合換熱分析中，輻射熱流起主導(dǎo)作用，不可忽略，輻射熱流應(yīng)作為源項加入到模型分析中。
三、支臂的Workbench/CFX溫度場模擬分析
本文選用Workbench/CFX作為溫度場分析和模擬的操作軟件，選用三維實體軟件Solid Works建模并對模型進行簡化，首先在Workbench/CFX建立溫度場有限元分析模型。
接著進行Workbench/CFX的前處理設(shè)置，包括網(wǎng)格劃分，求解域、邊界條件和求解參數(shù)等的設(shè)置，并進行求解和后處理， 模擬出支臂的溫度場分布圖如圖1所示
由電渣爐支臂的溫度場分布圖可以形象的看出：（1）在縱向上，總體趨勢是溫度從電渣爐支臂的最底部到頂部逐漸減小。（2）在橫向上，溫度由橫臂的外伸段部到與立柱連接部緩慢減小。（3）最高溫度出現(xiàn)在渣池正對的橫臂上，最低溫度在立柱頂端。
對于分析仿真的結(jié)果可用傳熱學(xué)的基本知識進行解釋，當(dāng)渣池放出高溫和強烈的熱輻射時，受熱空氣主要向上流動，輻射熱流呈半球形向外發(fā)射，臨近且正對熱源的橫臂上溫升最大，立柱上的溫度隨高度上升而下降是因為空氣不斷地向外部傳遞熱量，同時橫臂與立柱連接處上下兩個圓板的溫度分布則說明了熱輻射的輻射效應(yīng)。
四、結(jié)論與展望
本文在引入空氣作為傳熱介質(zhì)和輻射源的基礎(chǔ)上建立電渣爐支臂的Workbench/CFX復(fù)合換熱溫度場的三維分析模型，分析了支臂在復(fù)合換熱作用下的在溫度場分布情況。分析結(jié)果可為今后設(shè)計電渣爐機械結(jié)構(gòu)和熱-結(jié)構(gòu)、熱-電磁-結(jié)構(gòu)等多場耦合分析提供了理論依據(jù)和分析數(shù)據(jù)。但在空氣的具體成分的處理、電磁熱流的影響和多場耦合阿衡仍需進一步的深入分析。
參考文獻:
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關(guān)鍵詞 動車組頂板；隔熱；仿真
中圖分類號 U266 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 1673-9671-（2012）092-0096-03
1 仿真計算方法
本論文研究中用有限單元法對車體結(jié)構(gòu)進行劃分，并通過加載第三類邊界條件，利用計算仿真軟件對車體的熱工性能進行計算仿真。
對于無內(nèi)熱源穩(wěn)態(tài)溫度場的各向同性物體導(dǎo)熱微分方程三維問題，方程的形式為：
第三類邊界條件是指與物體相接觸的流體介質(zhì)的溫度Tf 和換熱系數(shù)α為已知。表示為：
α與Tf 可以是常數(shù)，也可以是某種隨時間和位置而變化的函數(shù)。如果α與Tf 不是常數(shù)，則在數(shù)值計算中經(jīng)常分段取其平均值作為常數(shù)。根據(jù)以上的計算公式，利用計算機對網(wǎng)格進行自動剖分，來進行溫度場的計算。
2 傳熱系數(shù)計算方法
車壁一般分為三層：車體，隔熱層，內(nèi)飾件，按第三類邊界條件的多層平壁導(dǎo)熱計算，車體隔熱均質(zhì)多層壁的傳熱系數(shù)計算式如下所示：
車體內(nèi)外表面的對流換熱系數(shù)根據(jù)鐵標(biāo)《空調(diào)客車熱工計算書》（TB1957-87），《客車采暖通風(fēng)設(shè)計參數(shù)》（TB1955-87），《客車空調(diào)設(shè)計參數(shù)》（TB1951-87），對普通客車靜止和不同速度下的車體內(nèi)、外表面換熱系數(shù)做出的規(guī)定確定。以列車時速350 km/h計算，內(nèi)表面換熱系數(shù)推薦為8 W/（m2·K），外表面換熱系數(shù)考慮車速的影響，按鐵路合作組織備忘錄P-538/3推薦換熱系數(shù)的計算公式計算：
通過上式，可計算出不同速度下車體外表面對流換熱系數(shù)，如350 km/h速度車外表面的對流換熱系數(shù)為176.2 W/（m2·K）。
3 構(gòu)件傳熱模型及仿真計算
根據(jù)典型結(jié)構(gòu)以及做仿真模擬計算的典型溫度，在構(gòu)件的仿真模擬當(dāng)中采用以下的邊界條件：
3.1 雙層鋁合金型材頂板有風(fēng)道傳熱模型及仿真計算
3.1.1 設(shè)定條件
3.1.2 建立模型及劃分網(wǎng)格
3.1.3 溫度場
對于雙層鋁合金型材頂板有風(fēng)道處，車體內(nèi)部表面的溫度由圖可見，其分布比較均勻，約為19.40℃，內(nèi)壁溫度高于車內(nèi)空氣的露點溫度，故型材處車體內(nèi)壁不會出現(xiàn)結(jié)露。
3.1.4 熱流密度
根根據(jù)仿真結(jié)果可得熱流密度：
以雙層鋁合金為整體，按多層平壁傳熱熱流密度計算公式，計算結(jié)果為：
仿真結(jié)果比以雙層鋁合金為整體計算得出的結(jié)果大0.2﹪?？傻玫刃鳠嵯禂?shù)：
3.1.5 測試
該測試采用平板法測量材料的傳熱系數(shù)，這是一種穩(wěn)態(tài)法，實驗中，物件制成平板狀，根據(jù)傳熱系數(shù)測試標(biāo)準(zhǔn)（ASTMD5470-01）進行，測試標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定為防止待測試件向周圍散熱對測試結(jié)果產(chǎn)生的影響，測試時對所有試件進行了保溫隔熱處理，試驗過程中可以認(rèn)為，物體內(nèi)只有垂直樣品平面的方向上有溫度梯度，在同一平面內(nèi)，各處溫度相同。在實驗室測試中，當(dāng)傳熱達到穩(wěn)定狀態(tài)時，測出上下板表面溫度θ1和θ2，再利用傅立葉導(dǎo)熱方程式：
式中：λ為物件的導(dǎo)熱系數(shù)，hB為物件的厚度，S為物件的平面面積，實驗中物件為圓盤狀，設(shè)圓盤物件的直徑為dB，則由（5）式得：
可以計算出其傳熱系數(shù)為0.275W/（m2·K），不難得出，測試結(jié)果比以雙層鋁合金為整體計算得出的結(jié)果小5.17﹪。誤差控制在10%，保證了測試精度。
材料的結(jié)構(gòu)變化與雜質(zhì)多少對導(dǎo)熱系數(shù)都有明顯的影響。同時，導(dǎo)熱系數(shù)一般隨溫度而變化，所以實驗時對材料成份，溫度等都有一并記錄。
3.2 雙層鋁合金型材頂板無風(fēng)道傳熱模型及仿真計算
3.2.1 設(shè)定條件
3.2.2 建立模型及劃分網(wǎng)格
3.2.3 溫度場
對于頂板有風(fēng)道處，車體內(nèi)部表面的溫度由圖可見，其分布比較均勻，約為18.80℃，內(nèi)壁溫度高于車內(nèi)空氣的露點溫度，故型材處車體內(nèi)壁不會出現(xiàn)結(jié)露。
3.2.4 熱流密度
根據(jù)仿真結(jié)果可得熱流密度：
以雙層鋁合金為整體，按多層平壁傳熱熱流密度計算公式，計算結(jié)果為：
仿真結(jié)果比以雙層鋁合金為整體計算得出的結(jié)果大2﹪?？傻玫刃鳠嵯禂?shù)：
原理同上，由實驗測試為0.106W/（m2·K），測試結(jié)果比以雙層鋁合金為整體計算得出的結(jié)果小3.64﹪。誤差控制在10%，保證了測試精度。
4 結(jié)論與分析
1）雙層鋁合金型材頂板有、無風(fēng)道傳熱系數(shù)都較小，且有風(fēng)道構(gòu)件傳熱系數(shù)比無風(fēng)道傳熱系數(shù)還小，這主要因為風(fēng)道的存在起到了很好的隔熱效果。
2）雖然倆種構(gòu)件的傳熱系數(shù)較小，但是傳熱面積很大，所以傳熱量也很大，在進行動車組隔熱的過程中要給予足夠的重視，同時，在內(nèi)飾材料的應(yīng)用上要盡可能的選擇導(dǎo)熱系數(shù)小的材料以確保整車有良好的隔熱性能。
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關(guān)鍵詞：節(jié)能灶；傳熱性能；熱能
Research and analysis of novel multifunctional energy-saving stove
thermal efficiency
Meng wei ,Yu Hongyan
（jilin agricultural Science and Techenology University of BuildingEngineering ,jilin 132101 ,china)
Abstract:This paper through the research of new type multifunctional energy-saving stove heat transfer performance and the heat loss of exhaust gas heat energy utilization etc., comprehensive analysis of energy-saving stove, further demonstrate the performance of the stove,provide the theoretical basis for its production and promotion. Keywords:energy saving stove; heat transfer performance; heat
中圖分類號：TE08文獻標(biāo)識碼： A
引言新型節(jié)能灶的推廣，是保護生態(tài)環(huán)境的迫切需要，也是提高人們的生活質(zhì)量的一次重要的改革。根據(jù)對新型多功能節(jié)能灶熱效率的分析，總結(jié)其節(jié)能原理，論證其性能，為其順利推廣提供理論依據(jù)。
1傳熱性能
1.1熱效率
1.1.1薪柴發(fā)熱量
薪柴是樹木提供做燃料的生物質(zhì)，主要有樹木的枝杈，在林區(qū)、山區(qū)和木材加工地區(qū)。薪柴是樹木通過光合作用生長成的生物質(zhì)，主要由碳、氫、氧、氮、硫、磷等元素組成，其中主要元素含量為：碳49.5%，氫5.6%，氧43%，氮1%。
木質(zhì)燃料的發(fā)熱量可根據(jù)木材的元素組成通過計算近似求出：
高發(fā)熱量HHV=8100C+34200（H-O/8）
式中C、H、O為木材中碳、氫、氧元素的百分組成。
1.1.2熱效率計算
熱效率就是送入爐灶的熱量中有多少被有效利用了。用η表示。
η=利用有效熱量/總發(fā)熱量
通過對新型多功能節(jié)能灶的實驗：0.5kg木質(zhì)燃料（C=0.5，H=0.06，O=0.43），用10分鐘，燒開5開關(guān)的水。假設(shè)水的溫度從20℃升到100℃。升溫獲得的有效熱量為：
Q1=水（5kg）×水比熱（4.187kJ/kg）×（100-20℃）=1674.8kJ
木質(zhì)燃料的高發(fā)熱量為：
HHV=8100C+34200（H-O/8）=17991kJ/kg
總發(fā)熱量為：
Q2=0.5kg×HHV =8995.5kJ
熱效率為：
η= Q1/ Q2=1674.8/8995.5=18.6%
1.2傳熱阻
1.2.1傳熱過程
熱量傳遞的基本方式有三種：熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射。當(dāng)物體內(nèi)有溫度差或兩個不同溫度的物體接觸時，在物體各部分之間不發(fā)生相對位移情況下，物質(zhì)微粒的熱運動傳遞的熱量，這種現(xiàn)象稱為熱傳導(dǎo)；流體中，溫度不同的各部分之間發(fā)生相對位移時所引起的熱量傳遞過程為熱對流；物體通過電磁波傳遞能量的過程稱為輻射。
1.2.2傳熱阻計算
R=Ri+Rw+Ro
Ri=1/（hcA）=1/（hci+hri）A
Rw=δ/（λA）=δw/（λwA）
Ro=1/（hoA）
R―總熱阻Ri―對流熱阻Rw―導(dǎo)熱熱阻Ro―輻射熱阻
A―傳熱面積h―傳熱系數(shù)λ―熱導(dǎo)率δ―導(dǎo)熱厚度
鍋厚度為5mm，熱導(dǎo)率為40W/(m?K)，hci為470W/(m²?K),hri為25 W/(m²?K)，ho為2000 W/(m²?K)。
經(jīng)計算總熱阻R為2.625×10-3 K/W
2余熱利用
2.1各項熱損失分析
2.1.1排煙熱損失
灶的排煙溫度很高，往往高于大氣溫度，所以會帶走熱量，煙氣溫度愈高，帶走的熱量就愈多。
2.1.2氣體不完全燃燒熱損失
在排出的煙氣中，尚有未燃盡的氣體（CO等），就會產(chǎn)生氣體不完全燃燒熱損失。
2.1.3固體不完全燃燒熱損失
在木柴中，碳是不易燃盡而且最后燃燒的部分，碳的燃盡階段和新柴添入往往重疊在一起，所以都會增加灰渣中殘留碳，導(dǎo)致固體不完全燃燒熱損失。
2.1.4散熱損失
包括經(jīng)過灶體，灶門和縫隙等處散跑的熱量。
2.1.5灰渣帶走的物理熱
木柴燃盡后，以灰渣的形式殘留，其溫度往往高達上百度，農(nóng)民在冬天將灰渣放入火盆中取暖，就是利用了木柴燃盡后留在灰渣中的熱量。
2.2排煙熱損失計算
新型多功能節(jié)能灶利用煙氣的高溫來燒水，做到了大部分余熱回收利用。下面計算煙氣排放所帶走的熱損失以便進一步計算燒水的效率。
Q=Vpy×Cpy×tpy-VIK×CIK×tIKkJ/h
Q―排煙帶走的熱量，kJ/h
Vpy―排煙容積量，m³/h
Cpy―排煙平均容積比熱，1.36kJ/m³?℃
tpy―排煙溫度，℃
VIK―冷空氣供給量，m³/h
CIK―冷空氣比熱，1.29kJ/m³?℃
tIK―冷空氣溫度，℃
其中：VIK=B×α×V0
VPY=（0.01866（CY+0.375SY）+0.111HY+0.0124WY+0.008NY+（1.0161α-0.21）V0）×B
式中：B―每小時燃料消耗量，kg/h
CY，HY，SY，NY，WY―為組成各元素的組成百分?jǐn)?shù)值
V0―每kg燃料理論需要空氣量，m³/kg
經(jīng)實驗，新型多功能節(jié)能灶每小時燃用4kg玉米秸，假設(shè)冷空氣溫度為10℃，排煙溫度為100℃。α=2.4。
先計算V0：
V0=0.0889×42.17+0.265×5.45+0.0333（0.12-24.32）=4.387m³/kg
VIK=B×α×V0=4×2.4×4.387=42.12m³/h
再計算排煙量：
VPY=4×(0.01866(42.17+0.375×0.12)+0.111×5.45+0.0124×4.87+0.008×0.74+(1.0161×2.4-0.21)4.387)=44.92 m³/h
計算排煙帶走的熱量Q：
Q=44.92×1.36×100-42.12×1.29×10=5565.77 kJ/h
秸稈每小時燃燒的熱量為58400kJ/h
排煙熱損失為：5565.77/58400=0.0953
結(jié)語 通過計算熱效率，可以看到新型多功能節(jié)能灶熱效率高達18.6%，近視普通灶的兩倍，大大提高了熱效能。利用計算的排煙熱損失可以看出余熱回收裝置的重要性。這些理論計算為新型多功能節(jié)能灶順利推廣提供理論依據(jù)。
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作者簡介：
關(guān)鍵詞：空間制冷 冷鏈 熱導(dǎo)率
0 引言 隨著空間紅外探測技術(shù)的發(fā)展，空間制冷技術(shù)也得到了高速的發(fā)展，已出現(xiàn)了多種制冷方式，如輻射制冷、機械制冷、復(fù)合制冷等，而機械制冷中又有斯特林制冷、脈管制冷等。其結(jié)構(gòu)形式則是多種多樣，如輻射制冷器中就有W型、L型、G型、V型、O型等，而機械制冷的結(jié)構(gòu)形式則更是多種多樣，很不規(guī)則，針對每一不同的探測器及冷箱結(jié)構(gòu)，就會有不同的制冷結(jié)構(gòu)形式。
目前，隨著空間紅外探測器由單元、多元，發(fā)展到大規(guī)模焦平面，對空間制冷技術(shù)也提出了更高的要求。由于焦平面探測器探測元數(shù)多，導(dǎo)致其長度或面積很大，而其溫度均勻性必須被控制在很小范圍內(nèi)，因此不能簡單的采用制冷機冷頭與探測器冷平臺直接聯(lián)接的方式，必須對其進行多點制冷，同時涉及到對制冷機冷量的有效傳輸，而探測器對制冷機的振動也更加敏感，必須盡可能減小制冷機的振動對探測器的影響，因此，需要設(shè)計專用的冷鏈來實現(xiàn)以上兩個目的。
1 冷鏈的研制情況 在空間應(yīng)用領(lǐng)域，冷鏈的研制與其實用性是密切相關(guān)的，因此，國內(nèi)參與研制的單位并不多。我們的研制也是以具體的型號任務(wù)研制為背景的，具有很強的針對性，但其研制工藝具有普遍的意義，可為將來大規(guī)模焦平面探測器及大冷量制冷機的大量應(yīng)用積累技術(shù)儲備。
1.1 冷鏈材料的選擇
冷鏈的研制目的之一是要在低溫下實現(xiàn)高效傳熱，因此，其材料必須具備良好的低溫?zé)釋?dǎo)率。圖1所示為不同材料間熱導(dǎo)率與溫度間的關(guān)系。由于焦平面探測器的工作溫度大多在100K左右，從圖中可以看出，在此溫度范圍內(nèi)，鉆石的熱導(dǎo)率是最高的，其次是純銅，然后是純鋁等。由于我們研制的冷鏈還必須起到隔振的作用，因此，采用鉆石不能滿足要求，且價格昂貴。而高純銅則不同，經(jīng)過退火處理的銅片或銅絲具有很好的柔性，且低溫?zé)釋?dǎo)率比鋁好，因此，我們選用高純銅作為研制冷鏈的材料。
1.2 冷鏈的研制
以高純銅為材料來研制冷鏈，其原料的主要結(jié)構(gòu)形式可有兩種考慮，即銅絲和銅片。
以往的研究表明，以銅絲作為材料來研制冷鏈，其頭部的固定將會非常困難，而為了達到很好的傳熱效果，以及從冷鏈的可靠性上考慮，需將銅絲捆綁在一起，這時會發(fā)現(xiàn)，冷鏈將變得很硬，從而失去我們所需要的柔性。因此，我們選擇銅片作為研制冷鏈的原料。
圖2所示為我們研制的冷鏈樣品的實物照片。在研制過程中，我們選擇了厚度為0.1mm，經(jīng)過退火處理的高純銅片為原料，根據(jù)高純銅的相關(guān)物性作了初步計算，以確定銅片的相關(guān)尺寸，接下來將銅片切割成我們所需要的尺寸，然后采用特殊的焊接工藝將銅片兩端焊接在一起，最后在焊接好的兩端打孔，用以固定冷鏈。
2 冷鏈的試驗 樣品冷鏈研制完成后，其最重要的性能就是它在低溫下的熱傳導(dǎo)性能，即冷鏈的低溫?zé)釋?dǎo)率。為此，我們設(shè)計了專用的液氮杜瓦，并進行了充分的試驗，獲得了大量的數(shù)據(jù)。
2.1 冷鏈試驗用液氮杜瓦的設(shè)計
液氮杜瓦基本結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由內(nèi)膽和外殼組成。試驗時，中間利用分子泵機組抽真空，使其保持較高真空狀態(tài)；為了防止液氮的過度蒸發(fā)，在杜瓦內(nèi)膽上包有多層絕熱層，從而大大減小液氮杜瓦內(nèi)膽與外殼之間的輻射換熱。
冷鏈一端安裝在杜瓦內(nèi)膽的底部，而另一端懸空，上面裝有兩只鉑電阻和一只加熱片，其電極引線通過液氮杜瓦外殼上的密封插座引出。
2.2 冷鏈的試驗
冷鏈安裝在試驗液氮杜瓦內(nèi)，并連接好測溫鉑電阻及加熱片引線，同時在杜瓦外部連接兩只萬用表來測量鉑電阻的阻值變化，另外串接一臺穩(wěn)壓電源和一只萬用表，用以實現(xiàn)對加熱片加熱，然后便可開始試驗。
測量冷鏈低溫?zé)釋?dǎo)率的試驗過程大致可分為三個階段：
第一階段為杜瓦抽真空階段。利用與杜瓦抽氣口相連的分子泵抽氣機組，使杜瓦內(nèi)真空度達到1×10-4Pa以下后，便可進行第二階段的工作。
第二階段為降溫階段。在杜瓦內(nèi)加入液氮，同時記錄鉑電阻的阻值變化情況。待鉑電阻的阻值穩(wěn)定后，便可進行第三階段工作。
第三階段為加熱階段。利用穩(wěn)壓源和萬用表，向加熱片通入電流，使加熱片獲得恒定的加熱功率，同時記錄鉑電阻的電阻變化情況，待穩(wěn)定后便可停止加熱。
為了獲得更可靠的結(jié)果，可改變加熱片的加熱功率，以獲得多組冷鏈的傳熱數(shù)據(jù)，從而為數(shù)據(jù)處理提供足夠的資源。
轉(zhuǎn)貼于 3 試驗數(shù)據(jù)的處理
（1）
準(zhǔn)確計算得出。
圖4所示為其中一次試驗過程中記錄的冷鏈兩端的溫度變化情況，以及加熱后的溫度變化情況。圖中，曲線B和曲線C所示分別為鉑電阻4和鉑電阻7所測得的降溫曲線，曲線D和曲線E分別為鉑電阻4和鉑電阻7所測得的在加熱后的溫度變化曲線，而我們最關(guān)心的則是在穩(wěn)定后的溫度值。
試驗過程中，由冷鏈本身造成的冷量損失主要由三部分組成：固體導(dǎo)熱、表面輻射傳熱和殘余氣體導(dǎo)熱。而試驗本身并未測出該部分冷損值，暫且以來表示。在液氮杜瓦的溫度、內(nèi)部壓強保持不變的情況下，冷鏈的表面輻射傳熱和殘余氣體導(dǎo)熱將保持不變，而不會對試驗數(shù)據(jù)的處理造成影響，由此，將全部看作是由于固體導(dǎo)熱而造成的冷量損失，當(dāng)加熱片加熱量為零時，由固體傳導(dǎo)漏熱公式得
（2）
式中：—冷鏈的低溫?zé)釋?dǎo)率；
—冷鏈傳熱方向上的橫截面積；
，—鉑電阻4和7測得的穩(wěn)定溫度值；
—冷鏈的有效長度。
此時，公式中和均為未知量，因此無法計算出各自的值，而則為我們需要的量。
在冷鏈的加熱片上通上幾十毫安的微小電流，施加功率為的加熱，穩(wěn)定后可測得此時鉑電阻的電阻值，從而得出冷鏈兩端的溫度值，分別表示為和。由于，與，之間的相對變化量很小，由此引起的的變化量就非常小，因此，可看成是一定值，同時忽略此時的變化量，由此可得
（3）
由公式（2）和（3）便可計算出此時冷鏈的低溫?zé)釋?dǎo)率。
在試驗過程中，通過改變加熱片的加熱功率，得出了多組穩(wěn)定的溫度值，后以加熱功率最接近的兩組測量值組成一組，代入公式組成方程組，解出多個值，對各值取平均，以表示，便可近似看作該溫度點附近的熱導(dǎo)率。
從試驗結(jié)果來看，冷鏈在我們需要的溫度范圍內(nèi)的低溫?zé)釋?dǎo)率已接近高純銅本身的值，因此，該冷鏈的研制是成功的，可以滿足實際應(yīng)用的要求。
4 結(jié)論 經(jīng)過一段時間的工作，我們研制出了樣品冷鏈，并對其進行了充分的試驗，獲得了所研制的冷鏈的低溫傳熱性能。數(shù)據(jù)表明，其傳熱性能達到了設(shè)計時提出的要求，是可以滿足應(yīng)用需要的。
在冷鏈的研制過程中，我們總結(jié)出了一套完整的研制工藝，并可根據(jù)具體的要求，在滿足傳熱性能的條件下，調(diào)節(jié)冷鏈的相關(guān)參數(shù)，從而實現(xiàn)對冷鏈柔性的調(diào)節(jié)，研制出滿足不同需要的冷鏈，為今后的工作打下了堅實的基礎(chǔ)。
關(guān)鍵字：空氣-水兩用型平板型太陽能集熱器，空氣間層，數(shù)值模擬
中圖分類號：TK511文獻標(biāo)識碼： A
0前言
太陽能是一種資源豐富，無污染的可再生能源。自古以來，人們對太陽能利用的研究從未間斷過。近現(xiàn)代以來，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，工業(yè)革命給地球帶來了翻天覆地的變化，也使得環(huán)境污染和能源危機問題的亦日益加劇。太陽能因其獨特的優(yōu)勢而成為國內(nèi)外科學(xué)家的研究焦點，如何高效利用太陽能資源是緩解環(huán)境污染，緩和能源危機，保證人類社會可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。太陽能集熱器是太陽能利用的重要技術(shù)之一。平板型太陽能集熱器因其成本低，承壓高，結(jié)構(gòu)簡單和安裝方便而獲得廣泛應(yīng)用。國內(nèi)外學(xué)者對提高平板型太陽能集熱器的集熱性能展開了大量研究[1]。
平板型太陽能集熱器在吸熱板和玻璃蓋板之間存在一個空氣間層。許多學(xué)者就空氣間層厚度對集熱器換熱能效的影響開展了許多數(shù)值模擬與實驗探究。近些年來，許多學(xué)者提出空氣和水兩種介質(zhì)同時在集熱器內(nèi)換熱的的空氣-水兩用型集熱器。即在提供生活熱水的同時，在空氣間層兩側(cè)開口并在一側(cè)加一風(fēng)機送風(fēng)，用以收集集熱器空氣間層內(nèi)的熱空氣用來為房間送新風(fēng)，并為此進行了大量實驗研究。本文通過建立平板型太陽能集熱器模型并利用CFD模擬技術(shù)對其空氣間層集風(fēng)進行數(shù)值模擬，獲得了入口速度和出口溫度的關(guān)系，并得出了合理的風(fēng)速建議值，可以為下一步的實驗工作提供理論支持和實驗指導(dǎo)。
1物理模型
平板型太陽能集熱器主要由玻璃蓋板、空氣間層|吸熱板、保溫層、集熱器外殼以及流道組成。本文研究的平板型太陽能集熱器空氣間層的平面圖如圖1 所示。空氣流道即空氣間層高0.1m，長2.2m。其上部為真空玻璃蓋板，下部為吸熱板（其上涂有選擇性吸收涂層），二者之間為空氣間層。底部及四周做巖棉保溫層。
平板型太陽能集熱器工作原理是：涂有吸收層的吸熱板吸收透過玻璃蓋板的太陽輻射，將太陽輻射轉(zhuǎn)化為熱能。吸熱板溫度升高，由于吸熱板兩側(cè)上部充滿空氣，下部有生活用水，它會與空氣和水進行對流換熱，水和空氣溫度升高。空氣-水兩用型平板型太陽能集熱器集熱器兩側(cè)的的上下兩端分別設(shè)置空氣進出口并與空氣間層相連接，在其下端設(shè)置一風(fēng)機以一定的風(fēng)速向空氣間層內(nèi)送風(fēng)，空氣在空氣間層流動時會與吸熱板進行換熱而得以加熱，最終熱空氣在另一側(cè)上端流出到集風(fēng)管道中并最終與生活熱水一樣到達用戶。
1-太陽輻射，2-玻璃蓋板，3-空氣間層，4-吸熱板，5-保溫材料
圖1 空氣間層示意圖
2 數(shù)學(xué)模型
為了簡化空氣間層的換熱計算，做了如下假設(shè)[2-3],：
（1） 空氣為不可壓縮粘性流體且滿足Boussinesq 假設(shè)。
（2） 太陽能集熱器空氣間層下部為吸熱板，其吸熱后對空氣進行加熱，將吸熱板簡化為一個熱流密度邊界條件。
（3），玻璃蓋板間傳熱忽略不計，吸熱板與玻璃蓋板間輻射換熱忽略不計，即將玻璃蓋板簡化為一個對流換熱邊界條件。
（4）由于太能能集熱器四周做巖棉保溫層，壁面熱損失忽略不計，即將其他壁面簡化為一個絕熱邊界條件。
其控制方程[4]如下：
連續(xù)性方程： （1）
動量方程： （2）
（3）
能量方程：（4）
湍流方程：
k方程：（5）
方程： （6）
其中：式中，u、v分別為x方向和y方向的速度；g為重力加速度； 為熱膨脹系數(shù)；T為溫度；ρ為密度；、為湍動能和湍動耗散率對應(yīng)的普朗特數(shù)；為湍流粘性系數(shù)且；為由平均速度梯度引起的湍動能k的產(chǎn)生項；為由浮升力引起的湍動能k的產(chǎn)生項;；為可壓縮湍流中脈動膨脹對總的耗散率的影響；、、為經(jīng)驗常數(shù)。
3 邊界條件
本文以空氣間層為研究對象，為簡化計算，我們將集熱器的三維模型簡化為平板二維模型進行數(shù)值模擬計算?？諝忾g層的右側(cè)入口為速度邊界，入口速度取1-3m/s，步長取0.2；左側(cè)出口為壓力邊界；下表面吸熱板為恒定熱流密度邊界，其熱流密度為吸熱板吸收率與太陽輻射照度的乘積；上表面玻璃蓋板因忽略玻璃板厚度而簡化為對流換熱邊界，對流換熱系數(shù)取6.4W/m2*K；根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀髤?shù)，室外溫度取268.15K，太陽輻射照度為700W/m2；其余表面為絕熱條件。
4 模擬與結(jié)果分析
通過CFD模擬獲得入口速度與出口溫度關(guān)系圖如圖2，室外空氣在風(fēng)機的作用下進入空氣間層。在被底部吸熱板加熱后產(chǎn)生空氣浮生力，熱空氣上升，最終流出空氣間層到達集風(fēng)管道中。
圖2 入口速度與出口溫度關(guān)系圖
由圖2可知，空氣間層出口溫度隨入口速度的增大而逐漸減小，且在2.6m/s左右時開始逐漸趨于平緩。隨著速度的增大，流出集熱器的熱空氣質(zhì)量流量亦隨之增大。在入口速度為3m/s時，出口溫度大約為40℃，可以很好的滿足室內(nèi)送風(fēng)溫度要求。因此空氣間層集風(fēng)入口速度建議值為3m/s。
5 結(jié)論
本文以空氣-水平兩用型板型太陽能集熱器的空氣間層為研究對象，通過建立其二維物理模型和數(shù)學(xué)模型并利用CFD模擬技術(shù)對其空氣間層集風(fēng)進行了數(shù)值模擬。模擬了其不同入口速度下的出口溫度與入口速度的關(guān)系。模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)：隨著入口風(fēng)速的增大，出口溫度逐漸減下；入口速度在1-2.6m/s之間時，出口溫度下降比較快，而在人口速度為2.6m/s之后，其溫度下降梯度趨于平緩；在入口速度為3m/s時，出口溫度大約為40℃，此時可以獲得滿足室內(nèi)通風(fēng)要求前提下的最大風(fēng)量，因此實驗風(fēng)速建議值為3m/s。
本文通過數(shù)值模擬為實驗提供了指導(dǎo)和理論依據(jù)。接下來將會根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果進行試驗臺設(shè)計為進行實驗測試，通過與模擬結(jié)果對比，對空氣-水平兩用型板型太陽能集熱器的集熱效率進行優(yōu)化設(shè)計。
參考文獻：
[1]彭運吉. 平板型太陽能集熱器的研究進展[J]. 石油和化工節(jié)能,2012,02:5-7.
[2]鄧月超,趙耀華,刁彥華等.平板太陽能集熱器自然對流熱損失的數(shù)值模擬研究[C].中國工程熱物理學(xué)會2010 年傳熱傳質(zhì)學(xué)學(xué)術(shù)會議論文集.2010:1-6.
Abstract： On the background of China University of Mining and Technology， for the undergraduate college of School of Electrical and Power Engineering， in order to solve the absence of innovation ability and the deficiency of top-notch innovative talents mechanism， the establishment and implementation programs of the top-notch innovative talents mechanism in the field of heat and mass transfer are explained.
關(guān)鍵詞：傳熱傳質(zhì)；創(chuàng)新；拔尖創(chuàng)新人才
Key words： heat and mass transfer；innovation；top-notch innovative talent
中圖分類號：G640 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）11-0254-02
0 引言
①研究現(xiàn)狀。
在我國能源的生產(chǎn)量已居世界前列的大背景下，工業(yè)生產(chǎn)中能源的利用率依然較低。2006年2月9日，國務(wù)院發(fā)文《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020）》，并將能源作為第一個重點領(lǐng)域列入其中，而工業(yè)節(jié)能作為能源重點領(lǐng)域的第一個優(yōu)先主題也被寫入該規(guī)劃?？梢?，工業(yè)節(jié)能是我國能源領(lǐng)域的重中之重。以工業(yè)生產(chǎn)為例，換熱設(shè)備已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在石油、化工、冶金、動力、材料等相關(guān)領(lǐng)域，且換熱設(shè)備占總投資比重約為30%～45%。另外，換熱設(shè)備的自身結(jié)構(gòu)和其換熱效率在很大程度上與能源的高效利用息息相關(guān)。由此可見傳熱傳質(zhì)在換熱設(shè)備的重要性。
魅卻質(zhì)學(xué)科隸屬動力工程及工程熱物理一級學(xué)科。動力工程及工程熱物理一級學(xué)科每年舉行年會，包括傳熱傳質(zhì)、多相流、燃燒學(xué)、熱力學(xué)分會。其中傳熱傳質(zhì)分會規(guī)模最大，每年的年會人數(shù)均超過1000人。而多相流、燃燒學(xué)、熱力學(xué)都會涉及到傳熱問題，離不開傳熱傳質(zhì)，而傳熱傳質(zhì)又離不開拔尖創(chuàng)新人才，傳熱傳質(zhì)領(lǐng)域的拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)已經(jīng)迫在眉睫。
目前，國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的研究學(xué)者已對拔尖創(chuàng)新人才的培養(yǎng)機制進行了一定程度地研究。薛永武[1]從人才成長規(guī)律和人才培養(yǎng)模式兩方面出發(fā)，對拔尖創(chuàng)新人才的發(fā)展和培養(yǎng)進行了一定程度地研究。張秀萍[2]以目前國內(nèi)的大學(xué)教育創(chuàng)新作為切入點，對拔尖創(chuàng)新人才的培養(yǎng)進行了探討。徐曉媛等人[3]將影響拔尖創(chuàng)新人才的因素作為突破口，通過調(diào)研和思考結(jié)合的方式，系統(tǒng)地講解了拔尖人才培養(yǎng)的途徑及影響因素。王勇等[4]對材料專業(yè)拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)的現(xiàn)狀進行了分析，并對培養(yǎng)模式進行了深入地探究?？抵貞c等[5]研究了電氣工程學(xué)科領(lǐng)域的本科拔尖創(chuàng)新人才的培養(yǎng)模式。史明等[6]分析了工科高校生物工程專業(yè)拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式。王牧華等[7]研究了交叉學(xué)科領(lǐng)域本科拔尖創(chuàng)新人才的變革方式進行了相關(guān)方面的探索。康若t等[8]通過實踐探索了生物學(xué)領(lǐng)域拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式。包水梅等[8]分析了目前我國相關(guān)單位和高校在拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)中遇到的瓶頸，并對瓶頸產(chǎn)生的原因以及解決瓶頸的辦法進行了研究。
從目前拔尖創(chuàng)新人才的研究現(xiàn)狀來看，傳熱傳質(zhì)領(lǐng)域創(chuàng)新人才的培養(yǎng)機制的研究還未見報道，傳熱傳質(zhì)領(lǐng)域創(chuàng)新人才的培養(yǎng)模式的建立亟待解決。
中國礦業(yè)大學(xué)的前身是1909年創(chuàng)辦的焦作路礦學(xué)堂，是礦業(yè)學(xué)府中辦學(xué)規(guī)模最大、辦學(xué)實力最強、學(xué)科體系最全的高校。能源與動力工程專業(yè)作為學(xué)校中的重要學(xué)科，拔尖人才培養(yǎng)不容忽視。
目前，能源與動力工程專業(yè)擁有能源與動力工程實驗中心及省級學(xué)科綜合訓(xùn)練中心，所以實驗教學(xué)及實驗課堂的內(nèi)容豐富充實，實驗類型多樣化，例如：驗證型、設(shè)計型、綜合型及自主創(chuàng)新型等。此外，目前學(xué)院的實驗室采用開放式管理，只要網(wǎng)上預(yù)約就可以快速進入實驗，力爭全方位地為學(xué)生提供快速優(yōu)質(zhì)的實驗教學(xué)服務(wù)。近兩年來，投入1000多萬元全面更新、補充了實驗設(shè)備，為自主創(chuàng)新型實驗提供了充分的保障。
依托于學(xué)院的實驗室，由于受到場地和人數(shù)的限制，本科生對實驗的了解還是處在表面上，屬于高等大眾教育，沒有激發(fā)起學(xué)生的創(chuàng)新能力，也沒有起到培養(yǎng)拔尖人才的作用。所以依托現(xiàn)有資源，建立健全傳熱傳質(zhì)學(xué)科領(lǐng)域拔尖創(chuàng)新人才的培養(yǎng)機制是一個亟待解決的難題。針對這一問題，擬依托教師個人的科研項目，將其與培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才的過程結(jié)合起來，建立一套傳熱傳質(zhì)領(lǐng)域拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)機制。
②研究意義。
中國礦業(yè)大學(xué)能源與動力工程專業(yè)的招生規(guī)模達到了8個自然班級，人數(shù)超過了200人。以高等大眾教育為基礎(chǔ)，實施傳熱傳質(zhì)領(lǐng)域拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)機制，使一些傳熱傳質(zhì)領(lǐng)域的拔尖人才得到培養(yǎng)。這個模式可以在高校中因地適宜地推廣，為我國傳熱傳質(zhì)領(lǐng)域培養(yǎng)更多的拔尖創(chuàng)新性人才。
1 拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式
目前，根據(jù)中國礦業(yè)大學(xué)電氣與動力工程學(xué)院的傳熱傳質(zhì)領(lǐng)域的現(xiàn)狀，以電氣與動力工程學(xué)院的本科生作為培養(yǎng)對象，研究且探索了傳熱傳質(zhì)領(lǐng)域拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)機制。重點開展以下內(nèi)容：
1.1 以教學(xué)為手段，引導(dǎo)學(xué)生查閱和追蹤最新文獻的能力
查閱和追蹤最新文獻是拔尖創(chuàng)新人才必備的科研技能之一，始終站在巨人的肩膀上前行是學(xué)生在科研道路上所要堅持的，做到時刻不落伍。在筆者一些教改項目（教育部高等學(xué)校能源動力類專業(yè)教育教學(xué)改革項目、中國礦業(yè)大學(xué)教育教學(xué)改革與建設(shè)項目）的支撐下，讓學(xué)生參與到課件PPT的制作中去，讓學(xué)生自己學(xué)會查閱最新知識，并添加到課件的PPT中去。
1.2 以科研項目為驅(qū)動，末位淘汰制的拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)
以本人的科研項目（包括國家自然科學(xué)基金、中國博士后科學(xué)基金、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金等項目）為支撐，引導(dǎo)學(xué)生參與到科研中，發(fā)掘W生的創(chuàng)新能力，對創(chuàng)新能力差的學(xué)生實行末位淘汰制度，對表現(xiàn)突出的學(xué)生實行獎勵制度，從而激發(fā)學(xué)生的最大潛能，進而培養(yǎng)一些拔尖創(chuàng)新人才，再逐漸引導(dǎo)這些能力出眾的學(xué)生在本人的指導(dǎo)下進行畢業(yè)設(shè)計，進入研究生階段之后，在本人的指導(dǎo)下，學(xué)生也從事的與本人科研課題及創(chuàng)新項目相關(guān)的內(nèi)容，這樣就能使學(xué)生能能夠在某一方向進行連續(xù)的研究，具有一定的延續(xù)性，這樣更有利于培養(yǎng)出優(yōu)秀的拔尖創(chuàng)新人才。
1.3 啟發(fā)學(xué)生自主創(chuàng)新人才模式的研究
在指導(dǎo)教師大方向的指引下，充分給予學(xué)生在科研的主動權(quán)，允許學(xué)生在科研中犯錯，充分尊重學(xué)生的一些奇思妙想。通過自己的建議激發(fā)學(xué)生的奇思妙想，并鼓勵他們積極涉及新鮮的領(lǐng)域，對學(xué)生自己的一些創(chuàng)意應(yīng)給予大力支持，進而使學(xué)生的自主創(chuàng)新能力得到充分發(fā)揮，力爭具備拔尖創(chuàng)新人才應(yīng)該具備的科研素質(zhì)和科研思維。
2 實施方案
以中國礦業(yè)大學(xué)電氣與動力工程學(xué)院的能源與動力工程專業(yè)為背景，通過教學(xué)和科研項目兩方面，對傳熱傳質(zhì)領(lǐng)域拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)機制進行研究。具體實施方案如下：
2.1 教學(xué)
①傳熱傳質(zhì)領(lǐng)域的主干課程《傳熱學(xué)》教案的重新編排、課件PPT的制作。引導(dǎo)學(xué)生參與到其中，鍛煉學(xué)生的查閱和追蹤最新文獻的能力和制作PPT的能力。②讓學(xué)生參與到教改項目中。對傳統(tǒng)的教學(xué)方法進行改革，讓學(xué)生參與到其中，這樣就能真真實實地從學(xué)生的角度來進行改革。③課題教學(xué)方式的靈活性。改善老師主動授課、學(xué)生被動學(xué)習(xí)的現(xiàn)狀。增加課堂的分組討論環(huán)節(jié)及學(xué)生授課環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生的團隊合作能力和作科研匯報的能力。④課后作業(yè)形式的多樣化。增加科研性質(zhì)的題目，例如數(shù)值模擬和小實驗之類的題目，鍛煉學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力。
2.2 科研
①提煉與傳熱傳質(zhì)有關(guān)的子項目，撰寫項目指導(dǎo)書；②安排相關(guān)的實驗項目，指導(dǎo)學(xué)生開展相關(guān)的的傳熱實驗或流動與傳熱相關(guān)的數(shù)值模擬和計算，培養(yǎng)學(xué)生的動手和創(chuàng)新能力；③處理實驗數(shù)據(jù)，作圖，利用專業(yè)理論知識分析，鍛煉學(xué)生利用專業(yè)知識來分析實際問題的能力；④通過撰寫實驗報告或外文科研論文的方式，鍛煉學(xué)生的科研寫作能力。
2.3 總結(jié)
①總結(jié)教學(xué)與科研的經(jīng)驗，以便進一步改進；②跟蹤學(xué)生的成長軌跡，及時糾正一些不合時宜的做法。
3 結(jié)束語
本文基于中國礦業(yè)大學(xué)電氣與動力工程學(xué)院能源與動力工程專業(yè)本科生的培養(yǎng)模式，對傳熱傳質(zhì)領(lǐng)域拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)機制進行了研究，這將對高校其它領(lǐng)域建立拔尖創(chuàng)新人才的培養(yǎng)機制提供一定的借鑒和參考。
參考文獻：
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關(guān)鍵詞：建筑節(jié)能；玻璃幕墻；傳熱系數(shù)；有限單元法；穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)
中圖分類號：TU111.19 文獻標(biāo)志碼：A
文章編號：16744764（2013）02006607
玻璃幕墻因其美觀、大方、通透性好等特點在高層建筑中被大面積使用。北京、上海等地建成或在建的高層建筑中，有多座采用了玻璃幕墻作為護結(jié)構(gòu)，如CCTV央視大樓、上海金茂大廈、上海中心大廈等。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，建筑能耗在中國社會總能耗中所占比例越來越大，預(yù)計到2020年將會達到35%[1]，建筑節(jié)能變得至關(guān)重要。玻璃幕墻作為建筑的護結(jié)構(gòu)，是建筑物熱交換、熱傳導(dǎo)最活躍的部位，也是建筑節(jié)能的薄弱環(huán)節(jié)[2]，其熱工性能尤其是傳熱系數(shù)的大小直接影響建筑能耗。
雷 克，等：玻璃幕墻傳熱系數(shù)計算方法及工程應(yīng)用
玻璃幕墻構(gòu)造復(fù)雜，所以其內(nèi)部傳熱過程十分復(fù)雜。在中國，一般通過實驗室測試或現(xiàn)場檢測獲得傳熱系數(shù)[3]。然而由于環(huán)境、人為因素等擾量過多，故一般較難獲取準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。數(shù)值模擬計算熱傳導(dǎo)具有不受時間、地點和環(huán)境的限制，且花費很小等優(yōu)點，因此，采用數(shù)值計算的方法來準(zhǔn)確分析和計算玻璃幕墻傳熱系數(shù)變的十分必要。歐盟、美國等針對玻璃幕墻傳熱系數(shù)計算的研究已經(jīng)發(fā)展了數(shù)十年[49]，并形成了相對健全的計算標(biāo)準(zhǔn)體系和計算軟件，如美國勞倫斯伯克利國家實驗室（LBNL）開發(fā)的THERM和WINDOW系列軟件。目前其他國家關(guān)于玻璃幕墻熱工性能計算標(biāo)準(zhǔn)體系主要有2個標(biāo)準(zhǔn)體系，ISO（EN）標(biāo)準(zhǔn)體系和美國NFRC標(biāo)準(zhǔn)體系[10]。ISO（EN）標(biāo)準(zhǔn)體系是包含了玻璃系統(tǒng)光學(xué)熱工、框熱工性能、門窗幕墻熱工計算等方法的標(biāo)準(zhǔn)體系，其中ISO 10599[11]是其體系中的一部分。美國的NFRC標(biāo)準(zhǔn)體系依據(jù)ISO和美國相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)編制了相應(yīng)的門窗熱工標(biāo)準(zhǔn)體系，包括NFRC100[12]和NFRC200[13]等計算標(biāo)準(zhǔn)。中國在參考國外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，頒布了《建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規(guī)程》（JGJ/T 151-2008）[14]，包括門窗、幕墻熱工性能計算，玻璃光學(xué)計算和結(jié)露性能評價等，并規(guī)定了在幕墻傳熱系數(shù)計算時，首先應(yīng)計算玻璃系統(tǒng)、幕墻框的傳熱系數(shù)和玻璃鑲嵌部位的線傳熱系數(shù)，然后按照各部分面積加權(quán)平均的方法計算出玻璃幕墻整體傳熱系數(shù)。
本文在研究玻璃幕墻熱傳導(dǎo)理論的基礎(chǔ)上，分別建立了玻璃系統(tǒng)和幕墻框、線傳熱系數(shù)計算模型。利用Visual C++和ObjectARX對AutoCAD進行了二次開發(fā)，研發(fā)了適用于中國規(guī)程的玻璃幕墻傳熱系數(shù)計算軟件TJCW。研究結(jié)果表明：建立的傳熱系數(shù)計算模型能夠正確的計算玻璃幕墻傳熱系數(shù)，基于該計算模型開發(fā)出的軟件能夠應(yīng)用于實際工程的節(jié)能分析和計算中。
1 玻璃系統(tǒng)傳熱系數(shù)計算模型
以一維熱傳導(dǎo)理論為基礎(chǔ)建立玻璃系統(tǒng)熱系數(shù)的計算模型，并基于以下幾點假設(shè)：
1）固體材料的熱屬性不隨溫度變化而變化。
2）忽略室內(nèi)外環(huán)境的空氣滲漏。
3）忽略空腔中氣體輻射的影響。
中空玻璃是目前在玻璃幕墻中應(yīng)用比較廣泛的玻璃系統(tǒng)，以雙層中空玻璃為例，建立玻璃系統(tǒng)傳熱系數(shù)計算模型。雙層中空玻璃由與室內(nèi)接觸的玻璃板1、空氣間層和與室外接觸的玻璃板2組成，如圖1所示。其熱能的傳遞過程可以分為以下5部分，分別對該5個過程建立熱能方程，如式（1）～（5）所示。
當(dāng)傳熱過程處于穩(wěn)態(tài)時，根據(jù)能量守恒定律，上述5個部分的熱流量必相等。由于各表面的溫度值未知，計算時首先根據(jù)“溫差等分”原則假設(shè)各表面的溫度值，然后計算出5個傳熱過程的熱流量，再用熱流量的平均值反算出各個界面的溫度值。通過多次迭代計算，直到結(jié)果收斂，便可求得各個表面的溫度值和熱流量，從而求出玻璃系統(tǒng)的傳熱系數(shù)。
2 幕墻框、線傳熱系數(shù)計算模型
2.1 熱傳導(dǎo)方程及單元熱傳導(dǎo)矩陣
幕墻框由型材、空腔和隔熱膠條等材料構(gòu)成。由于幕墻框截面形狀及內(nèi)部變溫條件的復(fù)雜性，依靠傳統(tǒng)的解析法很難獲得傳熱系數(shù)精確解。因此，以二維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)理論和有限單元法為基礎(chǔ)建立其傳熱系數(shù)計算模型，同時基于與玻璃系統(tǒng)傳熱系數(shù)計算模型相同的3點假設(shè)。
2.2 對流傳熱、熱流密度邊界
當(dāng)幕墻框表面與環(huán)境進行對流傳熱時，傳熱系數(shù)為h，流體溫度為Tf。對單元熱傳導(dǎo)矩陣和溫度載荷列陣修正如式（10）和（11）所示，其中l(wèi)ij、ljk、lki分別表示三角形單元的各邊長。
2.3 輻射傳熱邊界
計算輻射傳熱時，所研究對象必須是包含所有參與輻射傳熱的表面在內(nèi)的一個封閉腔[16]。封閉腔是由多個灰體表面組成的封閉系統(tǒng)。最簡單的封閉腔就是兩塊無限接近的平行平板。當(dāng)幕墻框表面與外界環(huán)境直接進行輻射傳熱，不考慮框表面自身輻射影響時，可看作2塊無限接近的平行平板間的輻射傳熱，則輻射熱流密度q為：
當(dāng)幕墻框表面自身材料進行輻射傳熱或空腔內(nèi)部輻射傳熱時，應(yīng)看做由多個表面組成的封閉腔的輻射傳熱，需把由該表面向空間各個表面發(fā)出的輻射能與空間各個表面投入到該表面的輻射能包括進去[16]。假設(shè)封閉腔內(nèi)有N個表面，各表面平均溫度值分別為T1T2…TN，發(fā)射率分別為ε1ε2…εN，則各表面的有效輻射組成列陣J、黑體輻射列陣Q和有效輻射角系數(shù)矩陣[F]分別如式（14）～（16）所示。
式（16）中Fi，j為表面i對表面j的輻射角系數(shù)，計算時首先采用“隱藏線”算法確定兩個表面是否“可見”，然后根據(jù)“交叉線”算法[16]求得輻射角系數(shù)。求解方程組[F][J]=[Q]，得到各表面的有效輻射J。各表面的凈輻射的熱流密度列陣為q，計算公式如式（17）。
q=ε11-ε1（σT41-J1）ε21-ε2（σT42-J2）…εN1-εN（σT4N-JN）T（17）
在計算輻射傳熱時，由于單元參與輻射換熱邊的平均溫度未知，需要首先進行假設(shè)，然后更新節(jié)點溫度，不斷迭代直到收斂。為便于結(jié)果收斂，本文計算時將T4進行泰勒展開并取展開式的前兩項，在迭代過程中采用二分法加快收斂。輻射傳熱邊界對K，對P的修正如式（12）所示。
2.4 對流、熱流密度和輻射邊界條件耦合
幕墻框表面與環(huán)境通過對流、熱流密度及輻射等方式進行熱傳遞。各種條件共同作用時，對K修正同式（10），對P修正分別如式（18）、（19）和（20）所示，其中h為對流換熱系數(shù)，Tf為流體溫度，q為熱流密度，qr為輻射熱流密度，lij、ljk、lki分別表示三角形單元的各邊長。
3 復(fù)雜截面玻璃幕墻熱傳導(dǎo)計算的軟件研發(fā)
3.1 軟件開發(fā)
基于上文建立的玻璃幕墻傳熱系數(shù)計算模型，以AutoCAD為開發(fā)平臺，運用ObjectARX和Visual C++等開發(fā)工具，研發(fā)了適用于中國規(guī)程[14]的玻璃幕墻傳熱系數(shù)計算的軟件TJCW。建模方面可以很好的繼承AutoCAD的強大功能，能直接選擇材料填充“回”形區(qū)域。計算方面可實現(xiàn)各種環(huán)境邊界條件下的玻璃系統(tǒng)傳熱系數(shù)計算，復(fù)雜截面玻璃幕墻溫度場和傳熱系數(shù)計算等功能，后處理可實現(xiàn)繪制模型等溫線、溫度云圖和熱流矢量圖等功能。圖2為軟件有限元程序計算流程圖及軟件主界面。
3.2 軟件對比驗證
圖3為某玻璃幕墻截面尺寸圖，單位為mm。模型中材料包括鋁合金、浮法玻璃、聚氨酯密封膠、聚酰胺尼龍66%+25%玻璃纖維和硅酮結(jié)構(gòu)膠，封閉空腔中所填充的氣體為空氣。材料的導(dǎo)熱系數(shù)和表面發(fā)射率如表1所示。
計算邊界條件分為室內(nèi)、室外和絕緣邊界，其中上、下表面分別定義為室內(nèi)和室外邊界，兩側(cè)為絕緣邊界。由于環(huán)境條件對溫度場和傳熱系數(shù)影響較大，設(shè)置3種工況，每種工況的邊界條件如表2所示。分別計算每種工況下截面最大溫度值和最小溫度值，以及截面和玻璃系統(tǒng)的傳熱系數(shù)，并與LBNL開發(fā)的THERM和WINDOW系列軟件計算結(jié)果進行對比，對比結(jié)果如表3所示。從表3中的數(shù)據(jù)可知，計算結(jié)果與LBNL系列軟件計算結(jié)果相差在2%以內(nèi)，表明開發(fā)出的軟件較為合理。
4 工程實例分析
采用所編制的軟件對上海某公共建筑玻璃幕墻進行節(jié)能驗算。該工程一樓大廳一側(cè)采用單元式玻璃幕墻，該側(cè)窗墻面積比為0.25。每個分格寬1 200 mm，高1 000 mm，幕墻整體尺寸如圖4所示?？蛐筒臑殇X合金構(gòu)造，立柱和橫梁截面尺寸如圖5所示。玻璃系統(tǒng)采用（6+12A+6）mm的LowE中空玻璃，室外為LowE玻璃，室內(nèi)為普通透明玻璃。計算邊界條件為規(guī)程[14]中規(guī)定的冬季標(biāo)準(zhǔn)計算條件，室內(nèi)空氣溫度和平均輻射溫度均為20℃，室外空氣溫度和平均輻射溫度均為-20℃。室內(nèi)和室外對流換熱系數(shù)分別為3.6、16 W/（m2?K），太陽輻射照度為300 W/m2。
按照圖5所示橫梁和立柱尺寸圖，建立計算模型，并填充材料。將立柱節(jié)點上表面設(shè)為室內(nèi)邊界，下表面設(shè)為室外邊界。將橫梁節(jié)點左表面設(shè)為室內(nèi)邊界，右表面設(shè)為室外邊界，兩側(cè)設(shè)為絕緣邊界。采用三角形單元對其進行網(wǎng)格劃分，立柱和橫梁截面分別有6 579個和4 864個單元，立柱節(jié)點網(wǎng)格劃分如圖6所示。分別計算立柱節(jié)點和橫梁節(jié)點的溫度場分布，框傳熱系數(shù)和附加線傳熱系數(shù)以及玻璃系統(tǒng)的傳熱系數(shù)，計算結(jié)果如下。立柱節(jié)點溫度場云圖如圖7所示。
立柱節(jié)點截面最高溫度：10.99℃ ；立柱節(jié)點截面最低溫度：1.81℃
橫梁節(jié)點見面最低溫度：11.92℃ ；橫梁節(jié)點截面最高溫度：-0.81℃
立柱節(jié)點傳熱系數(shù)：Uf=8.40 W/（m2?K）；橫梁節(jié)點傳熱系數(shù)：Uf=7.92 W/（m2?K）
立柱節(jié)點：ψ=0.567 W/（m2?K）；橫梁節(jié)點：ψ=0.071 W/（m2?K）
玻璃系統(tǒng)的傳熱系數(shù)：Ug=1.896 W/（m2?K）
由各部分傳熱系數(shù)計算結(jié)果可得，幕墻框傳熱系數(shù)比玻璃系統(tǒng)大，可見若要降低單幅玻璃幕墻傳熱系數(shù)，不但要采用節(jié)能性能好的玻璃系統(tǒng)，同時也應(yīng)該提高幕墻框的保溫隔熱性能，降低其傳熱系數(shù)。由立柱截面溫度場云圖可知，在幕墻框空腔內(nèi)部以及與玻璃系統(tǒng)接觸的部位，溫度梯度變化不大。玻璃系統(tǒng)內(nèi)部溫度梯度變化較大。
按各部分面積加權(quán)平均的方法計算整幅幕墻的傳熱系數(shù)為3.50，如式（19）所示。
5 結(jié) 論
在研究玻璃幕墻熱傳遞特點的基礎(chǔ)上，基于穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)理論和有限單元法，建立了玻璃幕墻傳熱系數(shù)的計算模型，研發(fā)了計算軟件，并采用所編制軟件對某工程實例中玻璃幕墻傳熱系數(shù)進行了節(jié)能驗算，得出如下主要結(jié)論：
1）基于一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)理論，建立了玻璃系統(tǒng)傳熱系數(shù)計算模型；基于二維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)理論和有限單元法，建立了各種邊界條件下玻璃幕墻框及附加線傳熱系數(shù)計算模型。經(jīng)算例對比驗證，計算結(jié)果與LBNL研發(fā)的熱工軟件計算結(jié)果基本一致，證明了所建立的計算模型具有一定的正確性。
2）利用Visual C++和ObjectARX對AutoCAD進行了二次開發(fā)，研發(fā)了玻璃幕墻傳熱系數(shù)計算軟件TJCW，可以應(yīng)用在實際工程節(jié)能分析和計算中。
3）相比其他國家熱工軟件，所編軟件適應(yīng)于中國規(guī)范，同時良好地繼承了AutoCAD的強大功能，可直接選擇材料填充模型區(qū)域，不需描繪底圖，大大縮減了建模時間，為玻璃幕墻節(jié)能分析計算提供了方便快捷的工具，并將促進建筑節(jié)能事業(yè)的發(fā)展。
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