摘 要

鉴于目前国内高校实验课时被压缩，实验与课程进度脱节以及实验资源有限而导致的实验困难的现状，本文提出了传热学虚拟实验平台开发的设想。

以传热学教学实验“稳态球体法测粒状材料的导热系数”为例，首先借助NX软件对实验装置进行三维建模，然后在记事本中利用Scheme语言进入Fluent软件进行二次开发，搭建了一个可视的虚拟仿真实验平台。

采用虚拟实验平台得到的实验结果与该粒状材料的实际导热系数相符，另外，它还具备传统实验室所没有的优势，如节省实验教学时间，实时更新实验设备，详细的实验过程信息，避免意外实验事故等等，这表明了该虚拟实验平台对于促进教学工作、提高教学质量有重要的意义。

关键词：虚拟实验平台；Fluent；Scheme语言；传热学；开发

Abstract

In view of the situation that experiments and experimental resources are limited in current domestic college, we puts forward the idea of the development of the virtual experiment platform for heat transfer.

Taking the experiment “measuring the thermal conductivity of granular materials with steady-state method” as an example, we first use the NX software to model the experimental device, and then use the Scheme language in the Notepad to enter the Fluent software for secondary development to set up a visual virtual experiment platform.

The experimental results obtained by using the virtual experimental platform are in accordance with the actual thermal conductivity of the granular material. In addition, it has the advantages that the traditional laboratory does not have, such as saving experimental teaching time, synchronizing the experimental equipment, detailing experimental process information, reducing experimental accident and so on, which shows that the virtual experimental platform for the promotion of teaching work, improve the quality of teaching are of great significance.

Key Words：Virtual experiment platform；Fluent；Scheme language；heat transfer；development

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究内容 2

1.2.1目标传热学实验 2

1.2.2虚拟实验平台 2

1.3 Fluent简介 2

1.4 Scheme简介 3

1.5本章小结 3

第2章 仿真实验详细介绍 4

2.1实验原理 4

2.2实验设备 6

2.3 实验步骤 6

2.4 实验数据整理 7

2.5 实验误差分析 7

2.6 本章小结 8

第3章 虚拟平台的构建与实现 9

3.1 虚拟实验平台的建立 9

3.1.1 虚拟实验平台的建立方法 9

3.2 前期的准备工作 9

3.3 平台的实现 11

3.3.1 窗口的建立 11

3.3.2 定义窗口内部控件 12

3.3.3 窗口提交功能的实现 15

3.3.4 窗口和内部控件的创建 16

3.3.5 执行函数的写入 18

3.4 本章小结 19

第4章 实验平台的验证 20

4.1 验证平台的可信度 20

4.2 平台功能扩展 20

4.3 本章小结 21

第5章 总结与展望 22

5.1 全文总结 22

5.2 展望 22

参考文献 24

致 谢 25

第1章 绪论

虚拟实验平台^[1]具备齐全的实验装置模型，学生们通常可以根据某个具体实验的需求亲自动手配置、连接、调节和使用这些器材模型，以此来完成实验。而传统实验通常都是先由资深的实验老师为学生讲解实验原理、关键步骤和注意事项后，指导学生去实验室完成实验，必要时为学生纠错解惑。然而这人力（实验讲解老师等）、物力（实验室、实验器材）、财力（实验器材的维护和更新等）的高需求量是许多高校负担不起的，从而导致许多学生一学期只能做一到两次实验甚至没做过实验，而且往往是十几个人围着一张实验台。而虚拟仿真实验平台的应用则可缓解这一教学困境。建立起一个齐全的虚拟实验平台恰恰是成功的进行虚拟现实应用的关键，而Fluent软件具有完善的前后处理及强大的求解器，能够处理绝大部分热工传热问题，而且具有灵活的二次开发接口，能够用于解决目前传热学虚拟实验研发方面模块扩展不足及无法真实再现传热学实验过程的问题，所以本文提出了基于Fluent软件建立一个虚拟实验平台的设计方案，并以"稳态球体法测粒状材料的导热系数"这个实验为例，以此来验证该实验平台理念的合理性与准确性，并希望以此实验平台来替代传统实验进行教学使用。

1.1 研究背景

实验课程教学是本科教学中不可或缺的一部分，不仅能够让学生亲自动手验证理论知识、巩固和拓充课程内容，还能够培养学生的个人动手能力、思维创新能力和增强团结协作的意识。针对于目前较多高校面临理工科实验课时不断压缩，实验与讲课脱节以及实验资源有限导致实验困难的困境，而理工科课程重要的特点就是实验研究与理论分析相结合。为解决这一困境，本文提出了基于Fluent二次开发建立仿真实验平台的方法。

传热学是一门研究发生在不同温度的物体或同一物体的温度不同部分之间热量传递现象的学科。传热现象不仅仅存在于常见的自然现象中，而且也广泛的在工程技术领域显现。作为一门应用性极强的专业基础课，尤其是作为能源与动力工程专业的学生，学好传热学必会成为今后的工作实践的一大助力。尽管我们在中学时期的物理课程中就开始接触热科学的一些基础理论知识，生活中的种种传热现象也让我们对传热学有一定的感性认识，但这门课程存在概念多且抽象，内容广且分散，公式计算复杂且多样，理解起来很困难等特点，导致我们学生学得很困难甚至厌学翘课，因此，怎样才能培养学生的学习兴趣，使他们能主动通过一些传热现象探究其物理性质，熟练运用所学到的研究手段和计算方法，就要看实验教学的效果了。而本文以传热学中粒状材料导热系数的测定实验为例提出了基于Fluent软件开发出传热学虚拟实验平台的构想，该平台通过多媒体的手段对真实实验进行模拟，形象直观的反映出实验的导热过程和测定原理，学生可以进行观看或自行参与操作，这新颖的实验方式既能激起学生的学习兴趣，又对现有的实验教学提供了必要的补充。

1.2 研究内容

本文的研究内容是在Fluent的基础上，利用Scheme进行二次开发，搭建以“稳态球法测粒状材料的导热系数”为例子的虚拟实验平台。

1.2.1目标传热学实验

导热系数一般是指在稳定的传热条件下，厚度为1米的目标材料，当两侧表面温度的差值为1度时，在1秒时间内通过1平方米的面积所传递的热量。本文所研究的目标传热学实验为“稳态球体法测粒状材料的导热系数”，采用实验装置是同心套球体结构，实验时，在直径为d1和d2的两个同心圆球壳之间均匀地充填被测粒状材料，内球中装有电加热元件。在稳态导热^[2]条件假设下，只要测定被测材料两边（即内外球壁上）的温度以及通过的热流，就可通过计算得到被测材料的导热系数λ。

1.2.2虚拟实验平台

该虚拟实验平台^[3]的建立是基于 Fluent 软件平台，采用 Scheme二次开发建立的与《传热学》相配套的虚拟实验平台，能够真实的再现如“稳态球体法测粒状材料的导热系数”的物理实验环境，包括仪器设备的参数，主要性能指标，操作方法等。

在Fluent传热学平台^[4]的基础上，结合其开放的二次开发工具Scheme和UDF，建立“稳态球体法测粒状材料的导热系数”传热学实验的虚拟平台。利用Scheme语言边界进入虚拟实验平台的界面，以UDF实现对Fluent传热学输运方程的修正，完成虚拟实验平台的建立，并通过将虚拟实验平台上得到的模拟结果与理论结果相比较，验证该虚拟实验平台的合理性和科学性。

1.3 Fluent简介

Fluent^[5]目前是国际上最广泛使用的商用CFD软件包之一，许多有关于流体的问题、热传递的问题以及化学反应等有关的工程问题都可以运用Fluent来进行数值模拟分析。Fluent拥有大量丰富的物理模型，既可让人自主的设计所需的模型并划分网格，也可以直接导入已经来自于各种前处理软件处理好的模型或网格文件。与此同时，Fluent拥有的多求解器技术，无论是包括基于压力求解的分离求解器、或者是基于压力求解的耦合求解器、亦或是基于密度求解的隐式求解器、还是基于密度求解的显式求解器，使其可以用来模拟各种从可压到不可压、从低速到高超音速、从单相流到多相流范围内的各种情况复杂的流场^[6]。Fluent用来模拟仿真各种复杂流动是以理论流体力学和数学分析方法等为基础，通过设置各种相关的参数之后通过求解Navier-Stokes方程来计算内部流场的温度、速度及压力场。由于Fluent采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，因而Fluent能达到最佳的收敛速度和求解精度。在设计管道的过程中，我们利用Fluent软件对前处理好的管道内部网格进行流动模拟分析，根据得到流场我们对管道内的介质流动情况进行分析，以此来找到我们设计的缺陷并针对性的给出合理的改进措施和方案，以此来达到改进设计的目的。这样不仅大大的降低了我们设计的成本，避免了很多不成熟的设计方案投入试验阶段；也让设计的周期大大的缩短了，因而Fluent在转换与湍流、传热与相变、化学反应与燃烧、多相流、旋转机械、动/变形网格、噪声、材料加工、燃料电池等方面对各种设计方案进行数值分析、验证设计方案的可靠性以及优化设计等起着不可或缺的作用。