热能动力工程论文范文

关键词：大工程观；热物理基础；教学内容；工程专业；教学改革

中图分类号：G642.0文献标志码：A文章编号：1673-291X（2012）36-0300-04

自20世纪70年代以来，世界性的新技术革命对工程活动产生了巨大影响，工程活动对知识技术、能力综合的需要达到前所未有的程度。从动力生产、能源节约、环境保护以及工业生产过程本身特点来看，工程专业学生应该具备合理用能、节能和环保的意识并懂得其基本的技术，而热物理基础课程的内容是合理用能及节能理论中的最基础与核心的部分。因此，作为介绍热能的有效、合理的利用和转换、传递技术的热物理基础课程，不仅应是大工程观下能源动力类专业高等工程教育中的重要理论基础课[1～2]，而且也应是21世纪所有大工程观下工程专业学生的公共理论基础课。

高等工程教育[3～4]的热物理基础课程教学是培养具有热物理工程技术的“大工程观”要求的高等工程人才的唯一途径。因此，热物理基础课程和教学的改革占据着“大工程”培养观的重要地位，在大工程观下高等工程技术人才的培养方案中，热物理基础课程体系是整个工程专业课程体系的基础，应首先进行改革，为整个培养具有大工程理念的高级工程技术人才打好基础。

一、热物理基础课程体系现状分析

（一）热物理基础课程特征分析

在中国，热物理基础课程一般指《工程热力学》与《传热学》两门课程。同时，由《工程热力学》与《传热学》组成的《热工学》、《热工基础》或《热物理学》也属于热物理基础课程的范畴。高等数学与大学物理是热物理基础课程的前续课程。对于工程专业而言，高等数学与大学物理是基础中的基础，很多学不好热物理基础课程的学生，主要是因为高等数学基础知识或者大学物理基础不扎实所造成的[5-6]。《工程热力学》是一门较完善的课程，已形成较完整的理论体系，并具有完整的理论结构和实际应用内容。《工程热力学》课程中的基本概念和理论基础是热力学工程实际应用的基础，若基本概念和理论基础没掌握好，必然导致不能熟练推导出数学公式，从而会致使热力学工程实际应用学习的难度大大增大，甚至会使得学生产生厌学的情绪。与《工程热力学》不同，《传热学》的公式很多是来自于实验的归纳整理，需要记熟背熟。《传热学》主要是使用其原理或知识进行分析，而《工程热力学》主要是推导计算。两门课程的共同特点是必须大量做思考题和习题，才能真正掌握，熟练应用。

（二）热物理基础课程体系存在的问题

与大工程观背景下工业先进国家的热物理基础课程教学相比较，还有较大的差距，主要表现为[7]：（1）轻视实际、脱离实际；（2）人才培养的热物理知识结构体系不够完善，面向实际的热物理工程训练不足，与企业联系不够紧密；（3）办学方向面向热物理工程不够，教学模式和教学方法陈旧，文化陶冶过弱，专业教育过窄，功利导向过重，共性制约过强等。

二、大工程观下热物理基础课程体系构建

针对目前中国高等工程教育中热物理基础课程教学存在的问题，其改革思路是：以“大工程观”教育理念为指导，以理论教学与实践教学结合为基础，以热物理与其他课程交叉渗透为依托，以热物理工程的实践性与培养学生的创新性为核心，以具备合理用能、节能和环保能力的培养为主线对工程专业的热物理基础课程进行适应性改革，探索大工程观背景下工程专业热物理基础课程改革新途径（如下页图1所示）。

（一）大工程观下热物理基础理论课程体系构建

1.统筹规划，合理安排工程专业热物理基础课程体系结构和内容。（1）研究适应各大类工程专业学生培养需要的热物理基础课程结构和内容。根据各大类工程专业学生培养所需要热物理基础知识的不同，各大类工程专业可分成三大类：1）热物理基础课程是该类型专业的重要技术基础课；2）热物理知识是某一大类中部份专业的技术基础，而对另一些专业则关系则要远一些（工业设计）或者热物理知识是某类专业（如材料成型与控制工程）中的某一方向（如铸造、焊接）的主要技术基础课但与另一些方向（如真空技术及设备）关系较远；3）热物理知识与该大类专业的主干技术无直接的关系。因此，可针对此三大类工程专业开设不同结构和内容的热物理基础课课程，并可分为高学时（必修）的《工程热力学》和《传热学》、中学时（必修与选修）的《工程热力学》、《传热学》或者《热物理学》和少学时（必修与选修）的《热物理学》等三种。对于同一大类中的不同类型专业在教学内容上还可有所不同侧重或以专题形式作适当补充。对于中学时（必修与选修）的《工程热力学》、《传热学》或者《热物理学》；和少学时（必修与选修）的《热物理学》，应强调理解基本概念，掌握方法，而不深究公式的推导，通过典型问题的分析，达到举一反三的目的。（2）热物理基础课程的相互渗透和相互融合。由于热物理基础课程的内容是相互渗透、密切联系的，必然存在交叉、重复部分。经过综合分析，可对那些有益的或是讨论角度不同造成的重复内容进行谨慎处理（如有些内容压缩，而有些内容则须加强）。其处理原则是：既要考虑课时的有效利用，又要保持热物理基础课程之间的衔接和层次。（3）拓宽热物理基础课程的工程应用，增强与工程专业的联系。热物理基础课程在工程实际中有广泛的应用，在教学过程中，应突出地反映这一特点。从两个方面着手，首先把每个教学单元划分为基础篇和应用篇，基础篇着重掌握基本概念、定律，应用篇则力求培养分析能力，采用点面结合的方法。所谓点，就是讲清某单元基础知识在工程实际或专业课某方面的应用，其中包括一定数量的例题或习题；所谓面，则是针对教师的科研、技术开发课题或科技论专题讨论，综合所学的知识。学生对这种教学方式反映热烈，觉得学有所用。（4）更新热物理基础课程内容，适应现展要求。近代工程技术的发展给本科《传热学》教学带来了巨大的变化，《工程热力学》的教学内容也不同程度地存在类似的情况。例如，二十年前的本科生教材很少有关于火用分析方面的内容，而现在这个状态参数已经被广泛接受并用来分析工程设备过程的能量利用情况。

相对于《传热学》，《工程热力学》的国内外教材的内容显得似乎过于稳定，近年来出版的教材中新技术的概念介绍极少。比如，当前中国的长期能源问题已经十分突出，为保护环境，执行可持续发展的方针，在“十二五”规划教材上，《工程热力学》应该对新的、先进的能源利用方式（联合循环发电、氢能利用、燃料电池、分布式发电和热电冷三联供、新能源发电等等）有适当的反映。超临界和超超临界循环是传统燃煤汽轮发电机组提高经济性与环保性的有效途径，也是近年来国外燃煤火电厂的重要发展方向及中国要积极研发的方向，在热物理基础课程新教材和今后的教学中也应有相应的地位。如在这方面予以充分重视，在热物理基础课程新教材和今后的教学中注意扬弃旧的思想、研究方法及其内容，利用一定学时介绍各学科的新方法、新内容，努力使教学内容适应现代科技的发展趋势。

2.热物理基础课程与其他课程交叉渗透。（1）热物理基础课程与物理课程的交叉。热物理基础课程中的部分内容与大学物理中的热学存在重复。大学物理中，热学内容总学时数为12～14学时，且热力学两个定律只安排6学时。由于物理学主要解决“是什么”、“为什么”的问题，而热物理基础课程主要解决“做什么”、“怎么做”的问题，因此在热物理基础课程中，应着重讨论热力学系统与环境（外界）相互作用的形式；热平衡态与准静态过程的矛盾与统一；热力学中如何延拓力学中的力、位移、功、热力学能概念；为什么要讨论可逆过程，如何由不可逆过程抽象出可逆过程概念，熵是如何引入的，为什么要定义一个熵函数等等。（2）热物理基础课程与流体力学课程的交叉。例如，《传热学》的对流换热部分，有大量的边界层和绕流理论，是重复流体力学的内容。又如，流体力学和热力学中都有气体在管道、喷管中流动的理论。经过综合分析，可以对那些完全重复内容予以削减，或者进行谨慎处理，但要保持热物理基础课程与流体力学课程之间具有较好的衔接性。（3）整合出新型热物理课程。为适应不同类型专业的需要，可以开设出一些综合性的、新的热工类课程。无论是能量转换、热量传递还是质量传输，都存在如何提高转换效率、传递效率和节约能源的问题，其中的关键是要减少过程的熵产（或不可逆损失）以及强化传递过程。为此，可开设一门综合《工程热力学》、《传热学传质学》和《流体力学》的新课——例如可称之为《工程装备热流设计与优化》。如果关于“优化”的内容能具体结合一些工程专业过程中的具体问题，那么这样的课程就会受到相关专业的欢迎。

（二）大工程观下热物理基础实验课程体系构建

从热物理基础课程发展历史来看，实验研究和数学物理方法是并行发展、相互补充、相互促进的；而从教学角度分析，实验是锻炼学生动手能力，培养学生理论联系实际和解决问题能力的重要环节。如何完善和合理组织实验内容将直接影响课堂教学的效果。为此，在热物理基础实验教学中突破以往的传统模式，以配合理论教学、巩固课堂效果为目的，以培养应用型人才为目标，改革实验教学方法，加强实验室建设，有效地发挥了实验室的功能。

1.科学设置热物理基础课程实验项目。实验室应成为理论联系实际，培养学生动手操作能力的场所。为满足这种功能，应增加热物理基础课程实验学时，增设热物理基础课程实验项目，并相应设置演示实验（包括课堂演示）、验证性实验、应用性实验以及设计性实验。演示、验证性实验是不可缺少的内容，可帮助学生理解抽象概念，印证热物理基本理论和基本定律，巩固课堂学习内容，熟悉各种仪器设备及其操作规程，培养严谨的科学态度。应用性、设计性实验则是一般实验的一个飞跃，其作用更多的是为了培养锻炼学生的综合能力，引导他们的纵向和横向思维以及创新思想。这样，通过多方面、多层次循序渐进的实验过程，以求达到掌握基本技能和提高应用能力的目的。

2.合理组织热物理基础课程实验。以往的热物理基础课程实验模式，大多是学生根据实验指导书给出的原理和步骤等，机械地照搬硬套，做完实验、写出实验报告。这样既束缚了学生的积极性、创造性，也不能满足能力训练的要求。针对弊端，可对热物理基础课程实验方式进行合理组织。根据不同实验的性质，有的安排预习，在实验开始前由指导教师提出问题，让学生回答解决方法，以此评定预习成绩；有的则让学生分组，自己动手组装实验台，做完实验后集中评议，对比优劣，公开评定成绩；设计性实验则完全抛开指导书，代之以设备说明书、实验任务和要求等，让学生自己拟定实验方案，发挥学生的创造力。

3.更新热物理基础课程实验设备和内容。随着科技的进步和学科的发展，热物理基础实验的技术和手段也更加完善，内容不断推陈出新。要适应这种发展，不能仅仅依靠学校的拨款。在有限的财力、物力条件下，调动教师积极性，自行研制、设计新实验，改造原有设备，开发新项目。例如，可以自行设计改造对流传热过程阻力实验的微机采集和处理系统、热管换热器试验台等项目，这样既可节省大量的经费，锻炼了教师队伍，又可保证学生能够在实验中学习新知识、新技术，开拓视野。

4.制订严格合理的考核制度。实验成绩的好坏，应有一个合理的考核方法。以往的考核大多以实验报告为依据，而实验报告中大部分内容是从实验指导书上照抄的实验目的、原理、步骤等，考核成绩不能反映学生的实际水平和能力以及相互之间的差别，影响了学生学习的主动性和积极性。为此，可制订一套考核方法，分为纪律情况和学习态度、预习程度、操作和解决问题能力、实验结果、实验报告等多项考核内容，贯穿了整个实验过程，每项内容按10分制评定成绩，在统一印制的学生实验卡上反映出来，这样能促使学生在实验的各个环节都认真对待，可提高实验效果。

三、结论

时代在前进、教育在发展、教学工作在改革，包括教学内容也应改革，与时俱进。作为热物理基础，一方面为大工程观背景下各类工程专业学生学习后续专业课等提供预备知识；另一方面通过实验、测试技能训练，提高学生运用理论分析和解决工程实际问题的能力。

从教育改革的发展趋势和培养本科层次的工程技术人才的角度来看，理论与实际相结合，强化技能训练、培养学生的技术应用和开发能力应是技术基础课的重要任务。在大工程观下工程专业热物理基础课改革过程中，兼顾知识结构和能力培养两个方面，使之成为由基础到专业、从理论面向应用的桥梁，确保培养的工程人才具备工程知识能力、工程设计能力、工程实施能力、价值判断能力、社会协调能力和终身学习能力。

参考文献：

[1]鄂加强，杨蹈宇，崔洪江，唐文武.工程热力学[M].北京：中国水利水电出版社，2010.

[2]邓元望，袁茂强，刘长青.传热学[M].北京：中国水利水电出版社，2010.

[3]李培根.工程教育需要大工程观[J].高等工程教育研究，2011，（3）：1-2.

[4]谢笑珍.“大工程观”的涵义、本质特征探析[J].高等工程教育研究，2008，（3）：35-38.

[5]黄凯旋，刘建华.热工课程教与学改革探索[J].集美大学学报，2001，（3）：73-75.

热能动力工程论文范文篇2

独开创新型课题建设创新型国家

1965年起，杨学实初步接触导弹型号空气动力热防护设计。在研究过程中他发现，在低热环境的热防护采用的是玻璃钢或高硅氧材料，而玻璃钢或高硅氧材料在复杂外形以及大型尺寸车床加工方面存在严重缺陷，这种防热方案不适合用在所有的导弹型号中，于是独创性提出了‘涂层法’热防护。并成功运用于相应型号。遗憾的是，在当年的大背景下，杨学实并未提出理论成果，但他仍坚持不懈的随机进行科学实验研究。时至今日，我国航天型号仍在沿用涂层热防护法。

1977年，为了积极响应邓小平同志提出的“科学技术是第一生产力”的号召，杨学实展开深入研究，针对型号设计中低空到高空导弹底部环境条件设计方面，参数因素复杂，虽进行了理论分析，但对结论没有绝对把握时，最好在风洞中火箭燃气喷流实际测量，以便较真实得到设计参数。这个办法是全世界未曾有的冒险实验，我国实现并成功了，创立了在风洞中火箭燃气喷射环境测量试验方法。

1979年，杨学实在烧蚀试验过程中，当仔细观察烧蚀状态时，发现边界层气流中有无数亮点物质飞舞。当视线集中在表面一个点时，观察到一个发白的亮点突然变黑，同时表面有亮点物质飞离表面进入气体边界层；之后，留下一个黑点。随即出现黑点逐渐变成暗红、淡红，直至发白发亮。紧接着又是亮点突然变黑，如此反复。当视线移向整个表面时，观察到有无数亮点物质连续地急速飞离表面进入气体边界层，烧蚀表面上交错着“黑星闪烁”，这是一种“快烧蚀现象”。这个现象表明烧蚀表面存在“有限尺度微元”的物质流失。

杨学实指出，“前面讲到的‘亮点’就是烧蚀前的热层温度曲线的表面温度，‘黑点’就是烧蚀后的热层温度曲线的表面温度。随着有限尺寸微元脱离表面，也带走了一段温度剖面，称‘流失剖面’；于是‘流失剖面’造成了热漏现象。显然，亮点温度比黑点温度高，在亮点至黑点之间存在一系列的温度点；由于温度点的任意性，使得整个热层存在热漏。于是，从理论角度提出一个问题，在快烧蚀条件下传热数学方程式是否为古典传热方程式呢？不能确定。因为古典传热方程的建立条件，是热层内既没有热源，也没有热漏。因此，只能利用新近建立的物理概念，和数学技巧知识，重新建立具有热漏传热特性的方程式。经过归纳、总结、抽象、提高，利用能量守恒原理，得到了新的‘快烧蚀传热方程式’。结果发现，快烧蚀传热方程式与古典传热方程式不同，相差一个一阶偏微分项，这个偏微分项在方程中的物理含义正好是‘热漏’。这种热漏体现出烧蚀物质越多，热漏越大，热防护效果越好，这正是烧蚀热防护设计所追求的目标。”杨学实特别强调，作为科学研究工作者必须具备如下基本素质：尤其在实验过程中必须认真观察实验现象，注意发现同过去已知的知识范围以外的物理现象，即有所发现；同时具备对物理现象进行深入分析的素质，即有所成果。所谓“数学是科学的科学”，就是它能把客观存在的物理规律以数量关系联系在一起，之后，再进行抽象数学运算。鉴于上述创新，吸引了一批科学院著名专家学者参与研究，并形成了规模研究队伍。

“也有少数纯数学工作者对快烧蚀方程中的热漏项提出质疑（《自动化学报》23（2）期）。理由是‘外国人计算烧蚀用的是古典传热方程’，从未见过快烧蚀方程；以此认定外国人既然是正确的话，必然中国人是错误的。严肃地正确判断是：‘那是因为外国人没有认真研究古典方程建立时所须满足的条件，更没有认真研究烧蚀域内存在的热漏’。不能以为外国人错了跟在人家后面犯错就应该理直气壮（《自动化学报》24（2）期）。然而，在‘慢烧蚀’条件下，‘快烧蚀’方程中的热漏项贡献变小，几乎可以忽略，于是快烧蚀方程蜕化为古典方程；这种近似在工程上是允许的。但是，使用古典方程处理烧蚀问题，理论上严格地说，是不恰当的，是错误的。”杨学实说。

关于类似核爆中心的极高热环境，如“电磁导轨炮”的导轨放电热环境。它的放电导轨处于30毫米距离内数千伏电压和几十万安培电流放电环境下，热环境极端恶劣。钨渗铜导轨由于烧蚀难以实现连续发射，影响实用价值。同样对于高超音速再入弹头，通常在弹头的音速点附近出现严重烧蚀，造成弹头外形发生改变，致使飞行弹道偏移，弹着点精度偏差变大。如果有一种方法使得弹头表面烧蚀材料以及放电导轨烧蚀材料得到补充，则能保持导弹外形以及放电导轨外形不变，提高实用价值。这种方法是存在的，就是发汗冷却控制方法。

杨学实在控制理论创新方面贡献卓越，比如发汗热防护控制：人体出汗能使身体降温，因此发汗具有明显的冷却效果，能够降低结构温度。冬天冷了就封闭毛孔不出汗，天气愈热出汗愈多；或者利用扇风增加皮肤表面水分蒸发来降温。前者是人体的自动控制，后者是人为控制。如果在飞行器上装一瓶冷却剂，利用机体无数微孔结构材料，通过计算机控制，使得飞行器结构表面温度处于不烧蚀状态。实现初始设计外形不变，又使得发汗剂消耗量最少，这就是发汗控制理论要研究的最优控制问题。

杨学实说，“同样按照发汗物理概念和数学技巧，利用微元受热能量守恒原理，与局部热平衡，随即又建立了‘发汗传热数学方程式’。结果发现，‘发汗传热数学方程式’同‘快烧蚀传热数学方程式’属于同一类型，也多出一个一阶偏微分热漏项。这个发汗热漏项容易理解：由于外表面存在加热源，使得热层中外表面温度高而内表面温度低而存在的温度逐渐变化过程。当低温发汗剂从低温内壁一路渗流通过温度逐渐升高的热层到达高温外壁面时，存在沿途吸热而产生热层的热漏现象，效果上和烧蚀物质流失类似的热漏性质，物理过程相同因此数学关系属于同一类型。因此，可以把‘发汗传热数学方程式’和‘快烧蚀传热数学方程式’俩数学模型合并，再加入‘工程控制’概念，形成‘变域传热发汗分布参数系统控制’理论课题。如果飞行器不出现烧蚀过程，单就发汗而言，也具备非常优秀的热防护性质。于是从控制论角度，我们得到一组发汗剂流量控制参数既出现在边界条件中，又出现在方程中的分布参数系统控制问题；这组控制问题在国际学术界是空前的”。同时他指出，“就发汗控制方法而言，从低热环境到极高热环境的工程应用角度，也具有十分重要的价值。上述理论的应用对象除了高超音速飞行器，也用于接近核爆中心的极高热环境，如电磁导轨炮的导轨放电热环境，尤其电磁炮连续发射问题”。1985年，他在《自动化学报》上发起了“烧蚀发汗冷却控制”理论研究。国际上命名该方程为“杨学实方程”。

1991年起，杨学实在导弹型号空气动力学工程设计任务之余，同时开展理论研究。上述“变域传热发汗分布参数系统控制”理论研究获得国家自然科学基金资助，并连续三期主持基金项目。研究班子以中科院系统所和航天部高级研究人员为核心，国际院士和国内重要研究单位和大学参与，约30多人。其间，他每年在北京主持召开研究成果学术讨论会，每年论文有30多篇。研究内容包括对其提出的三项新思想相结合的研究，即发汗对结构温度的影响、快烧蚀变域热传导、分布参数系统控制。这三项结合，为变域传热发汗分布参数控制课题的理论研究、实验研究和应用研究相互促进奠定了基础。归纳为动边界分布参数系统控制。随着研究的深入引导，内容越来越丰富，在一维问题的基础上，又逐渐建立了二维和三维问题的全面系统研究。在连续获国家自然科学基金资助下，他致力于全面推动每个问题的数学模型、数值方法、数学仿真、数学定理证明、控制理论研究、试验研究和应用研究等方面的拓展。结题被国家自然科学基金委评为“特优”项目。他在国内外公开发表学术论文近60篇，国际上重要刊物（《EI》和《INSPEC》等）跟踪检索多篇。曾获火箭导弹型号设计科技进步多项奖励。著作两本书：编辑出版发行英文论文集《RecentAdvancesinDistributedParameterTheoryonTranspirationControlSystem。SCI-TECHInformationServices，British（firstedition），1996》，和中文专著《变域传热发汗控制理论》。

杨学实相继提出的理论研究课题为“气膜悬浮分布参数控制”，它的空气动力学流动属于“三维缝隙剪切流”，物理上指的是“发汗边界缝隙剪切流”。对于这类问题，为便于开展理论研究，按照量阶分析法，随即建立了它的数学方程组。他指出“这类理论问题比国际上有名的‘Couette流动’要困难得多，‘Couette流动’属于单纯的一维流动和二维流动。这就是说，‘气膜悬浮分布参数控制’课题不仅是三维问题，而且要控制。于是，我们又建立了一门‘空气动力学’与‘控制论’相结合的边缘学科”。

杨学实指出，“当考虑创建理论的应用问题时，应该着眼力求广泛性。前期的研究，控制参数属于小发汗量。对于大发汗量控制参数，例如适用于大孔隙率发汗结构材料的工程应用问题，需要借助地下石油天然气在砂层中渗流规律。从空气动力学角度，前述流动同多孔材料的发汗剂渗流之间不同点在于连续性方程与空气动力学通常意义上的连续性方程不同。同时，一位以色列人Darrcy曾经对石油天然气在砂层中的渗流提出过‘Darrcy定律’，这一定律同大孔隙率多孔材料渗流在物理规律上存在某种类似。据此，按照空气动力学的三大守恒、四大方程关系式，通过数学运算，我们又建立了‘压力分布参数控制’数学模型”。并开展了基础理论研究。

航天飞机与高超音速飞机就热防护而言，属于同一类型。美国航天飞机的防热设计采用防热瓦。防热瓦设计属于“隔热”和“热沉”的复合设计。我们知道，“隔热法”和“热沉法”没有“烧蚀法”效率高。隔热表面不会烧蚀，要求材料导热系数小，尽量把热隔在外面，使其尽量少的进入物体结构。然而，热流一旦传入结构，就散失不出去，因此依靠增加结构体积重量满足“热沉”要求。多余的重量载荷会使飞机增加负担。同时，在飞机头部粘贴一千多块防热瓦的办法很原始，工艺上稍有不慎将会出现防热瓦脱落。2003年美国航天飞机返回过程中因防热瓦脱落，航天飞机解体，宇航员瞬间失去生命。由于热防护方法不当，使得事件似乎存在必然性。

承担国家气浮车项目助推高速发展之路

1999年，杨学实在发汗控制实验过程中，用手感受发汗物体表面渗流状态时，发现手与物体表面之间始终存在一层膜，用力施压也不能触及表面，这种力是气膜压力。就是说，发汗固体表面气膜存在较大压力。这种压力的发现是否存在工业应用价值呢？需要经过进一步细致的测量，结果证实它的压力为1.44公斤／平方厘米。它的净有效压力超过气垫船的净有效压力将近一倍多，接近0.5。也就是说，1个平方米的气膜能够悬浮5吨重物。如果一节车有4个腿，他的悬浮重量可以达到20吨，这就证明物面压力明显存在工业应用价值。于是发明了气膜悬浮车，称“气浮车”。

气浮车就是把飞机机身放到轨道上“飞行”。具体就是去掉飞机的主翼、尾翼、竖翼、起落架、发动机、油箱和燃油，只剩机身。安装4个腿代替机翼，放在轨道上，依靠4—5个压力的压缩空气，通过控制方法，在气腿与轨道平面之间生成气膜，使飞机机身悬浮。悬浮高度约1—2毫米量级。不带滚轮，依靠车腿支撑运行。在推力作用下，行驶时速可达800公里，使高速行驶成为现实。简单地说，气浮车就是“有轨、无轮、高速、气膜悬浮、无接触摩擦、近地面轨道飞行器”。这样一来，使得高速轨道交通与空气动力学相结合的技术创新成为速度竞争在交通领域的进步点。随后，他又相继申请并获授权的专利为：发明专利“发汗电极控制装置及控制方法”和“气浮车气膜的控制方法”；实用新型“气浮车车腿”和“气浮车分流式底盘”；并提出国际发明申请，发明专利国际申请号：PCT/CN2007/000786；发明专利国际申请号：PCT/CN2007/000787。

我国气浮车的优势是车腿支撑，不用滚轮。最高时速800公里，速度快；轨道为突出地面8—10厘米的两条道路，可用石材，简单，造价低；悬浮气膜1-2毫米厚度存在收敛效应，不会上下颠簸，运行稳定；左右车腿外侧有生成气膜的挡板，限制车辆运行方向，没有摩擦；动力采用电网供电，开关磁阻电动机噪声小；工作介质是空气，吸入空气，再排出空气，没有污染；气浮车体是飞机的机身和管道底盘组成，结构简单，重量轻，安全系数高，有效载荷效率高，耗能低；工程造价是磁浮的16%，是轮轨的56%，建设成本低；能耗是磁浮的67%，轮轨的50%，运行成本低；运行安全控制由三组分布参数控制系统组合管理，有理论保证；车腿有侧挡板底挂钩、进气道有防护网、三重刹车分阶段制动、中央卫星定位控制、按导弹可靠性质量控制设计气浮车安全系统，安全性高；具有丰富的“系统集成总体技术”经验，航天系统在长期型号设计过程中，所形成的丰富设计经验，具有绝对优势。

航天科工集团早在2004年就召开了“高速气浮车技术方案可行性”评审会。参加会议的有铁道科学院、北京交通大学、中国南车集团、航天科技集团和航天科工集团等单位。以庄逢甘院士为首的院士、研究员、教授和高级工程师等13人组成评审专家组。会议听取了气浮车项目组杨学实所作的《高速气浮车可行性论证报告》，并观看了试验样车的轨道运行试验录像。专家们在热烈的讨论中认为，这种气浮车属于轨道飞行器；是一项具有全球性意义的项目。并得出如下评审意见：“气浮车与磁悬浮车以及轮轨高速列车甚至飞机相比所存在的一系列优点是可信的；气浮车的技术可行性以及研制的现实性是存在的；气浮车是具有我国自主知识产权的创新项目，建成后可以填补高速交通速度链的空白”。

创新工程气浮车项目在未来追求高速交通的世界大环境下是有重大意义的。而它的社会效益同样不可忽视：第一，气浮车项目能够创造的就业岗位将达几十万；第二，它的经济效益在年均数百亿美元的等级上；第三，它在学术价值上既创造了国际上新的分布参数系统控制的数学模型组合，又建立了一门“气膜悬浮与控制”边缘学科研究；第四，它在技术价值上将空气动力学与轨道交通相结合并成为提速的亮点，使得轨道运输方式发生变革，不要滚轮而用车腿运行；第五，国家价值上大大增加中国软实力，国际价值上全世界没有时速450公里以上的轨道交通工具，国际市场中国独占。在有利条件方面：有中共中央政策研究室、国家领导人、国务院、国家发展改革委员会的重视；再加上国家的“自主创新”政策和在2022年建成“创新国家”的号召；又加上多位院士集体的“极力推荐”；研制团队又具有丰富的系统工程的“实施经验”；以及建立了一套完整的理论研究、试验研究、应用研究的研制体系的保证；再加上已经完成了三个设计阶段的第一阶段设计，处在产业化成熟阶段；又完成了气浮车1∶5模型样车的轨道运行试验。

杨学实指出，“涉及气浮车工程控制的理论问题需要三类数学模型来实施：第一类为大发汗量气源压力分布参数控制，即‘压力控制方程’；第二类是车腿底部粘性气体的高速剪切，造成车腿结构加热的热防护控制，即‘变域传热发汗分布参数控制方程’；第三类是发汗边界缝隙剪切流控制，即‘气膜悬浮分布参数控制方程组’。在前期理论研究过程中，这三类数学模型曾经在理论研究阶段已经具备。按照这三类分布参数系统控制组合后，具体实施为航空电机大流量空气压缩机转速控制、到气浮车腿底部因高速气流剪切摩擦而产生车腿结构的加热控制、再到气膜悬浮控制，组成一套完整的大型复杂控制系统。这三类控制的核心，涉及气浮车运行的‘安全控制’，因此这组控制模型的理论问题十分重要，它在分布参数控制学术界也是空前的。于是在工程上又建立了一套完整的理论研究、试验研究、应用研究的研究研制体系”。通过前述访问，笔者认为，杨学实是一位真才实学的空气动力学与控制论相结合的不仅理论科学家，也是应用科学家。目前，他在理论研究同时，仍然带领研制班子继续推进“高速气浮车”工程的产业化进程。

目前国际上，包括国内，所有轨道交通工具，速度不超过时速450公里。磁悬浮列车430公里，昂贵、污染、不具备商业价值。高速轮轨列车实用时速330公里。由于存在黏着力的结构性问题，速度快了就出现车轮打滑，再提速非常困难，除非不顾一切消耗大量能量，且又增加车轮结构力学的危险因素。欧洲上世纪六十年代研制过气垫车，悬浮高度几十厘米，带滚轮，燃气发动机为动力，存在能耗大、噪声污染、运行不稳定问题。属于方案设计缺陷，一次试验后，很快下马。铁道部目前为了继续提高轮轨列车的速度，开展了480公里时速的刹车技术试验；同时又投入资金开展一项将“磁悬浮列车”放进“真空管道”的外国人设想的工程，希望达到时速1000公里。从工程造价角度，这种“真空管道磁悬浮车”方案比单纯磁悬浮车更不具有商业价值，带来高风险。日本东北大学利用美国人“带翼气垫车”在地面是平面和两堵墙围成的槽内的失败试验，继续原方案，改称“飞行列车”，带滚轮；投入大量资金，予计时速500公里，2022年投入运营，座位335个；它的问题是由于空气的粘性效应，又运行在大尺寸的气垫上，带有飞行机翼的列车上下颠簸、机翼两边撞墙、左右倾斜。这是一种“严重不稳定”的危险运行方案，转弯撞墙的现象难以避免，尤其高速飞行更危险。为了得到高速交通工具，全世界在不计成本地执著追求，表明高速轨道交通在国际领域的迫切需求程度。气浮车的优势在前面已经讨论过，不存在前述各类轨道交通工具的缺陷，时速800公里，属于高速轨道飞行器的最优方案，而且是具有完全自主知识产权的，长中华民族志气的具有世界性意义的创新工程。

专家简介：

杨学实，中国航天科工集团第四总体设计部高级工程师、研究员。1937年7月出生於陕西省安康市。九三学社社员。1962年毕业于兰州大学数学力学系，分配到中国科学技术大学近代力学系任教。曾任世界著名科学家郭永怀学部委员的《边界层理论》教学的助教，以及华罗庚学部委员的《微分方程》数学教学的助教，并对钱学森学部委员的《星际航行概论》课程在开阔学术思路视野方面受益匪浅。深受前三位世界著名科学家的学术思想、严谨思维、研究方法、民族精神、工作态度的巨大影响。

1965年杨学实调入第七机械工业部第二研究院第26研究所，从事火箭导弹空气动力学研究、试验、设计，先后任技术员、工程师。1980年转入中国航天工业部第二研究院第四总体设计部，先后任高级工程师、研究员。1993年应俄罗斯原喀山航空学院校长G·L·Degtyarev教授和科学家T·K·Sirazetdinov院士邀请赴俄罗斯讲学。中国航空学会和中国宇航学会会员，中国计算物理学会第三届、第四届理事。俄罗斯《PROBLEMSOFHUMANRISKS》杂志编委。

热能动力工程论文范文

关键词：传热学;教学改革;课程建设;创新能力

中图分类号：G642.0文献标识码：A文章编号：1007-0079（2014）33-0071-02

面对社会对人才培养的需求，2012年普通高等学校本科专业目录将建筑环境与设备工程专业、建筑智能设施（部分）、建筑节能技术与工程三个专业合并，调整为建筑环境与能源应用工程专业[1]。建筑环境与能源应用工程专业是工学土木类4个本科专业之一，与土木工程、建筑学、环境科学与工程、能源与动力工程等专业交叉，专业范围扩展为建筑环境控制、城市燃气应用、建筑节能、建筑设施智能技术等领域。

在“重基础、宽口径”的形势下，夯实基础、凝练特色、优化课程体系成为专业教学改革的核心问题之一。辽宁工业大学建筑环境与能源应用工程专业作为辽宁省普通高校本科重点支持专业，经过多年的发展，形成了“夯实专业基础、强化工程实践、注重创新、培养专业素质高和实践能力强的应用型工程技术人才”的专业特色。笔者所在的传热学课程教学团队在课程内容体系、教学方法改革等方面不断探索、实践。本文以辽宁工业大学建筑环境与能源应用工程专业为例，从传热学的课程定位出发对课程内容优化、案例分析的运用、新成果的吸纳、师资力量建设以及教学方法改革措施等进行探讨。

一、课程描述

1.在培养方案中的定位

传热学是建筑环境与能源工程专业的一门主干专业基础课[2]，它建立在专业基础课工程热力学、流体力学之上，主要讲述建筑环境与能源应用工程专业所涵盖的暖通空调、供热工程、制冷技术、锅炉房工艺与设备等工程技术中共同的热量传递规律的科学。学生通过传热学课程的学习，可获得热量传递的基本理论、基本知识和基本技能以及传热计算的基本方法，培养学生的思维能力、分析和解决实际工程问题的能力，为学习后续课程打下必要的基础，并通过设计、实验、实习等实践教学的配合，掌握热工设备设计、提高能效等基本理论和方法，形成初步的工程实践能力。

2.与其他课程的关系

如果把本科生专业知识体系构建过程比作是教学生如何建造房子的过程[3]，那么基础课和专业基础课是教会学生如何打造房子基础的过程，专业课就是教会学生如何在基础上建造各种房子的过程。传热学作为一门核心的专业基础课，其本质是一门科学，内容相对稳定，每一个进步都会带来技术上质的变化。剖析传热学课程与其他课程之间的关系，探讨教学与学生认知过程的契合，是提高教学质量的基础。

（1）与流体力学和工程热力学课程的关系。流体力学和工程热力学是传热学的先修课程。学生通过课程的学习掌握热现象中物质能量平衡的关系及流体流动过程的力学性质和边界特点。通过基本概念、基本理论和实际应用，为学生进入建筑环境与能源应用工程专业课学习打下坚实的基础知识。同时，积极引导学生对物理概念、物理现象本质的理解，培养学生科学的思维方法。

（2）与暖通空调、热质交换原理与设备、供热工程、制冷技术、锅炉房工艺与设备等专业课的关系。这五门课程的共性问题包括热量传递过程、换热设备的类型及适用范围、换热器的设计计算与校核计算、换热过程的强化与削弱等，上述理论知识均涵盖在传热学的教学内容中。在传热学教学过程中，应概述其基本理论在其他专业课中的应用，并结合相关专业工程实例掌握传热学的基本理论，帮助学生正确理解传热学在专业课学习中的重要性。

（3）与认识实习和生产实习的关系。传热学课堂教学安排在认识实习实践环节与生产实习实践环节之间。认识实习环节帮助学生认识各类换热器的形式和功能，生产实习环节安排冷热源系统中换热器运行调试的相关内容，帮助学生巩固课程所学的理论知识，并将理论与实践相结合。

（4）与课程设计和毕业设计的关系。传热学为课程设计和毕业设计实践环节提供围护结构传热计算及各类换热器（如散热器、地埋管换热器、空气处理机组、一次网/二次网换热器、蒸发器、冷凝器、余热回收装置等）设计计算的基本理论和基本方法。通过实际工程案例的引入，使学生体会相关理论和方法的应用过程，帮助学生初步形成分析、计算与解决工程问题的能力。

二、课程建设

在专业课程体系建设中，如果每门课都片面强调自身科学的、系统的、完整的、严密的体系，势必引起专业培养方案学时的不适当膨胀。因此，将整个专业知识结构设计成为一个科学的、系统的、完整的、严密的体系，所涉及的课程服从整个体系的需要，可以使每门课程在专业知识结构中起到恰如其分的作用。在上述思想的指导下，围绕传热学课程建设提出了如下措施：

1.突出建筑环境与能源应用工程专业中传热学共性的提炼

在绪论部分引导学生认识传热学的任务、基本要求及在专业学习中的重要性。通过对传热学功能与作用的阐述，帮助学生在专业知识体系中恰当定位。传热学作为具有百年历史的经典学科，内容极其丰富，也早已自成体系，核心理论包括传热的三大基本理论模块――导热、对流和辐射，外延理论模块包括凝结、沸腾和质交换。课程理论性和逻辑性强，符合学生学习活动的心理逻辑。根据上述特点，以能量守恒定律为主线，串联起导热、对流和辐射三个理论模块，适当涉及到凝结、沸腾和质交换等相关外延理论模块。按照热量传递机理、传热过程计算方法、增强或削弱传热措施等方面归纳三类基本传热方式的共同性与区别，以及在建筑环境与能源应用工程领域的典型应用。

2.提高案例分析在课程内容中的比重

传热学理论分析较多，公式复杂且难以理解，因此在理论教学中通过典型案例来揭示抽象理论更容易被学生接受。可以通过授课中案例导入、小结中典型案例分析应用以及布置大作业等不同的方式开展，使学生深入理解基本概念、原理，并学习如何利用课程理论与方法解决实际工程问题。

3.适时吸纳本学科的创新成果

随着传热学学科的不断发展，许多新成果不断被应用于建筑环境与能源应用工程领域，这些新的知识也逐渐被引入到传热学教学中。例如微尺度传热学、生物传热学，以及螺旋折流板、双斜内肋管、微肋管等新型换热设备。对于本科学生而言，对这些新概念、新现象、新设备的认识和理解有时是比较困难的，但与专业应用关联起来可以有效拓展学生的视野，助力创新性人才培养。

4.加强教师知识和能力

通过学习和研讨，让相关教师具备坚实的传热学、工程热力学、流体力学理论基础;具有专业全局观念，了解专业人才培养模式与规格要求，清楚专业课程体系及各门课程、各实践环节在人才培养方面的作用，掌握所承担的课程与其他课程或教学环节的衔接关系;具有丰富的工程实践经验，理解工程实践对人才能力的需求;了解学科前沿和发展动态，具有工程新技术研发能力。

三、课程教学方法改革

以突出学生主体性和专业学习的实用性为原则，在传热学授课过程中综合运用了启发式教学、案例教学等方法，旨在激发学生学习兴趣、提高教学效果。

1.启发式教学

改变传统专业基础课面面俱到的灌输式教学方法，转向适合学生认知过程的启发式教学方法。从基本概念到原理运用再到技术分析，层层递进，由教师引导学生一起去思考、分析和讨论问题，让学生在主动思考中掌握新知识，同时锻炼运用知识的能力。下面以传热学中“导热微分方程”一讲为例进行分析。

该讲包含大量的偏微分方程，内容抽象，教师在讲授时将重点放在分析导热微分方程及其各项的物理意义、推导的理论基础、如何简化与应用等方面。结合本专业典型的墙体导热过程，提出工程应用问题，即“如何计算在温差作用下由分子热运动产生的热量传递”;引出解决方法，即“物理模型―数学模型―求解”求解数学物理问题的一般方法和应用“能量守恒定律与傅里叶导热定律”的基本原理;阐述导热微分方程推导过程，剖析各项物理意义，例如“为热扩散项，表征的是单位时间内从x方向导入与导出微元体的净热量”;导热微分方程的应用，设定不同的墙体导热工程情景与学生讨论方程的简化条件，例如“导热系数是定值、无内热源、稳态”等等，启发学生建立导热微分方程的简化形式与高等数学中Poisson方程、Fourier方程、Laplace方程等的联系。

用这样一种启发式教学方法，使学生不仅理解了教材中理论性极强的推导过程，还能够使学生清楚为什么导热微分方程会有非稳态项、扩散项、源项以及什么时候可以省略，同时引导学生利用高等数学中的相关知识求解简单的导热微分方程。这样，教学过程不只是简单地教材重现，而是教材的导读与深化。教材是从抽象的概念和原理入门，再落实到实际应用;而教学要从实际问题出发，引出解决问题的方法，逐步掌握正确的概念和原理，进而形成普适性的抽象理念，二者的思路方向是相反的。

2.案例教学

传热学是一门与工程实践紧密联系的科学，有许多从生产实际中抽象简化出来的案例。案例教学可以从两个角度进行，一方面以案例为切入点，引出相关的概念、原理、技术等，可使教学内容更容易被学生接受，例如在“非稳态导热”一讲中可选择高温铁锭退火的案例;另一方面以根据实际案例分析讲解例题，展示给学生如何利用概念、原理、技术等解决实际问题，做到“授人以渔”。例如在“多层平壁导热”一讲中可选择外墙外保温系统传热系数计算及优化为案例。通过案例教学帮助学生举一反三、触类旁通，在有限的学时内达到较好的教学效果。

3.实践教学

实践教学是知识传授、创新能力培养的重要载体[4]，也是传热学教学的重要组成部分。传热学中的实践教学主要体现在专业实验、课程设计、毕业设计三个环节。通过缜密的设计，建立三者之间的有机联系，减少部分验证实验和重复内容，适当增加创新性能力培养的相关内容，使学生尽快将专业知识应用与转化。安排必修实验教学8学时，其中基本型实验4学时、综合型实验4学时，开设选修创新型实验4个。供热工程、制冷技术、暖通空调、锅炉房工艺及设备等课程设计及毕业设计中涵盖了维护结构传热计算、各类换热器选型计算等。此外，鼓励学生参与专业教师的科研课题。通过产学研用的过程帮助学生完成感知、注意、记忆、理解、实践、创新的学习过程。

4.考核机制

课程的考核机制与课程理念是一致的，我们要考查的是学生对基本原理、概念和方法的掌握程度，而不是考查学生的计算能力。单一的闭卷考试模式已不适用，通过弹性的、多样的考核方式才能全面考查学生对概念的理解程度和分析问题的能力。笔者将传热学考核分为闭卷考试（60%）、实践环节（20%）、大作业（10%）和研究性学习（10%）四个部分。闭卷考试主要用于考查学生对课程的基本概念、基本理论和基本规律等基础知识的掌握程度，题目主要包括选择题、名词解释、简答题、计算题等，特别注意避免大段背书、背公式的情况。实践环节主要用于考查学生的动手能力、数据处理能力、团队协作能力等，通过专业实验操作及实验报告质量确定。大作业是案例教学的一部分，通过设计作业内容不仅训练学生对知识的运用熟练程度，还要训练学生的独立思考能力。研究性学习包括选修创新型实验、参与科研课题等形式，将其纳入到考核内容中来，可以调动学生学习积极性和主观能动性，为创新能力的培养提供平台。

5.双语教学

双语教学外语教学与学科内容相结合的体现，顺应高等教育国际化的需求。主讲教师国际化的教育背景为双语教学提供了条件。根据课程的内容、难易程度等因素，笔者选择了“绪论”、“太阳辐射”两讲开展了双语教学。学生对该教学方式比较认可，认为有利于理解专业术语、有利于国际交流和继续深造、学习有挑战性、课堂气氛活跃等，希望增加双语学习的机会。

四、结语

传热学是建筑环境与能源工程专业专业基础课的一枚基石，是学生解决工程实际问题的知识源泉。随着学科的不断发展、专业方向的不断调整，社会对专业人才需求的不断变化，类似传热学这样的专业基础课程的教学改革势在必行。只有在课程建设与教学方法改革的实践中不断摸索、研究和总结，才能使教学体系更科学、结构更合理，不断提高学生的基础知识储备水平，增强学生解决专业实践问题的能力，进而满足社会对人才培养质量的要求。

参考文献：

[1]高等学校建筑环境与设备工程学科专业指导委员会.高等学校建筑环境与能源应用工程本科指导性专业规范[M].北京：中国建筑工业出版社，2013：1-2.

[2]付祥钊，康侍民，卢军，等.培养建筑环境与设备工程通识型人才的探索[J].高等建筑教育，2008，17（6）：30-34.