215教育現代化·2018 年 12 月第 49 期 教育信息技術 基于 MATLAB 的傳熱學課程虛擬實驗軟件的開發 周永利，李友榮，石萬元，張力元，楊晨，卞煜，王國強，李俊，包鍵 ( 重慶大學 低品位能源利用技術及系統教育部重點實驗室，重慶 ) 摘 要：針對能動類專業的教學特點，開發了一套基于 MATLAB 的傳熱學課程虛擬實驗，實驗設計主要通過模型的建立及程序的編輯來實現，該軟件已經獲得軟件著作權。實踐教學表明：程序簡單易學，人機交互界面友好，為傳熱學課程增添了一項新的教學手段，豐富了課堂教學內容。 關鍵詞：MATLAB；傳熱學；虛擬仿真；實驗教學 本文引用格式：周永利 , 等 . 基于 MATLAB 的傳熱學課程虛擬實驗軟件的開發 [J]. 教育現代化 ,2018,5(49):215- 217,228. 基金項目：　 重慶市研究生教育教學改革研究項目資助(yjg173027)；重慶大學教學改革研究項目資助(2017Y47,2017Y43)；2017高等學校能源動力類新工科研究與實踐項目 (NDXGK2017Z-21)；重慶大學實驗教學項目建設立項項目 (2017S29)。 作者簡介：　 周永利，男，博士生，工程師，主要從事有關分布式能源方面的教學和科研工作。 MATLAB是一種廣泛應用于工程計算及數值分析領域的新型高級語言，自1984年推向市場以來，歷經三十多年的發展，現已成為國際公認的優秀工程應用開發環境。MATLAB 的基本數據單位是矩陣，它的指令表達式十分簡潔，用MATLAB來完成相同的事情比用 C 和 FORTRAN 等語言來做要簡捷得多。近年來在國內很多高校中，MATLAB已經成為基本的教學工具，有些院校針對通訊原理 [1]、數字信號處理 [2,3]、自動控制原理 [4,5]、材料力學 [6] 和現代控制理論 [7] 等課程開發了相應的仿真實驗，而對于傳熱學而言，國內鮮有報道基于MATLAB的傳熱學課程虛擬仿真實驗，在國家大力支持國家級虛擬仿真實驗教學中心建設的時代背景下 [8]，開設傳熱學相關虛擬仿真實驗對學生的課程學習及今后的研究工作都有一定的意義。 傳熱學是一門研究由溫差引起的熱量傳遞規律的科學，就物體溫度與時間的依變關系而言，熱量傳遞過程可區分為穩態過程和非穩態過程，各熱力設備在持續不變的工況下運行的傳遞過程屬于穩態過程 [9]。求解穩態導熱的方法主要有理論分析法、實驗法和數值求解法，由于理論分析法和實驗法僅僅只限于某些特殊的情形，對于多維、幾何條件和邊界條件都較復雜的情形往往采用數值求解的方法。本文主要介紹基于 MATLAB 的傳熱學課程虛擬實驗軟件的開發。 一 二維導熱的數值求解 (一) 數值求解的基本步驟仿真 (simulation) 是以相似性原理為基本原則， 利用物理或數學模型來類比模仿現實過程，以尋求對真實過程的認識，從而達到認識和改造實際的目的。仿真建立的數學物理方程一般通過計算機來進行數值求解。其基本求解過程如圖1所示。基本思想是把原來在空間與時間坐標中連續的物理量的場(如溫度場、速度場及濃度場等)，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之間關系的代數方程，并進行求解，從而獲得離散點上被求物理量的值 [10]。 圖 1 物理問題求解的基本過程 (二) 二維非穩態導熱數值解法實例 本文以二維非穩態導熱為實例，穩態作為非穩態的一個實例這里不作贅述。假定有一無內熱源正 DOI：10.16541/j.cnki.2095-8420.2018.49.071 216 教育現代化傳媒