[关键词]建构主义探究式仪器分析互动教学改革
[中图分类号]G642.0[文献标识码]A[文章编号]2095-3437（2015）07-0134-03
党中央、国务院早在2006年就做出建设创新型国家的决策，其目标是到2022年，使我国的自主创新能力显著增强。建设创新型国家，关键就是要培养自主创新能力的人才。人才的培养关键在课堂。大学生四年时光大部分都在课堂度过。因此如何通过课堂教学培养自主创新能力的人才是关系到创新型国家目标能否实现的问题。只有源源不断地培养造就大批高素质的自主创新能力的人才，才能实现中华民族伟大复兴。
著名教育家叶圣陶先生曾经说过“教的目的是为了不教，教学的最高境界就是不教”，即学生能够进入这样一种境界：能够自己去探究，自己去辨析，自己去历练，从而获得正确的知识和自主创新的能力。[1]传统的教学模式是“老师讲学生听”，这种单一的教学模式培养出来的学生，往往缺乏推理能力、口头表达能力、自主创新能力、独立思考能力及主动探求知识的能力，也达不到素质教育所要求的全面培养学生能力的教学目的。[2][3]建构主义理论教学模式强调知识的自主建构，教师充当引导者。探究教学模式是将科研究引入课堂，以探索、研究为主的教学活动，是在教师的精心设计及指导下，学生探究知识、提高学生能力的教学方法。[4][5]互动教学是把教学过程看作是一个动态发展着的教与学统一的交互影响和交互活动的过程，是通过师生互动，以产生教与学的共振，达到提高教学效果的一种教学结构模式。课堂上只有把这些教学模式有机结合起来，课堂教学才丰富多彩，才能唤起学生的好奇心的天性、兴趣的本能及探究的欲望。
我国西部的民族大学，学生大多数来自少数民族聚居的边远山区，并且很多学生享受了少数民族录取的优惠政策，基础更是薄弱。这些学生由于长期受西部闭塞边远的山区聚居环境的影响，思维能力、推理能力存在缺陷，独立思考能力较差，更谈不上自主创新。笔者根据少数民族学生的特点，并结合仪器分析专业课程的特点，在教学过程中采用两种教学方法：一种是采用传统讲授的形式进行教学;另一种是采用建构主义理论为指导，并融合探究及互动模式进行教学。笔者在教学方法、形式、内容等方面进行了一些探索与改革，以期为仪器分析课程教学工作者，特别是西部少数民族学生聚居的学校提供一定的参考。
一、实施方法及过程
（一）参与对象
本研究采用基础相似的化工专业两个本科班进行仪器分析课堂教学实验。化工1班（38人）采用传统方法进行讲授，36课时新课讲授+2课时复习;化工2班（39人）采用建构主义理论为指导并融合探究及互动模式进行教学，也是36课时新课+2课时复习。中间设置段考2课时，每班总共40课时。
（二）建构主义理论融合探究及互动的教学模式设计及实施过程
1.课前布置学生预习相关内容，建立自主建构的基础
建构主义认为，知识不是通过教师传授得到，而是学习者在一定的情境下，利用必要的学习资料，根据已有的知识经验主动建构新知识的过程。因此老师在课前布置学生复习与课堂教学相关的内容，这样才有利于帮助学生自主建构及科学探究。少数民族大学的学生基础一般都较薄弱，建构及探究的能力比较差，所以在教学过程中时必须根据这些学生的特点，先要求学生课前复习与之相关的内容。如学习原子发射光谱法时，先要求学生课前复习无机化学中分子轨道理论、电子跃迁等概念，随后的课堂上，学生建构及探究原子发射光谱的产生的原理等新知识就会水到渠成;在学习电位分析时，要求学生课前复习物理化学中相关章节及相关内容，如电化学部分等;同样在学习紫外光谱分析时，要引导学生课前复习分析化学中可见光谱分析章节中的相关知识点。学生在复习电解池组成、电极电位、能斯特方程、电磁辐射、摩尔吸收系数等概念，在课堂上自主建构及探究电位分析法及紫外-可见吸收光谱的基本原理及测量方法等新知识就有了扎实的基础。
2.在探究情景中进行建构，在建构互动中科学探究
建构主义教学强调让学生置身于某种特定的教学情境之中，这种情境是由教师来设计并引导，学生一旦关注并感知情境，就会发现问题并诱发探究的欲望。因此，教师应从学生已有的知识点出发，精心创设教学有趣的探究情境。在此基础上引导学生开展一系列知识建构活动，如猜想、分析、推理论证、讨论交流、演绎推理、总结概括、得出结论等等。例如在学习高效液相色谱分析法时，首先要从气相色谱已有知识点出发，气相色谱的流动相为气相，要把被分析的组分全部气化，那么就要把热易分解的物质如何分离分析作为探究问题的情景。学生通过已有的知识点感知气相色谱不能分析热易分解的物质，而要分离分析热易分解的物质，就要探究用“不需要加热的色谱”来分离分析热易分解的物质。经过学生的分析、推理论证、讨论交流、总结概括，对假设进行检验或推理，发现只能液体作流动相，从而建构高效液相色谱新知识。在课堂上要让学生围绕这些探究性问题进行一系列知识建构活动，课堂上互相鼓励，相互补充，激烈辩论，畅所欲言，敢于发表自己的看法。在这种探究、建构与互动活动中，学生不但建构了高效液相色谱新知识，而且其思维推理能力、口头表达能力、创新能力、自我决策及主动探求知识的能力也在不知不觉地提高。这种由教师设计的情境和引导的探究，使学生获得的知识及能力是单纯地灌输的教学无法比拟的。
3.在原有“最近发展区”探究中互动，建构新的“最近发展区”
在课堂探究中要帮助学生循序渐进突破原有的知识点“最近发展区”，进入新的“最近发展区”。新的“最近发展区”是从前面已有知识为基础发展而来的，但从原有“最近发展区”过渡到新的“最近发展区”有一个过程，教师通过课堂教学要“察言观色”，观察学生的表情与表达，通过课堂问题探究与互动，循序渐进地把学生引入新的“最近发展区”，从而引导学生向更高层次发展。这样才能使学生自主探究学习的能力达到一个新的发展水平。如在学习高效液相色谱分析法时，原有的知识点“最近发展区”气相色谱是组分气化后在色谱柱中进行分离，可通过问题突破原有的知识点“最近发展区”。提问：热易分解的物质如何分离？这样，学生很容想到热易分解组分不能用气相色谱分析，必须在常温状态下进行。再问：常温状态下还能用气体作流动相吗？这样，学生很容发展到新的“最近发展区”――用液体作流动相――液相色谱。问：在设备上使用气体作流动相的设备行不行？学生很容易探究到原有的设备行不通。教师又问：流动相液体怎么储存？流动相液体怎么进入色谱柱？气相色谱的检测器可用于高效液相色谱吗？一连串的问题探究中，既从原有气相色谱“最近发展区”建构了高效液相色谱新的“最近发展区”，又培养了学生的科学思维能力与自主探究能力，并拓展了学生的知识面和发现新问题的能力。
4.在建构、探究与互动教学活动中，特别关照沉默寡言者
民族大学的学生大多数主动性较差，很多学生喜欢沉默不语，最多摇摇头或点点头。在建构、探究及互动教学活动中，教师应重点关照那些思维能力较弱、沉默寡言的学生，在课堂要对“沉默是金”进行否定，对踊跃发言的学生进行表扬，肯定大胆质疑。为了使每个学生都参与教学活动，将期未总成绩与平时课堂中学生的表现挂钩，这样促使每个学生在参与课堂教学的活动中动口、动脑，在快乐学习中学会推理，学会创新，发现规律，使习惯沉默者不再“沉默”。这样，各层次水平的学生都会得到尽情地发挥，每个学生都能体验到建构、探究与互动的教学活动的成功与快乐。
二、结果和讨论
化工两个教学班段考及期末考核成绩如下表1所示：
由表1可以看出，两种不同的教学方法得到不同的考核成绩。运用建构主义指导下的探究与互动式相融合的教学模式的化工2班的成绩明显高于运用传统讲授法的化工1班的成绩;两班段考平均成绩相差还不是很大，但到了期末两个班的平均成绩相差八分之多，并且及格率相差高达十三个百分点之多。这说明学生学习仪器分析课程开始时，不管采用何种教学方法，对其学习热情及逻辑思维与推理能力提高的影响不是很大，因为学生适应一种新的教学方法也还需要一个过程，但当老师长期采用传统的“满堂灌输”的授课模式进行授课，学生就会感到越来越枯燥无味，最后导致厌学，成绩越来越差，从而导致期末成绩与及格率大幅度下降。因此只有在教师长期的精心设计的探究性问题及互动情境中去进行认知建构，学生才能变成教学中的真正的主体，才能有兴趣地自主探求知识，并用不同的思维方式去探求问题，解决问题，最终表现为学生创造性地解决问题。学生在长期推理问题的过程中，逻辑思维与推理能力自然得到提高，从而获得较好的期末考核成绩。
三、结束语
课程教学方式的改革对于自主创新能力的人才培养具有重要作用。为此，我们在以学生为中心、以能力培养为目标的理念下，针对传统的单调的“灌输”教学方式，对仪器分析课程进行了初步改革实践与探索。我们在课堂教学中不断地探索出新的教学方法及教学手段，我们的改革思路是让学生变成问题的探究者，使学生真正成为学习的主人，并在多样化的教学方式中学习、进步，而不是让学生仅仅“聆听”老师的教诲。只有这样，才能把西部民族大学的学生培养成既具有扎实的理论基础知识，又具有较强思维推理能力、自主创新能力的专业人才。
[注释]
[1]于学东.“教为不教”理念在高职思想政治理论课教学过程中的实践研究[J].教育与职业，2010（21）：135-136.
[2]张立峰.提高大学生数学素质的研究与实践[J].大学教育，2013（12）：41-42.
[3]周红锋.物理教学中素质教育实施初探[J].大学教育，2014（1）：39-40.
关键词：智能建筑；热源自适应；节能控制；策略探究
建筑产业不断发展的过程中，智能建筑和绿色建筑的理念逐渐被人们接受和认可，智能建筑业也成为当今建筑发展的最终产物。智能建筑概念最早由美国人提出，1984年1月，美国联合科技集团的UTBS公司在康涅狄格州哈伏特市建成了世界上第一座智能大厦，在这座建筑中，客户不必自己添置设备，便可获得语言通讯、文字处理、电子邮件、科学计算和情报资料检索等服务。此外，大厦实现了自动化综合管理，楼内的空调、供水、防火、防盗供配电系统等均由电脑控制，使客户真正感到舒适、方便和安全。由于智能建筑本身集计算机技术、自动控制技术和通信技术等为一体，在现阶段的发展速度较快，同时经济建设的进步也为智能建筑的发展提供了保障。进入新世纪以后，需要对国家多年发展智能建筑的经验进行总结，在面对公共建筑和住宅建筑的过程中时刻保持科学的态度，不断加快智能化建设，提高与智能建筑技术相关设备的稳定性和可靠性，保证正常使用，实现节能能耗、保护环境的目的。针对住宅建筑而言，需要在建设过程中充分考虑居民的居住要求，从实际出发，为未来建筑功能的拓展保留充足的余地，在经验总结和技术完善的过程中促进智能建筑的发展和进步。
1热源节能在智能建筑中的重要作用
经济建设不断发展的过程中，城市居民在建筑类资产方面的投资不断增多，很大程度上提高了建筑产品的需求量，但是在目前能源危机问题日益突出的同时，国内在建筑行业中的热能利用率较低，主要原因是建筑热能利用方面报文隔热措施和气密性措施不到位。热能利用率较低的问题也加快了空气中二氧化碳的排放量，温室效应加重，气温升高，冰川消失，土地的沙化问题逐渐加重，缓解建筑中热源能耗问题迫在眉睫，为了解决这一问题重点从以下几个方面入手。(1)降低建筑内部的能耗；(2)开发天阳能等可再生能源；(3)在充分利用能源的过程中保证建筑本身的功能优势得到发挥，以满足人们的日常能源需求。建筑行业中能源问题涉及的领域较多，智能建筑更是多种专业化技术完美结合的实例。针对建筑采暖热源控制问题，需要在保证健康、安全和舒适的前提下，对热源系统的启动和关闭进行严格地控制，最终实现能源节约的目的。从19世纪中叶开始，自适应控制系统被应用于建筑领域中，近年来各种与自适应控制系统相关的软件也获得了应用，很大程度上加快了智能建筑中热源节能技术的发展。
2智能建筑中集中供热自动控制方法
集中供热自动控制的过程中需要明确整个采暖系统的热负荷，热负荷计算时需要先弄清建筑物的总体耗热量，热量的计算必须以稳定传热为基础。因此，集中供热自动控制需要重视建筑物外墙和屋面等结构的特性，任何点位的温度和结构内外空气温度保持恒定，室内外空气温度昼夜变化较大，因此需要结合这些气温变化特点对室内采暖系统进行设计和控制，调节采暖房间内散热器的散热量，保持室内有舒适的温度，降低室内热量较高带来的热量浪费问题，提高热能的利用效率。在集中供热系统中，可以应用改变温度的方法实现对供热量的调节，这种方法也被称为质调。应用改变热水流量的方法实现对供热量的调节，这种方法也被称为量调。通过对放热时间的调节实现对热量的控制，这种方法也被成为间歇调节。这3种方法在集中采暖系统热量控制过程中较为常见。由于实施控制的位置存在差异，一般将供热量的控制方法分为个别调节、局部调节和中央集中调节3种。其中个别调节是指在用热设备和机组设备上直接进行热量调节，局部调节在供暖系统管道中或者某一区域内进行调节，中央集中调节是在在援用的热源上实现对热量的控制。中央集中式调节过程中需要重点考虑不同热工况的影响因素，可以在明确室外温度的基础上掌握热量的供应和需求信息，初步实现调节。局部调节过程中需要重点考虑不同区域的供热特性，实现对中央集中调节的补充。单个别调节需要结合热设备使用对象提出的具体要求进行后续的补充调节[1]。间歇供热调节方法一般应用于室外气温较高的环境中，也可以实现对中央集中式调节的补充。调节方式在选用的过程中需要重点考虑建筑物本身的结构和功能，明确建筑物对采暖工程提出的主要卫生要求，发挥出采暖系统的经济性，考虑热媒对不同控制过程的影响。
3智能建筑中热源自适应节能控制
3.1温度分布控制
很多集中建筑物的供热系统中存在一个重要的问题，即建筑物内部的温度分布并不十分均匀，不同位置热量获取和传输过程中很容易受到外界环境条件的影响，导致整个建筑物内部热量存在较大偏差。为了提高建筑物内部舒适性，避免寒冷地区建筑内部出现严重过热的问题，可以在实际建筑结构内部应用三通阀代替传统的分布阀，实现对不同开关控制的操作。三通阀的应用可以将建筑物内部的供热系统分割成不同的可以独立运行的热区域，但是应用三通阀的缺点是只能进行局部调节，很难实现不同区域内热量的协调，也无法准确控制热源的供给，最终出现能源浪费问题。
3.2自动控制策略
集中供热系统控制过程选用质调、量调和间歇性调节3种自动控制方法。质调过程中需要对供水温度进行精确的控制，从事实现对供热量的口供纸；量调过程中调节水流量实现热量控制；间歇性调节过程中需要实现对放热时间的控制，改变热量的大小。其中，间歇性调节在智能建筑热能控制过程中应用较为广泛，现以间歇性调节的应用为例进行分析。图1是热源系统间歇性调节的操作方式。这种热源系统间歇性调节的操作方法建立在对供热系统全面分析的基础上，在实际操作的过程中需要明确热源的启动和关闭，以最大限度地降低能量消耗，针对建筑物内部而言，需要将温度控制在期望温度范围值内[2]。智能建筑应用过程中会表现出明显的动态特性，动态特性的体现主要与建筑物的整体结构外部环境因素相关，由于外部环境中存在多种不确定因素，对建筑物动态特性的分析将十分困难。正是由于建筑中多种不确定因素的存在，为自适应控制技术的选择提供了可靠的依据。针对建筑物中供热系统和外部环境而言，它们对温度的影响都将表现出缓慢的滞后特点。作为一种新的现代化控制系统，自适应控制方法可以结合实际控制对象相关的环境特点和多种影响因素，可以方便实现对控制系统辨识能力的优化，降低外界因素对系统控制的影响，实现自校正，可以被广泛应用于模型分析和干扰变化缓慢愈合的情景中。在以上理论分析的基础上，可以应用自校正调节控制的方法，在系统中引入温度预测模型，可以借助最小方差的递推算法实现对温度参数的有效辨识，在热源控制过程中采暖过程中不需要事先知道物理参数，这一技术优势使得该调解控制方法被广泛应用于集中供热系统中。
3.3智能建筑中热源自适应节能控制模型
结合热力学第一定律可以知道，不同形式的能量在传递或者转换的过程中守恒，基本公式为=+，其中表示内能的增量；表示系统与环境交换热，吸热为正，放热为负；W表示热能对外做的功。热量具有可传递的特征，该定律说明热量从一个物体（系统）传递到另一个物体（系统）时，能量的总值保持不变，热力可以转变为功，功也可以转变为热，热能消失时，也必定会产生相应的功。理论分析与实际温度测量系统表现出较高的一致性，研究过程中也很容易明确整个热力系统的结构和动态变化规律，可以将所有的热传导现象看作是线性的，循环水系统中存在一部分热量，这部分热量可以被忽略，与建筑外墙的储热量相比，建筑内墙和分隔楼板的储热量较高。由于热源系统和建筑物本身都存在一定的热惯性，因此在建筑产品使用之前需要留有一定的预热时间，控制过程中最好在预热时间内启动热源系统，建筑产品使用的过程中可以实现对内部温度的控制，保证居住者的体感达到较为舒适的水平。针对预热时间而言，需要重点考虑3个因素：（1）建筑物本身的热特性；（2）建筑物内不得蓄热特性；（3）热源系统的实际工作状态。所有的起始控制器工作过程中都需要明确预热时间，如果预热时间估计过高，将会造成较多的热量浪费；预热时间估计过低将对导致在应用的初期就觉得舒适感降低。建筑物热源系统控制过程中需要重点明确热源自适应系统的时间，明确其中重要的热惯性特点，建筑物内部的房间需要有一个启动热源系统，在使用之前给定精确的预热时间，在这个时间段内开启热源系统，保证居民在使用房间时体会到内部温度带来的舒适感[3]。一般情况下，预热系统的时间控制需要重点考虑3个方面的影响因素：第一是建筑物本身的特点，而预热特性的分析需要建筑里建筑物本身的特性上；第二是建筑物本身的蓄热量，建筑物内部的蓄热量与建筑物本身的结构特性有较大的关联，为了避免温度过高或过低，需要重点体现出建筑物的储热稳定性能；第三需要及时汇报热源系统的基本概况，为热源系统的稳定运行提供可靠的基础，便于发现问题后及时解决，保证热源系统的正常运行。图2是区域内热源微机监控和系统控制的基本原理。该控制过程中选用两级计算机控制方法，第一级为对设定值的控制和监督，在这个过程中实现信号的收集和命令发出，之后借助系统数学模型的计算和处理得出最可靠的值。自适应控制器可以实现模型给定值和测量值之间的比较，同时实现对数字化参数的控制和计算，参数经过数模转换后送入到执行机构完成调节。应用这种自适应可供至系统结合实际情况对调节功能进行优化，机器中赋值后提高控制过程的安全性地及时性，机器出现使用故障的概率较低，系统功能实现的过程中可以借助多个控制器，整个系统的节能控制也就实现了。
4结语
智能建筑是现代建筑发展的最终产物，在目前能源短缺的大北京辖区，智能建筑中的节能控制方案成为业界研究的热点。传统建筑中突显出能源浪费问题，建筑行业对能源的综合利用效率提出了更高的要求。文章以智能建筑为例，在论述热源节能重要意义的基础上，分析了集中供热自动控制系统，探讨了建筑中热源自适应节能控制的方法，可以为建筑行业能源的有效利用提供借鉴。
参考文献
[1]周成建.智能建筑中的热源自适应节能控制[J].西安建筑科技大学,2011,14(2):102.
[2]温东飒.智能建筑中热源自适应节能控制分析[J].华北电力大学学报（城市建设和规划),2013,33(18):228.
【关键词】热网；变量；优化设计；周期供热量；热力平衡
目前热网的有关技术的研究不断深入,但是热网的优化设计、可靠性分析、参数辨识和热网的故障诊断等方面的研究仍旧是热网研究中的薄弱环节。目前的热网研究中,基本上都是将热网中的物理量如管道阻力数、热用户负荷等作为确定性变量进行研究,但实际上热网中的物理量大部分都具有不确定的特点,这些物理量的不确定性会影响热网的设计计算和运行工况分析的结果,目前在热网中尚没有开展这方面的研究。本文着重研究热网中的管段阻力数和热用户负荷的随机性导致的其他变量的不确定性问题,以及研究考虑热用户负荷、热用户资用压头和管段阻力数的随机性热网优化设计方法。
基于概率论和网络图论的有关理论,本文首先求解热网中管段流量和节点压力对管段阻力数一阶导数矩阵,这是进行随机性影响分析的基础。利用Taylor一阶近似的方法研究管段阻力数的随机性所导致的管段流量和节点压力的随机性问题,研究表明采用Taylor一阶近似的情况下,管段流量和节点压力服从正态分布。求解管段流量和节点压力的方差和数学期望,并给出在一定置信度条件的管段流量和节点压力的置信区间。结合算例分析了管段阻力数的随机性对管段流量和节点压力的具体影响。为了提高热网变量随机性影响分析的精度,利用Taylor二阶近似的方法分析管段阻力数的随机性引起的管段流量和节点压力的随机性问题。
首先在热网管段流量和节点压力对管段阻力数的一阶导数矩阵基础上,推导出二阶导数矩阵的表达式。利用蒙特卡洛方法对各管段流量和各节点压力进行随机抽样,并使用SPSS软件和偏度、峰度方法对其进行正态性检验。结合算例研究了Taylor一阶近似与二阶近似的差别。除研究热网管段阻力数的随机性影响外,本文研究了用户热负荷的随机性对管段流量和节点压力的影响。求解管段流量和节点压力对节点流量的一阶导数矩阵,利用Taylor一阶近似的方法分析由于热用户流量的随机性所导致的热网管段流量和节点压力的随机性问题。结果表明在Taylor一阶近似时,各管段流量和节点压力服从正态分布。在此基础上求解他们的方差、数学期望及在一定置信度条件的置信区间。结合算例分析热用户负荷的随机性对管段流量和节点压力的具体影响。在混沌理论和传统的遗传模拟退火算法基础上,提出一种基于混沌理论的改进模拟退火算法,用于进行热网确定性优化设计计算。
结合算例的分析表明,与传统模拟退火算法相比较,新算法在保证算法性能的同时,大大减少算法的运行时间,提高了效率。考虑单个变量随机性的热网优化设计方法,以热网的年折算费用为目标函数,分别建立考虑热用户负荷、热用户资用压头和管段阻力数的随机性的热网优化设计模型,并分别给出了模型具体的求解方法。利用模糊综合评价的方法确定了考虑热用户负荷随机性的热网优化设计的最优置信度水平。利用所提出的考虑单个变量随机性的热网优化方法对算例热网进行优化设计,并与确定性优化设计结果进行比较,分析了影响热网优化设计方案的因素。本文最后研究同时考虑热用户负荷、热用户资用压头和管段阻力数三个变量随机性的热网优化设计方法,建立优化模型并进行求解。结合算例热网,研究考虑多种随机性变量条件下的热网优化设计方案与确定性优化设计、考虑单个随机性变量条件下的热网优化设计方案的异同,分析了各随机变量对热网优化方案的影响程度。本课题主要结合图论研究热网变量随机性及热网的随机规划理论,是一项基础性的研究,该研究内容不单纯为热网的水力工况分析、优化设计服务,而且为热网系统辨识的研究提供了条件。
把计算机监控系统技术应用于城市热网的运行管理搭建了具有时代特征的科学化管理平台。在这个平台上，既可以实时总览热网当前运行参数的全局分布又可以利用采集数据计算分析室外温度及系统供热量变化趋势，定期作出整体运行规划，指导运行并实现自动控制。因此，建立适应这个平台的理论方法和具体操作方法就成了有效利用这个平台的关键。本文提出依据“周期供热量”调节热网平衡的方法，就是利用这个平台，依据及时、丰富、可靠的数据信息，对全网进行随时的量化分析，系统而准确的把握供热的规律并行之有效的实施科学管理。
然而，困扰热网运行管理的难题是全网的热力平衡问题即热量平衡问题。一个热力严重不平衡的系统会导致大面积的过冷和过热现象发生，并进而演化成为供热部门在承受社会投诉巨大压力的同时，还要承受不计成本通过加大热源投入解决过冷带来的巨大经济压力。因此，城市供热首先就是要解决好热网的平衡管理。
分析我国目前约15亿平方米集中供热的现状，其中大系统供热的特点非常突出，每一座供热系统，供热面积动辄数百万平方米，并且拥有数十个热力站。因此，管理这种大系统的热网就不能简单套用那些来自北欧先进供热国家在其小系统上创造的经验。更不能套用小系统热力站目前使用的独立运行管理方法。依据“周期供热量”调节热网的管理方法是一个针对由热源-热网-热力站-热用户组成的大型热网的全网统一规划管理的方法。它在强调了依据“周期供热量”调节各热力站实现全网热力平衡大局稳定的同时，实际上也明确了：在实现各热力站热力平衡大局稳定的基础上，各热力站的局部问题局部解决，实现热源跟随室外天气变化的趋势动态调节的科学供热，做到层次分明，运筹有致，进而达到经济运行的目标。
用“周期供热量”调节热网平衡方法的原理，首先基于线性系统理论的城市供热过程分析。城市供热的基本特点是它的周期性，气温是日复一日的昼升夜降的循环变化过程。除冷、暖气流突然侵袭的短暂气温突变过程，整个取暖季的气温变化是一个一天天缓慢变冷又逐渐转暖的平稳降温和升温过程。因此，由宏观环境条件决定，供热过程在任何一段相邻的几天里都可以近似认为是一个周期供热过程，并且其供热量调整幅度主要是依据昼夜温差的变化。而初末寒期到严寒期的室外温度变化是以渐变的形式调整着这个周期过程平均值的变化。因此我国城市集中供热最显著的特点就是它的建设规模巨大，一座供热面积数百万平方米的中型热网，通常拥有数十个热力站和复杂而庞大的地下和地上管网连接千家万户。但是由于供热依靠热水流动传送热量，因此热网规模巨大的特点就导致了距离热源远近不同的热力站和热用户接收到热源供热量变化过程存在着明显的延迟时间差别。给定的供热量变化过程有可能在长达数小时后才能转变为末端热用户的室内采暖过程。当然，由于供热的连续进行和热用户室温的热惯性，用户可能没有觉察到这个过程的发生。
根据线性系统理论分析供热过程，只要确定了描述热源到每个热用户间传热系统的性能，就可以在已知热源供热情况后确定对每个热用户的供热效果。在整个供热过程中，供热系统的作用就是热量的传输和交换两个主要内容。其中热量传输包括热源到热力站的传输和热力站到热用户的传输，这是一个依赖于热水在管道中流动速度的过程，表现为对远、近不同热用户具有不同延时时间的传热过程。而换热过程除管路上的微量分布散热外，主要是热力站的水-水换热和热用户家中暖气片的散热这两个集中换热过程。
因此，在不计换热器配置不合理、管网设计不合理及管道沿程散失热量等次要影响因素后，认真比较缓慢的传送热量过程和快速的换热过程，就可以得出：传送热量过程主导了整个供热过程。分析全部热力站和热用户就可以得出：热网规模巨大的特点演化成了各热力站（热用户）接收热源供热过程的时延量存在显著时间差异的特点。更进一步，当最大时延量和最小时延量之差增大到足够大时，各热力站之间的瞬时供热量就失去了可比性。因此依据瞬时热量平衡理念分析和管理各热力站（热用户）的热力平衡就难于操作，只能依靠温度平衡或流量平衡等单参数管理的办法间接管理热网，因而最终形成了大网热力平衡管理的难题。
根据热源供热量，以及热用户用热量也具有与热源相同周期函数的基本供热规律，在任何一个供热周期里，可以直接用以下累积量等式表达热源供热量与各热力站用热量的热平衡关系。对于合理设计和使用的供热系统，在任何一个供热周期的T时间段里，各热力站的累积用热量之和与多个热源累积供热量之和相等。该式还表明，这个等式成
立仅与从任何一个时刻向前追朔一个周期的累计热量有关,而与各热力站的延时特性及时延时间无关。用热力站一天中的单位面积供热量建立的热网热力平衡条件，这个热力平衡条件与热力站设备的选择以及热网运行的具体参数无关。通过分析基础上形成的用“周期供热量”调节热网平衡的基本理论方法，对于已经建立了完备的计算机监控系统的热网管理是可以随时应用的。而对于还没有装备计算机系统的热网可使用热力站的日报表参考使用。因此，依据这个热力平衡原理，可以对热网的热力平衡情况进行分析和调控，并且具有方便的可操作性。
用“周期供热量”调节热网平衡理论方法构建计算机监控系统的应用。对我国现行按面积收费的供热管理体制现状，供热系统调节均应以满足采暖建筑物基本采暖要求为前提，以尽可能减少总供热量为经营目标。为此，当热网热力平衡问题得到了解决之后，对热力站流量调节的过程就变成了定期检查和监控的过程（不需要经常调节）。因此，热网管理就变成了热力站重点解决辖区内个别不热户的局部问题，和热源跟随环境气象条件有序调控总供热量的大局科学化经济运行管理。
在热网计算机监控系统的全部硬件和软件建设中，我们全面启用“周期供热量”调节热网平衡的理论方法，并且可以概括的表述为：以可靠的热量计量为基础，全面测控各热力站一次网热量和全部二次网环路的热量；监控中心依据“周期供热量”的平衡情况调控各热力站一次网的平衡并且兼顾调节二次网各环路的平衡，把不热户划定在尽可能小的区域里，实现供热大局的热力平衡和供热效果稳定；并在此基础上，依据环境温度及部分热用户的实际供热效果对热源供热量进行预报规划和运行中的实时调节，达到经济运行的目标。
本文基于线性系统理论建立的调节热网平衡方法，对使用“周期供热量”调节热网平衡的基本原理进行了阐述，并且对这种方法的应用情况作了简单介绍，笔者认为在计算机监控系统技术已经全面得到应用的现代化供热管理上，进一步发掘这种方法的优点，会给我们城市供热带来新的突破。
关键词：计算机,传热学,教学改革
1引言
21世纪是科技高速发展的时代，新知识、新方法的不断涌现为高等教学事业的发展提供了良好的手段和机遇。《传热学》课程作为建筑环境与设备工程专业和热能动力工程专业的重要专业基础课程，它的课程体系和教学内容都相对成熟和固定，即使如此，我们也必须与时俱进，不断用现代科技手段改进课程教学的各个方面，使得它成为教学手段先进、充满吸引力的优秀课程。近年来，我们在计算机技术应用于《传热学》课程方面进行了探索和实践，取得了良好的效果。
2充分发挥多媒体教学课件的功能
在当今信息时代，知识更新的周期越来越短，大量的新知识、新思想不断涌现，为适应这种情况，新的多媒体技术应用于《传热学》课堂教学是大势所趋。因此我们必须将传统的教育思想转变为现代教育思想。免费论文参考网。为了培养厚基础、宽专业、强能力、高综合素质的人才，必须由传统的以教师、课堂、书本为中心转变为以学生学习、个体实践、信息交流为中心，要实现这一巨大转变是靠传统教学模式无法完成，只有采用基于多媒体先进技术的新教学模式、方法和手段才能得以实现。免费论文参考网。
2．1加大教学信息量，突破教学难点
《传热学》课程是建筑环境与设备工程专业和热能动力工程专业的主要专业基础课程之一，该课程的教学内容分为导热、对流和辐射三大模块，各部分相对独立，每一部分都有自己的知识体系与核心内容，理论概念较多，计算公式推导复杂、公式数量庞大，这使得教师的讲课时间紧张，形成了授课进度快、略去内容多时易造成学生跟不上教师思路，对基本概念、基本方法未很好理解其实质内容，而讲课进度慢时又不能完成预定教学任务的矛盾。应用多媒体教学可很好地解决这一问题。
多媒体教学具有信息量大，屏幕投影显示清晰、图文并茂、表达方便快捷的特点，我们在教学中充分利用了这一优势。例如对于非稳态导热中无限大平壁在第三类边界条件下导热问题，过去一直是传热课程重点和难点之一，应用多媒体教学时，讲授过程中我们将分离变量法的具体求解方法、温度通解中每一积分常数的具体求解过程都讲得很全面清楚，教师从写黑板的重复性劳动中解脱出来，着重在于讲清思路，讲清问题的重点和难点。用两小时轻松地完成了过去传统粉笔加黑板教学时三个小时都难以完成的教学任务。近两年来，在学校课堂教学时数总体精简的大背景下，我们用60学时仍然完成了教学大纲上规定的68学时才能完成的教学任务。
《传热学》课程中例题、习题的讲解也是教学的一个重要方面，我们应用多媒体教学可以在较短的时间内完成多个高难度、高综合性的习题的讲解工作，整个课程中课堂习题讲解数量有较大提高，拓展了学生的思路，也很好地提高了课堂教学的信息量和教学效率。
多媒体教学可有效突破教学难点，例如对于二维、三维非稳态导热过程，如何表达物体内的温度场让学生建立起温度分布空间的概念一直使师生感到棘手，我们利用多媒体课件信息容量大、表达形象具体、切换快捷的特点，用多幅类似于图1的立体图形来反复说明这个
问题，授课中与学生展开互动，启发课堂讨论，对此学生感到效果很好。教学中难题迎刃而解。
摘要：
为了分析地下水渗流作用下地埋管群的传热性能，基于移动有限长线热源模型解析解，结合叠加原理给出地埋管群在土壤中散热所引起的动态温度响应的解析解．对一个3×3顺排管群在土壤中的传热过程进行三维动态数值仿真，验证解析解的正确性．基于解析解研究地下水渗流作用下管群换热器连续和间歇散热所引起的土壤温度响应特征．结果表明：当间歇运行时，可缓解管群间的热干扰，使得土壤温升显著减小，即土壤温度得到一定程度的恢复．针对地埋管间歇散热的情况，探讨渗流速度和土壤热物性对土壤温度响应和恢复特性的影响规律．结果表明：渗流速度越大，土壤温度恢复的幅度越大，且土壤物性对土壤温度响应和恢复特性的影响也很明显．地埋换热管群所引起的土壤温度响应和恢复特性受地质状况和地下水渗流速度的综合作用影响．
关键词：
土壤源热泵；地下水渗流；间歇运行；叠加原理；地温恢复
土壤源热泵系统能够利用地下浅层热能实现对建筑的供热和供冷，因节能且环保受到世界各国的关注［1］．但是，热泵系统的节能效果取决于地下埋管换热器与土壤间的传热性能，与土壤热物性密切相关．地下水丰富的地区，渗流也会影响地埋管传热性能．已有文献［2－5］表明地下水渗流有利于埋管的散热，可强化地埋管的换热，忽略渗流的影响将会导致埋管设计长度偏大，使得初投资增加．而实际工程中建筑物的供冷／暖往往需要采用地埋换热管群．受可敷设地块面积的限制，各钻孔埋管间的热干扰不可避免，对整个热泵系统的长期运行性能产生一定的影响［6－8］．渗流可加强地埋管的释热和取热，有助于土壤温度的恢复，缓解热能在管群间的堆积，削弱热干扰的影响［9－10］．迄今，侧重于研究单竖井埋管传热模型的较多［11］，而关于管群的研究多是基于实测或数值仿真［12］，实测情况的物性参数的单一性及不可控性使得传热问题的分析难以给出规律性的结论，而数值仿真对计算机性能要求较高，模拟需要较长时间，因此大多是短时间运行状况的预估．对管群传热进行数学建模解析求解的相关研究尚较少．建立管群地埋管理论传热模型有利于对实际工程中大型地埋换热管群的传热性能进行准确的评估，以便确定最佳的管群运行策略，保证系统长期高效运行，也可为今后确定更合理的钻孔布置方案提供参考．本文基于可考虑渗流作用的单孔竖井外的传热模型及其解析解，辅以叠加原理构建成地埋换热管群的传热模型，采用MATLAB软件编程实现管群换热器的传热计算．探讨了连续和间歇运行模式对地下管群的换热效果的影响规律，通过研究埋管周围土壤的温度变化情况分析了管群中各钻孔间传热的相互作用，并分析了各影响因素对埋管间歇散热土壤的温度恢复特性的影响规律．
1管群外传热模型的建立
1．1移动的有限长线热源模型（MFLS）因垂直埋管换热器的钻井直径远小于其深度，故可简化为线热源在无限大介质中的传热问题．基于以下假设，建立单钻孔埋管在地下水渗流作用下的传热问题的数学模型：1）视土壤为半无限大各向同性的多孔介质，物性参数不随温度而变化；2）土壤表面温度恒等于土壤的初始温度θ0，并忽略垂直地温梯度的影响；3）竖井中的埋管可整体视为有限长线热源，单位井深的热流量为常数ql；4）地下水渗流视为一维均匀流动，u为渗流速度。
1．2基于MFLS模型的管群外传热模型在常物性条件下的管群外的传热问题可以利用瑞典的Hellstrom和Eskilson所提出的叠加原理［14－15］进行计算．以如图1所示的9个呈3×3顺排布置的管群为例加以说明．钻孔5的中心穿过x－y平面的坐标原点（0，0），各钻孔中心间距为3m．先计算出各钻孔中心相对于任意位置（x，y，z）的距离，将各钻孔均视为移动有限长线热源，计算出各钻孔在该位置所引起的温度响应，再基于叠加原理求得各钻孔在该位置所引起的总温度响应．
2模型验证
利用移动有限长线热源模型求解地下水渗流作用下单钻孔埋管换热器传热问题的准确性已得到验证［13］．而基于MFLS模型解析解，利用叠加原理所得到的管群换热器传热问题的解析解，尚待验证．通过数值方法求解质量、动量方程和能量守恒方程来模拟管群在有渗流的土壤中的散热过程，获得其周围动态的土壤温度场，与解析解得到的温度响应进行对比，以验证本文所建解析解模型的正确性.
2．1数学模型假设土壤为各向同性的多孔介质，渗流沿x轴正方向流动且速度均匀．控制方程通用形式。
2．2数值计算参数及设置选取40×60×100的立方体作为计算区域，在其中构建呈3×3矩阵排列的竖井群，简化表示竖井中的埋管为圆柱面热源，长度60m，底面直径为459645个网格，如图2（b）所示．对竖井外的计算区域设置等同于土壤的物性参数，即密度、比定容热容、导热系数、孔隙率及热扩散系数分别为ρ＝1500kg／m3，c＝2200J／（kg•K），λ＝0．98W／（m3•K），φ＝0．31和a＝0．7×10－6m2／s，初始温度设为288K．其热流通量为50W／m，则对应圆柱热源表面上恒定的热流密度为122．5W／m2．将计算区域的左边界面设为速度入口，速度值等于地下水的渗流速度，为3×10－7m／s（0．026m／d），即当量渗流速度为9×10－7m／s．将右边界面设为自由出流边界，其余界面设为定温．采用耦合求解器，利用Simple算法进行迭代求解．
2．3对比验证数值模拟得到第1200h计算区域钻孔中间水平面及平行于渗流方向的y＝0轴纵剖面上的温度场分布如3（a）及3（c）所示．利用本文所建模型的解析解得到的管群连续散热1200h后对应两平面上各点的温度响应，加上土壤的初始温度，即1200h的温度分布，如图3（b）及（d），分别与3（a）和3（c）相应吻合得很好．图3（e）对比了钻孔中间水平面上沿x轴正方向离管群中心3．5m处的动态温升的解析解和数值解．可见，二者的偏差在±10％范围之内，吻合度较好．这表明解析解具有较高的可信度．鉴于数值模拟大型管群的动态传热过程耗时，且对计算机性能的要求很高，而解析解则计算快捷，又能准确揭示出管群传热所引起的动态土壤温度响应．下面就利用解析解对管群在不同散热模式下的传热性能和所引起的土壤温升状况加以分析，并探究土壤热物性和渗流速度对管群周围温度恢复特性的影响规律．
3连续和间歇散热的土壤温度响应对比
针对布置形式如图1所示的管群，采用所建解析模型分析渗流作用下其连续和间歇散热所引起的土壤的温度响应．土壤物性及相关参数如前所述．管群在24h的周期内以8∶16为“运停比”以阶跃热流间歇散热，散热时段内单位孔深埋管的散热量为50W／m．为了反映埋管散热停运期间因土壤中存在较小的温度梯度而通过导热使蕴藏在土壤中的能量有所散失的现象，故设定停止时段埋管的散热量为－1W／m．即可在一定程度上揭示出埋管散热在间歇运行模式下管群周围土壤的温度响应和恢复特征.
3．1连续和间歇散热时土壤中的温升分布如图4（a）和（b）所示分别给出了管群连续和间歇散热5d后z＝30m水平面上土壤等温升线的分布．可见，地下水渗流对管群连续和间歇散热的影响较为显著，导致土壤等温升线明显沿渗流流动方向偏移．在相同位置处管群连续散热所导致的土壤温升明显高于间歇散热时的值．在间歇情况下，管群下游距中心钻孔4．7m处土壤温升为0．2℃，而在管群连续散热情况下，下游土壤温升为0．2℃处则距中心钻孔5．1m．这说明间歇散热可以使土壤温度在停运时段得到一定的恢复，减少热量在埋管周围的蓄积，延缓土壤的整体温升，延长地埋换热管群在土壤中的有效换热时间，提高地热能的利用程度．
3．2连续和间歇散热时各监测点处的动态温度响应由于仅考虑沿x轴正方向的渗流，故在z＝30m的水平面上取距离各钻孔下游0．5m的位置作为监测点．鉴于钻孔布置的对称性，仅分析连续和间歇散热情况下钻孔1、2、4、5、7、8相应的监测点处的温升情况，如图5（a）和（b）所示．可见，当连续运行时各钻孔相应监测点的温度值高于间歇散热时的值，且在散热的前10d，各监测点处的温升均基本相同，这表明各钻孔的散热尚未彼此干扰．但是埋管间歇散热所引起的土壤温度呈波动上升，明显低于连续散热时的温升值．比如连续散热10d时各监测点的温升约为9．1℃，而间歇散热时对应的温升仅为2．9℃．随着时间的推移，由于各钻孔间距有限，且有渗流的影响，各钻孔相应监测点处的温升逐渐出现了差别，且管群中各钻孔相应监测点处的温升值均大于单钻孔情况下的．这是由于管群各钻孔散热已彼此产生了影响，管群间出现了热堆积现象的缘故．由其中放大图可见，钻孔1监测点处的温升最小，因为该钻孔处在管群的最上游，受其他钻孔散热的影响相对最小，且渗流可以带走其散热量，使堆积在其周围的热量较少；而钻孔5监测点处的温升最大，这是因为其处于管群的中心位置，受周围钻孔散热的影响最大，且渗流又会将上游埋管散出的热量带到该处较多地堆积的缘故．因此，若要评估管群换热器周围土壤的动态温度响应，可选择处于管群中间偏渗流下游方向的钻孔作为代表．同时，建议在须考虑渗流作用的情况进行管群的钻孔布置时应加大沿渗流方向钻孔的间距，而适当缩小垂直于渗流方向钻孔的间距，或尽量减少沿地下水渗流方向上的钻孔数量.
4影响间歇散热时土壤温度恢复特性的因素分析
为了更逼真地分析埋管间歇散热时土壤的温度恢复特性，假定管群每周前5d为间歇散热，后2d为停运．取其下游（3．5m，0，0）坐标点处作为土壤温度变化的分析点，分析地下水渗流速度和土壤物性对土壤温度恢复特性的影响．
4．1渗流速度的影响土壤中地下水的渗流速度由当地的水力梯度及水力传导系数k所决定的．利用本文所建的耦合模型对不同渗流速度下的土壤中埋管传热性能加以计算和分析．其土壤物性与数值模拟时取值一致，但分别取当量渗流速度为3×10－5、3×10－6、3×10－7、3×10－8m／s．如图6所示为不同渗流速度下管群下游0．5m处土壤温度的变化曲线，从图中可以看出，不同渗流速度下埋管间歇散热时，土壤温度随时间推移整体呈上升趋势，但渗流速度越大，温度恢复幅度越大．表明热量会堆积使得土壤温度升高，但渗流会加速热量扩散，且渗流速度越大，土壤温度恢复越快且较明显．由埋管停止散热的后2d温度变化可知，在渗流速度较大时，热量的迁移反映在土壤温度变化幅度较大，且较快达到稳定．渗流速度较小时，下降幅度随渗流速度的减小而减小．
4．2土壤物性的影响土壤物性参数也会影响管群传热性能．计算1周内埋管群在物性参数如表1所示的典型土壤中间歇散热所引起的土壤温度变化情况如图7所示．可见，由于导热系数较大的石灰岩中的渗流速度也较大，故埋管在其中散热所引起的温度响应一直较低，且变化幅度较小．表明管群在石灰岩中的传热能力较大，热量不易聚积．而物性相近的粗砂和细砂，粗砂中的温度响应及恢复幅度均较显著，这是由于其中的渗流速度略大的缘故，与4．1节所得结论相吻合．当不考虑粗砂和细砂中的渗流作用时，其两者温度变化大体一致，偏差最大约为5％．这表明细砂中渗流速度较小，所产生的对流传热作用相对于热传导并不明显．在石灰石中，有、无渗流时土壤温度变化的偏差最大仅为2．4％，这是由于渗流速度和导热系数均较大导致土壤的热恢复能力较强，且对流在传热中所发挥的作用与热传导的相当．在粗砂中，当有、无渗流作用时，其温度变化的差别较大，这是由于其导热系数较小，渗流作用下的热对流现象较明显的缘故．通常，采用Peclet数（Pe＝uρwcwLc／λ）反映渗流作用下对流在传热过程中的贡献大小．但Pe数中的特征长度Lc可人为选定，如取为钻孔间距、钻孔半径、钻孔长度或径向距离［9］等．若取特征长度为1，与钻孔参数无关，则各土壤的Pe数分别如表1所示．由于各类土壤中的渗流速度有数量级的差别，且导热系数也有不同，因此相对应的Pe数相差较大．经上文分析表明，则对应的Pe数为土壤中对流换热占传热的比例，即Pe越大，则表明土壤中的渗流速度越大．分析后2d土壤的温度恢复状况表明，导热系数较大的石灰岩中土壤会受埋管周围聚集的散热量的干扰，在停运后的短时间内温度继续上升，而后才逐渐下降；而粗砂中的温度则在埋管停止散热后显著下降，这是由于其中地下水的当量渗流速度较大，会使土壤温度恢复的幅度加大的缘故．
5结语
一、研究的方法和数据处理
文献计量研究方法是图书情报领域的传统研究技术，近来开始被引入到我国教育研究界，并且成为比较热门的研究方法之一。这种方法主要是通过定量的数据客观地反映不同时期的研究状况。一般来说，同专著和研究报告等学术文献相比，期刊发表的论文对学术领域的热点把握相对更为连续、敏锐和直接。[1]而博士论文和硕士的文章在一定程度上可以对期刊文章进行补充，使下载的文献数据能够更加全面、丰富。因此，本文选取CNKI中期刊、博士论文和硕士论文三个领域有关高考志愿的刊载文献关键词作为数据进行分析，这三个领域的文献资料包含了一定数量和范围的热点问题，至少能够充分反映出我国高考志愿研究领域的热点主线问题。
研究分析的工具CiteSpace软件是美国费城德雷塞尔大学、大连理工大学陈超美博士开发的信息可视化应用软件，其适用于多元、分时、动态的复杂网络分析，成为近年来在全美信息分析中最具特色和影响力的信息可视化软件。[2]该软件的功能主要包括作者合作分析、关键词共词分析、机构合作分析、作者共被引分析、文献共被引分析等。
二、高考志愿填报研究的知识图谱
本研究选取CNKI中关键词为高考志愿的论文作为研究数据，运用CiteSpace软件作为研究工具，旨在揭示我国高考志愿领域的研究热点。本研究的下载资料时间从1981年开始，到2012年为止，将数据转化正确格式输入到CiteSpace软件，进行关键词共现分析，在软件分析的过程中，2000年之前的数据很少并且较为分散，对分析的整体结果影响不大。因此，在此忽略不计。本文的研究数据时间段为2000年至2012年止，最终通过软件分析得到的关键词共现网络知识图谱，如图1所示。
图1中各个节点的大小代表其频次的多少，节点越大说明该关键词出现的频次就越高，同时图中也可以清晰地表现出关键词的中心性强度，关键词在网格中的连线越多，中心性越强，就说明该关键词越具影响力。根据图1和CiteSpace软件后台运行数据，我们可以得到2000～2012年我国高考志愿领域中心性较高的关键词，即热点关键词主要有：高考志愿、高考、招生宣传、对策、影响因素、平行志愿、大学生、填报志愿、DataMining，以上是中心性较高的九个关键词（见表1）。
根据以上资料我们可以看出，我国高考志愿领域的研究既有理论方面的研究，也有技术方面的研究。理论方面的研究相对较多，主要有高考志愿领域的对策分析、影响因素分析以及填报志愿分析；技术方面的研究主要以datamining（数据挖掘技术）分析为主。无论是理论方面的研究还是技术方面的研究，在我国高考志愿领域中的作用都是不可言喻的。
1.高考志愿领域的理论研究。
（1）对策分析。高考志愿领域的对策分析主要分为高校招生宣传工作的对策分析和高考志愿填报的对策分析。
随着高校的不断扩招，生源竞争越来越激烈，生源问题也越来越受到各个高校的重视，有的高校或者专业出现录不满的现象，也有的专业出现招收的考生不去报到的现象。朱惠媛[3]总结出考生不报到的原因，根据形成的原因对高校提出可行性对策供高校参考。在高考志愿领域的高校生源问题对策分析中，多从高校的角度进行探析，找出问题形成的原因，针对具体问题具体分析，探讨解决方案，促进高校招生工作的顺利进行。
在高校招生宣传工作中，为了争取到高质量的生源，高校对招生宣传工作高度重视，但是在工作的开展过程中，各个高校或多或少地存在一些误区。宣传工作的对策分析主要体现在宏观指导方面，杨凤勇[4]通过调查发现，有些地方高校在招生工作中出现了宣传内容求全、宣传媒体贪大、宣传时段集中、宣传队伍单薄、宣传投入失衡等诸多误区，通过对这些问题的分析提出应该形成宣传机制、把握宣传重点、定位宣传对象、壮大宣传队伍、完善宣传方式的相关对策建议。张宏波[5]认为，高校招生宣传的对策分析重在精心策划和组织制订行之有效的招生宣传方案、加强招生宣传队伍的建设、充分发挥校友、家长的作用，提高宣传亲和力和可信度、充分发挥学校网站的功能、宣传的对象要有针对性，确保招生宣传工作的成功率等方面。
同时有关高考志愿领域的对策分析，还包括高考志愿填报中的对策分析，这部分将在填报志愿分析板块进行分析。
（2）影响因素分析。在高考志愿填报的影响因素分析中，研究人员通过运用问卷、访谈等调查研究方法对考生进行数据收集，最后通过数据处理得出影响考生志愿填报的影响因素，主要有家长建议、个人爱好、学校名气、学校地域环境、高考成绩、就业前景等，同时对于专业选择的影响因素以及专业选择的满意度研究也是通过问卷调查法进行研究，通过对考生志愿填报的影响因素和专业选择的影响因素的调查，分析我国高校招生宣传应采取的途径，提出有效的对策分析。李令青、刘彦楼、李建伟[6]运用自编问卷对大学新生进行测试，最终得出影响考生报考决策的因素主要有发展前景、兴趣特长、他人意见、录取把握。黄玮[7]运用问卷、访谈调查研究方法，对大一新生和高中教师进行访谈，得到了影响高考志愿决策的七大因素：未来发展、人际影响、大学实力、兴趣理想、高中影响、地缘家庭和高考情况。
同时，对于影响因素的分析还包括考生的学校归属感影响因素分析、职业认同感的影响因素分析等，李倩[8]运用质性研究方法，选择大一到大三的同学作为研究对象，通过分析学校归属感水平较高和学校归属感水平较低大学生的特点，归纳得出影响大学生学校归属感水平的主要因素，大学生的高考志愿、学校的知名度、生活环境这三方面因素在学校归属感形成的前期有一定的影响力，其中高考志愿的影响力最大。在此，充分证明了高考志愿在考生未来学业生活中的重要作用。
综上所述，我们可以发现考生在高考志愿填报时，所考虑的影响因素中微观因素影响比重较大，而宏观影响因素比重相对较小，很少有考生在填报高考志愿的时候会考虑所填报的专业在未来会为国家的建设做出多大的贡献。
（3）填报志愿分析。有关高考填报志愿方面的研究文献有很多，视角也非常广阔，主要有高考志愿填报模式分析、高考志愿填报的录取机制、高考志愿填报的原则、高考志愿影响因素分析、高考志愿填报对策分析等等。
学者们对于高考志愿填报模式的研究主要体现在模式的分类、对比分析、模式的研究上。模式的分类普遍有两种划分方法：一种是按时间的划分，可以分为考前志愿填报模式、考后估分填报模式和考后知分填报模式；另一种是按填报类型来划分，主要有顺序志愿填报模式、平行志愿填报模式和实时动态志愿填报模式；对比分析是对填报志愿的模式之间的比较，总结出各自的利弊，针对不同的填报模式提供最优的填报技巧。同时，值得一提的是高考志愿填报模式中平行志愿的研究，自从2008年我国全面推行平行志愿之后的几年中，有关平行志愿的研究纷至沓来，成为高考志愿领域研究的热点主题。
有关填报志愿原则的文献讲解非常细致，既包括宏观的指导建议，又包括具体的填报技巧。潘黎[9]从宏观的角度提出志愿的填报要把握以下几个原则：学校应拉开档次、保持梯度；精挑专业、辩证对待；慎重对待服从志愿；审时度势，吃透章程；在具体填报技巧方面，多数学者把信息收集工作放在首要位置，其它的填报注意事项还包括认真填报第一志愿，要注意“冲-稳-保-垫”的原则，要了解高校往年的分数线、各专业的分数线、专业和地域的热门和冷门、做好各档次志愿之间的关系、注意保持志愿之间的梯度、慎重对待服从志愿、家长和老师的指导建议等。
填报志愿的对策分析，针对高考志愿领域存在的各种问题，其研究分类多样，视角丰富。牛庆玮[10]研究学生高考志愿选择的影响研究，为高校提出提高生源质量的对策，属于对志愿填报的影响因素对策分析；李德铭[11]针对志愿填报的招生政策和录取规则提出相应的对策分析；赵小明、王晓峰[12]以平行志愿的投档模式为基础，对其影响因素进行分析，提出志愿填报分析方法及策略，作志愿填报参考之用。综上所述，志愿填报的对策分析以具体分析为主，事事巨细，研究角度多样化。
2.高考志愿领域的技术研究。Datamining，中文意思为数据挖掘，数据挖掘是从大量的、不完全的、有噪声的、模糊的、随机的数据中提取隐含在其中的、人们事先不知道的但又是潜在有用的信息和知识的过程。数据挖掘技术在高考志愿领域的应用主要是通过对考生的高考志愿相关数据进行处理，建立数据库，在庞大的数据库中发现潜在的联系，找出规律，最终提出可行性的建议，供广大考生参考，在未来的考生志愿填报过程中提供决策性帮助。
在高考志愿研究领域中，学者们多数采用的数据挖掘方法有层次分析法、决策树方法、数据仓库技术、关联规则、ID3算法、商务智能技术、Spss技术。其数据挖掘方法种类繁多，研究手段多样。殷员分[13]在其硕士论文中通过建立招考数据仓库，利用OLAP技术从多角度、多侧面、多层次对考生志愿数据进行分析，最后利用数据挖掘技术对考生志愿数据进行挖掘，得到一些可资借鉴的结果；罗志磊[14]在其硕士论文中灵活运用决策树方法，根据高考志愿数据的特点，在对其进行预处理的基础上，对高考志愿数据进行知识挖掘，获取其中规律性的潜在信息，构建高考志愿录取预测模型，提供给考生进一步的决策建议；赵文波、傅志刚，[15]在对高考志愿填报的研究中采用了层次分析法（AnalyticHierarchyProcessAHP），对高考考生填报大学志愿的影响因素进行了系统的分析。所得数据通过微机处理，定量地给出了各种不同影响因素的重要性排序，同时提出了相应的对策性建议；张丹丹[16]在其硕士学位论文中首先对关联规则分析算法和决策树分类算法进行改进，其次对高考志愿领域数据进行预处理，生成数据库，最后建立一个考生志愿数据智能分析系统，其目的是为了得到一个有效的关联规则和分类规则，期望能为今后高考考生的志愿填报提供决策支持。
综上所述，学者运用科学的分析方法深入分析高考志愿填报的相关数据，发现内在规律，为考生提供决策性帮助，促使我国高考志愿领域的发展更加成熟、完善。
3.研究结论。本研究运用citespace信息可视化软件对高考志愿领域的数据分析，探测出我国高考志愿领域的研究热点主要有理论分析和技术分析两个方面。理论分析主要有对策分析、影响因素分析以及填报志愿分析；技术分析以数据挖掘技术分析为主。
在整体文献中高考志愿领域的理论分析相对较多。其中对策分析主要集中在高校招生宣传工作的对策分析和考生志愿填报的对策建议两个方面。高校招生宣传的对策分析：一方面是针对考生不报到的原因进行探究，为高校提供对策分析；另一方面是针对高校宣传工作的误区进行探究，总结出高校在宣传工作过程中存在的错误，对此提出可行性建议供高校参考；志愿填报的对策分析：以具体分析为主，事事巨细，研究角度多样化；高考志愿领域的影响因素分析研究比较广泛，有高校招生宣传工作的影响因素分析、高考志愿填报的影响因素分析、考生专业选择的影响因素、考生职业认同、考生学校归属感的影响因素分析等等，其中占整体比例最多的为高考志愿填报的影响因素分析；有关高考填报志愿方面的研究文献也有很多，视角非常广阔，主要有高考志愿填报模式分析、高考志愿填报的录取机制、高考志愿填报的原则、高考志愿影响因素分析、高考志愿填报对策分析。
在高考志愿领域的技术分析中，通过文献分析可以发现，文献大多出自于硕士学位论文库，多数是高考志愿填报建立系统模型的研究，学者运用科学的数据分析技术建立数据库，应用数据库深入研究高考志愿领域的相关数据，挖掘这些庞大数据背后的关联知识和内在规律，提供相关对策分析，期望在未来考生的志愿填报过程中为考生提供决策性帮助，为我国高考志愿领域的发展提供有力的支持，促进领域的发展。
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关键词：热应力；热破裂；地热能；核废料
Statusandprospectsofstudyongranitethermalfracture
LinJunLiuYu-tianLiuJun-xin
（Southwestuniversityofscienceandtechnologyandcivilengineeringinstituteofarchitecture，MianyangSichuan621010）
Abstract：Therocksaremadeofavarietyofmineralparticles，whenheated，itsinternalvariousrock-formingmineralparticlesinthermalexhibitthermalexpansionanisotropy，willproduceheatstress，heatstressovertherockastheirultimatestrength，willmaketherockmassmicrofracture，microfractureonrockelasticandwillmechanicalrupturepropertiescausedgreatinfluence，andcausestherockporosity，permeabilitychanges，andaccompaniedbythermalconductivity，electricalconductivityandthechangeofacousticemissionphenomenon.Throughthecomprehensiveanalysisofdomesticandforeignindeeprockmassunderhightemperatureandconfiningpressureunderthermalcrackingresearchsituation，andpointedoutthedeeprockmassunderhightemperatureandconfiningpressureonmechanicalpropertiesofcondition，researchscope，researchproblems，andputsforwardthedeeprockmassunderhightemperatureandconfiningpressureinthedirectionofmechanicalpropertiesresearch.
Keywords：Thermalstress；Thermalcracking；Geothermalenergy；Nuclearwaste
0引言
材料在外力作用下要发生变形，从而在内部产生应变和应力，但物体的变形不仅仅是由外力作用引起，温度的变化也能够引起变形，而仅有温度变化，不一定在物体内产生应力，只有温度变化所引起的膨胀或收缩受到外界约束时，才会在物体内部产生应力，这样的应力称为热应力[1]。岩石是由多种矿物颗粒组成，受热时其内部各种造岩矿物粒子在热学上表现出热膨胀各向异性，便产生了热应力，当热应力超过自身强度极限时，就会产生微破裂，大量的微破裂将会对岩石的弹性和机械破裂性质造成很大的影响，并引起岩石孔隙度、渗透率等发生较大变化，并且伴有热传导率、电导率的变化以及声发射现象，这就是岩石的热破裂。
在石油的二、三次开采中，采用火烧油层的方法，降低油的粘度，同时诱发岩石破裂，达到提高储层渗透性的目的，以及在深部高温岩体地热资源开发中，从300℃以上的高温岩体中，提取地热，由于温度降低，而产生热破裂。这些都迫切需要考虑深部岩体在高温高围压下物理力学性质的长期演变规律，高温高围压下的岩石破裂问题也成为当今岩石力学研究的热点。随着核科学的发展，核技术不仅广泛的应用于国防工业，而且也深入到工业、农业、医学等各个领域。高放射性核废料的衰变需要数百万年的时间，因而这些高放射性核废料若不加以安全处置，不仅严重危及人类生存环境，也将严重制约核电事业的发展。
1国内外研究现状
在工程领域上，专家学者们除需要了解岩石的力学性质随时间的变化规律外，还需要了解岩石的力学性质随温度的变化规律。国外早在20世界60年代初就开始了对岩石热物理特性的研究。此后，该方面的研究工作在全世界得以全面展开，主要有如下几个方面：（1）岩石热物理力学参数研究（包括岩石的变形模量、泊松比、抗拉强度、抗压强度、内聚力、内摩擦角、粘度、热膨胀系数等）；（2）花岗岩热破裂损伤行为研究；（3）深部岩体多场耦合的研究。
1.1岩石热物理力学参数研究
自1960年开始，国际上对岩石的基本力学性质如抗压强度、变形模量、泊松比等力学参数随温度的变化规律进行了大量研究。而最初展开岩石热效应的研究主要是通过声发射试验来研究岩石的热膨胀系数、渗透率等参数随温度的演化规律[2，3]。
杜守继等[4]通过测试25块花岗岩试件在经历不同高温前后的密度、纵波波速等物理特性常数，并由测得的纵波波速间接计算出花岗岩的弹性模量，同时应用力学的常规压缩方法直接测试计算了岩石的弹性模量，分析了经历不同高温后花岗岩密度、纵波波速和弹性模量的变化情况。而张渊等[5]在细观尺度下观测了不同温度阜新细砂岩的矿物组分和微结构及其发展变化，以及内部微裂纹的发生和发展。从实验中观察到，自150℃开始，阜新细砂岩微裂纹数量有剧烈的增加，并达到峰值；当温度超过210℃以后，可见裂纹的数量呈下降趋势并逐渐稳定，当温度达到810℃，细砂岩裂纹数量出现第二个增长峰值。结果表明细砂岩存在热破裂阀值。
随着技术的发展，谌伦建等[6]采用偏光显微镜，扫描电镜及岩石力学试验系统等仪器设备研究了煤层顶板砂岩在常温到1200℃范围内的力学特性和破坏机理。陈剑文等[7]利用超声波技术对盐岩进行了升温动力学测试，分析了超声波波速、动弹性常数以及温度所导致的损伤变化规律。
朱合华等[8]通过单轴压缩试验，对不同高温后熔结凝灰岩、花岗岩及流纹状凝灰角砾岩的力学性质进行了研究，分析比较3种岩石峰值应力、峰值应变及弹性模量随温度的变化规律，并研究了峰值应力与纵波波速、峰值应变与纵波波速的关系。朱珍德等[9]通过三轴压缩与单轴压缩对比试验，系统分析比较了温度循环与高围压作用对大理岩应力-应变关系曲线，峰值应力，残余应力，峰值应变，残余应变以及弹性模量等的影响。
1.2花岗岩热破裂损伤行为研究
岩石宏观上的破坏与材料内部微裂纹的出现和扩展有关，如何才能将岩石细观断裂机理与这些宏观特性联系起来，这是专家学者们为实现材料的强度设计所必须解决的重要问题，也是深部岩土工程稳定性设计和防护急需解决的实际问题[10]。20世纪70年代中后期，各国学者相继采用连续介质力学方法，将损伤因子作为一种场变量，并称为损伤变量，逐步形成了连续损伤力学的框架和基础。近几年来对花岗岩热破裂损伤行为研究主要成果有：
李长春等[11]根据岩石类材料受荷载时的损伤破坏机理，首次引入两个损伤变量D：和D，建立起了考虑温度效应的岩石损伤本构方程，并导出了具有明确物理意义的本构方程增量型关系式。刘泉声等[12]从花岗岩弹性模量随温度的变化规律入手，提出了热损伤的概念，并在此基础上导出了热损伤演化方程和一维TM耦合弹脆性损伤本构方程，并讨论了损伤能量释放率随温度的演化规律。而徐小丽等[13，14]在声发射试验的基础之上，提出了机械损伤和热损伤的概念，建立了热力耦合损伤本构方程，采用连续损伤力学方法，推导了岩石热力耦合粘弹性损伤余能释放率的理论表达式，并建立了岩石热力耦合损伤破坏的能量准则。
1.3深部岩体多场耦合的研究概况
耦合问题的研究追溯到20世纪30年代太沙基发表一维渗透固结理论算起，但在国外引起广泛关注和取得重大进展却是在最近20多年，国内则是近十年的事，这些研究主要源于核废料深埋处置、油/气与地热的开发和能源储存及环境保护的需要。在高放射性核废料存储的研究中，重要的工作之一是系统中温度和围压耦合过程机理的探讨及其数学模型的建立。从研究方法上，多场耦合的研究方法包括理论分析、室内实验、原位实验与监测，研究内容则涉及多场耦合的基本理论、数值方法、计算程序开发及其工程应用等。
王瑞凤等[15]提出了三维裂隙网络的块裂介质固流热耦合数学模型，采用三维有限单元方法，获得了高温岩体应力、温度及裂缝宽度的变化规律。以往对该问题的研究大多数都忽略温度变化引起的岩体应力重新分布和材料特性的变化等，而且很多都局限于一维平面问题，对于三维固流热耦合模型的建立和求解，都因各变量互相影响的复杂性而难以实现，故在当今高温岩体地热开发中，能较真实的反映工程实际性态的数学模型和耦合理论是亟待解决的问题。赵阳升等[16]提出了高温岩体地热开发的块裂介质固流热耦合数学模型及其数值模拟方法，并对6000m深的高温岩体地热开发进行了详细的数值分析，得出完全三维状态下地热开发过程中岩体基质和裂缝的应力、温度的变化以及裂缝宽度的变化规律。
王广地[17]对甘肃北山花岗岩在温度影响下的力学行为进行了试验研究，结合西原流变模型，得到了考虑时温效应损伤作用的流变模型。改进西原流变模型时空离散并拓展到三维空间，给出了适合数值计算的屈服准则和流动矢量求解方法；并对三点弯曲流变试验进行了数值模拟，结果也证明了改进后的西原模型与实测值的吻合性。康健等[18]以花岗岩为样本，在平面应变模型下，采用随机介质固热耦合数学模型及有限元方法进行了高温岩石介质中裂纹扩展影响的数值试验研究，揭示了花岗石热物理特性与温度的变化规律。赵延林等[19]在建立双重介质温度场–渗流场–应力场耦合微分控制方程基础上，提出研究裂隙岩体温度场-渗流场-应力场耦合的双重介质模型，对不同介质分别建立以节点位移、水压力和温度为求解量的三维有限元格式，提出该数学模型的求解策略与方法，开发双重介质流固热耦合分析的计算程序。
李连崇等[20]从岩石的细观非均匀性出发，应用损伤力学、热力学和渗流力学理论，建立了岩体热（温度）-水（渗流）-岩（应力）-损伤耦合数值模型（THMDmodel），把岩石（体）THM耦合问题的研究从应力状态分析深入到损伤、破坏过程分析之中。探讨了THM耦合作用下岩石材料的细观结构损伤及其诱发的材料力学性能演化机制。翟诚等[21]针对考虑损伤作用和热对流影响的3场耦合模型，建立了高温岩体热流固耦合损伤模型，并将上述模型用于高温岩体地热开发中。通过数值模拟揭示高温岩体地热开发过程中高温岩体的热破裂机理、温度场、渗流场的变化规律以及人工储留层中热流体的对流规律。
2主要问题和发展趋势
通过国内外岩石温度效应特性的研究现状可以看出，他们的研究大多是集中在宏观唯象的研究，然后得到的相应岩石热破裂结论。涉及到温度影响作用时大多是停留在定性的解释，对综合考虑温度和围压热损伤耦合效应和动态力学特性的研究还较少。深部岩体在高温高围压下的时间效应十分显著，实验室中加载的应力-应变速率太快，与现场自然应力-应变时间并不相符，如何有效解决这些问题，尚需要深入开展时温等效，时压等效相关方面的研究。
因此加强深部高温岩体的动态力学特性研究，同时考虑温度和围压等热损伤耦合的研究，不仅可以更加深刻的认识岩石热破裂的宏观力学特性、细观破坏机理；而且对地震的预测，深部高温高压下的岩土工程问题具有重大的科学意义和工程意义。
由于存储层自身的非均质性和开发过程中次生的非均质性，以及低渗透，低产能和现有的开采技术，难以达到较高水平的开采率。如果利用花岗岩热破裂机理来提高储集层渗透率，增加驱油系数，会很大程度的提高最终采收率。在核废料储存中也有相当可观的前景，20世纪80年代，美国学者在研究中发现，当核废料存储在地下500-1000m的致密花岗岩中时，由于核废料衰变放热，积聚的热能可使存储围岩的温度达到200-300℃左右，长时间处于这种情况可能致使岩石热破裂，核辐射泄漏，存在很大的安全隐患。因此如何发展更好的核废料处理技术，其具有重大的工程意义。
3结束语
在众多岩石中，由于花岗岩具有渗透性小、致密、强度高等一系列适合核废料存储，石油和天然气贮存的特点。而国内外关于岩石热破裂的研究及应用，仍处于起步阶段。如果我们将花岗岩热破裂的机理扩展到核废料存储库的处理，地热能、油气等资源的开采中，以及深部岩土工程的修建与维护上，不仅对核废料存储库的前期设计和后期安全性预测，以及油气、地热能等资源的开采具有重大的学术研究意义和工程意义。
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关键词：机器人;热仿真分析;Flotherm;误差分析
中图分类号：TN710?34文献标识码：A文章编号：1004?373X（2015）06?0016?04
ThermalsimulationanalysisforElectroniccircuitonFlotherm
NIUDong?ke，JINXiao?yi，ZHANGXiang?wei，ZHOUQiang
（CollegeofMechanicalEngineering，ShanghaiUniversityofEngineeringScience，Shanghai201620，China）
Abstract：Whileexpoundingtheimportanceofthethermalsimulationanalysisfortheelectronicequipment，theheatconductiontypesoftheelectronicequipmentsareintroducedbrieflyandthebasictheoryofthermalanalysissoftwareisanalyzed.ThefunctionsandapplicationrangeofthermalanalysissoftwareFlothermareintroduced.TakingthePCBcontrolboardoftheteachingrobotasresearchobjects，Flothermisusedtodothethermalsimulationanalysisforelectroniccircuit.Thespecificoperationsofcomputingmodelestablishment，boundaryconditionsetting，mashgeneration，resultanalysisandoptimizationprocessingareelaborated.Acertainerrorexistinginthethermalsimulationanalysiswasfoundbycontrastingtheexperimentalresultswiththesimulationanalysisdata.Themajorfactorsthatcausetheerrorareanalyzed.Theoptimizationproceduresareproposedtoreducetheerror，reachthehighthermalanalysisaccuracyandmeettheapplicationrequirements.
Keywords：robot;thermalsimulationanalysis;Flotherm;erroranalysis
0引言
随着电子技术的迅猛发展，电子设备朝着使用环境多样化、设备小巧化等方向发展。针对上述发展趋势，电子设备结构设计将面临强度与振动、散热、电磁兼容三大问题。其中，散热不良导致的热失效是电子设备的主要失效形式，“热”问题已引起了人们的普遍关注，因此，能够解决电子设备过热问题的热分析、热设计及热测试技术得到了迅速发展[1]。在产品设计阶段对其进行热仿真，能够确定模型中的温度分布，找出模型中温度最高点，从而可以对模型进行修改或采用必要的散热措施，消除其热问题，使模型中最高温度控制在允许的温度范围内，达到设计指标，能够有效减少设计费用，缩短设计周期，提高产品一次成功率，也能够有效改善电子产品的性能，提高产品的可靠性，使产品更具有市场竞争力。
用于电子设备热仿真分析的方法主要有解析法和数值分析法。其中，解析法在求解一些简单的问题的时候很实用，其具有求解简单高效的特点;数值分析法主要以离散数学、数值计算为基础，以计算机为工具，能够对大量复杂的问题进行求解，其求解过程复杂但求解精度高。随着传热学及计算机技术的发展，数值分析法得到了很好的发展，其逐渐成为最常用的研究电子设备热仿真分析的方法[2]。电子设备热分析软件都采用数值分析法，数值分析法主要有限差分法、有限元法和有限体积法三种。
1电子设备传热类型
根据传热学的基本理论，传热的基本方式有热传导、对流换热和辐射换热。热传导基本定律是Fourier定律：在纯导热中，单位时间内通过给定面积的热流量，正比于该地垂直于导热方向的截面面积及其温度变化率，其计算公式如下：
[Φ=-λA?t?x]（1）
式中：[Φ]为热流量，单位为W;[λ]为导热系数，单位为W/（m・℃）;[A]为垂直与热流方向的横截面面积，单位为m2;[?t?x]为x方向的温度变化率，单位为℃/m。负号表示热量传递的方向与温度梯度的方向相反。
对流换热可遵循Newton冷却定律：当物体表面与周围存在温度差时，单位时间从单位面积散失的热量与温度差成正比。其计算公式如下：
[Φ=hcA（tw-tf）]（2）
式中：[hc]为对流换热系数，单位为W/（m・℃）;[A]为各对流换热面积，单位为m2;[tw]为热表面温度，单位为℃;[tf]为冷却流体温度，单位为℃。
辐射换热能量主要以电磁波的形式传递，其可遵循Stefan?Bolzman定律：描述了黑体辐射力随表面温度的变化规律。推导为两物体表面之间的辐射换热计算公式为：
[Φ=5.67AF12εxtT11004-T21004]（3）
[εxt=11ε1+1ε2-1]（4）
式中：[T1]，[T2]为物体1和物体2表面的绝对温度，单位为K;[ε1]，[ε2]为物体1和物体2的表面黑度;[εxt]为系统黑度;[A]为物体辐射换热表面积，单位为m2;[F12]为两物体表面的角系数。
2热仿真分析理论基础
热分析软件主要根据能量守恒、动量守恒及质量守恒进行控制计算[3]。控制方程的通用形式如下：
[?ρ??t+divρV?=divΓgrad?+S]（5）
表现在质量守恒方程上形式如下（三维直角坐标中）：
[?ρ?t+?ρu?x+?ρv?y+?ρw?z=0]（6）
动量守恒方程如下：
x方向：
[?ρu?t+?ρuu?x+?ρuv?y+?ρuw?z=-?p?x+??xμ?u?x+??yμ?u?y+??zμ?u?z+Su]（7）
y方向：
[?ρv?t+?ρvu?x+?ρvv?y+?ρvw?z=-?p?y+??xμ?v?x+??yμ?v?y+??zμ?v?z+Sv]（8）
z方向：
[?ρw?t+?ρwu?x+?ρwv?y+?ρww?z=-?p?z+??xμ?w?x+??yμ?w?y+??zμ?w?z+Sw]（9）
能量守恒方程如下：
[?ρT?t+?ρuT?x+?ρvT?y+?ρwT?z=??xλcp?T?x+??yλcp?T?y+??zλcp?T?z+ST]（10）
式中：[u]，[v]，[w]为流体在[x]，[y]，[z]坐标轴方向的速度分量;[ρ]为流体密度;[μ]为流体运动粘性系数;[p]为压力;[T]为温度;[t]为时间;[cp]为定压比热容;[λ]为导热系数;[ST]为流体的内热源及粘性耗散项;[Su]，[Sv]，[Sw]分别为单位时间、单位体积在各速度方向上动量的源项。
3热分析软件简介
本文以教学机器人上电子电路为研究平台，用热分析软件Flotherm对其进行热仿真分析，得出实验结果，并对实验结果进行分析研究。Flotherm是一套由英国Flomerics软件公司开发并广为全球各地电子电路设计工程师和电子系统结构设计工程师使用的电子系统散热仿真分析软件。Flotherm采用成熟的计算流体动力学（ComputationalFluidDynamic，CFD）和数值传热学仿真技术，并成功的结合了FLOMERICS公司在电子设备传热方面的大量独特经验和数据库开发而成。
Flotherm为核心热分析模块，利用它可以完成从分析模型建立、网格生成、求解计算、分析报告、到可视化后处理等所有基本功能。它可以完全满足元件级、板级和模块级、系统级等各种层次的分析。该模块还包含TABLES分析结果数据报告和VISULATION可视化后处理等功能。FLOMOTION为仿真结果动态后处理模块，不仅有最大最小值指示、复杂空间等值（温度、压力、速度）曲面、物体表面温度分布、流线、真实感非常强的示踪粒子运动、流体质量流、热功率流，可以将运算后的数据以流体示踪粒子三维动画等形式直观方便地显示出来。FLO/MCAD为软件接口模块，不但完全支持PRO/ENGINEER等机械CAD软件几何模型的直接调用并自动简化，还可以通过IGES、SAT、STEP、STL格式读入如UG、I?DEAS和AutoCAD等MCAD软件建立三维几何实体模型，可以大大减少对复杂几何模型的建模时间。
4热仿真分析实例及研究
热仿真分析就是根据实验对象建立热分析模型，并赋予模型各种属性、环境条件、功率大小等因素，运用热仿真分析软件对其进行仿真模拟，得出模拟实验数据，进而对其分析研究。热仿真分析能够快速有效地得出仿真数据，降低实验成本，缩短产品研发周期。这里选取教学机器人PCB控制板作为热仿真对象，PCB板上分布有诸多电子元器件及数据线接口，整块PCB板为典型的密闭电子设备，将对理论计算所得温升较大的电子元器件进行仿真分析，对实验数据进行分析研究，找出导致温升的一些因素并对仿真数据存在误差的因素进行分析研究[4]。其中教学机器人如图1所示，PCB控制板如图2所示。
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图1教学机器人
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图2PCB控制板
4.1热分析模型建立
实验对象为典型的密闭电子设备，该实验对象包括一块PCB控制板及铝合金壳体。其中，PCB控制板上有诸多电子元器件，各电子元器件工作时产生热量通过壳体内空气对流换热将热量传递到铝合金壳体上，壳体再将热量散失到外部环境。针对实验对象，由于PCB板上电子元器件多而密集，这里要对其进行简化处理，保留PCB板上功率较大的电子元器件，将功率较小的元器件省略，但需将其功率损耗计算在内，这样极大地降低了建模的复杂程度，也能更有效的计算出结果[5?6]。
建立热分析模型，首先，创建一个新项目并将其命名后保存，定义求解域，设置外部环境条件及参数，其次，创建箱体，并定义尺寸大小、厚度、材料等参数，最后，按照实验对象实际尺寸及相对位置在箱体内部创建PCB及其电子元器件，并定义热源、材料属性、传热系数等相关参数[7]。当模型建立后，为了检测电子元器件发热情况，在需要测温的电子元器件中心位置放置监控点。建立热分析模型如图3所示。
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图3热分析模型
4.2网格划分
在模型建立完成后，即可对其进行网格划分。运用软件自带的网格划分工具对模型进行快速的网格划分，在计算量不大的情况下，为了获得更加精确的运算结果，这里可以将网格划分的精细些，并可采用局部化分网技术，对发热元器件区域网格再进行局部加密。根据实验模型复杂程度及温度梯度的大小，为模型划分出合适密度的网格，这样既能保证仿真结果准确性的同时又能适当降低求解难度缩短求解时间[8]。针对此实验模型，划分出适合的网格如图4所示。
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图4网格划分
4.3求解计算及后处理
在完成以上操作后对模型进行求解计算。点击Solvestart按钮并确认即可进行计算求解，由于模型要进行热辐射计算，因此软件先进行热辐射交换因子计算，在完成热辐射交换因子计算后，软件开始进行后续的计算工作，在计算过程中可以实时查看迭代运算状况、趋势及监控点在各次迭代运算中的状况，根据迭代情况软件会停止计算，也可以通过收敛曲线图判断是否收敛，当计算收敛或监控点温度稳定时可不再计算，否则须检查网格划分是否有误或重新设定相关参数进行再次计算，直至迭代收敛。本实验残差曲线及监控点温度曲线如图5所示，可看出迭代计算收敛，监控点温度变化曲线稳定[9?10]。运算完成后查看计算结果，打开PlotEditor窗口，通过温度场分布云图，如图6所示，可以得到计算模型的最高温度、最低温度及温度分布情况。掌握诸多重要信息后，可以对模型结构及布局进行合理调整，再继续进行分析计算，进而得出最佳设计方案[11]。
图5残差曲线及监控点温度曲线
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图6温度场分布云图
4.4问题剖析研究
温度是影响电子元器件正常工作的主要原因，当超出极限温度时，电子元器件工作性能急剧下降，温度过高将导致电子元器件失效或烧毁。电子元器件的极限工作温度一般情况下为：民用级0～70℃;工业级20～85℃;军用级55～125℃。为了具有较好的工作性能，便于长时间实验操作，并且节省成本，本实验教学机器人重要电子元器件采用工业级[12]。由实验仿真结果来看，所有受监测的元器件最后工作温度稳定在85～105℃之间，略高于工业级元器件最高工作温度，但教学机器人样机测试中各项工作参数正常，并没有出现电子元器件工作失常情况，由此可见，采用热仿真分析得到的结果可以再一定程度上反应电子元器件正常工作时温度变化情况，但是其与物理实验结果存在一定的误差。针对热仿真分析软件操作流程简单这一特点，可以进行多次仿真实验、优化等手段来研究影响热分析精度的因素。通过诸多试验可以得出热仿真误差主要有：模型简化误差、边界条件误差、网格误差等[13]。通过对以上各方面进行优化操作可以很好地减小误差，使热仿真分析结果更接近实际值，从而更有效地辅助工程师进行设计。
5结语
这里从热分析软件理论基础讲起，用实例详细阐述典型热分析软件的使用过程，对热分析结果进行分析研究，发现热分析软件存在误差这一特点，找出导致热分析出现误差的一些因素，并提出减小误差的方案措施，从而提高热仿真分析结果的精度。从整体来说，热仿真分析可以快速有效地得出电子元器件系统热设计的分析结果，模拟出设备的温度场分布，从而使设计者对设备的散热能力有直观、准确的了解，能及时发现设计中的问题并予以修改，使其能够满足设计要求。并且电子设备的计算机辅助热设计还有待于进一步的完善和发展，才能从真正意义上提高产品的可靠性，缩短产品的开发时间。因此，电子设备热仿真分析具有很大的研究潜力和价值。
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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。
一、新疆地方高校数学建模的发展现状
（一）低年级大学生对数学建模知识认识欠缺
大学数学是理工类院校的重要基础课程，对专业课程起到了不可或缺的支撑作用，大学数学课程理论性强，新疆地方高校的学生本身学习起来就比较吃力，教师教学中更是无暇讲述和普及数学建模的思想和方法，所以相当一部分学生感到数学建模既神秘又高不可攀。
（二）新疆地方高校学生数学基础薄弱，大学数学课程的教学和专业学习存在脱节
受地域限制，新疆地方高校学生大部分来自于新疆各地州，包括汉、维、哈、柯、蒙等少数民族，数学基础参差不齐，相比较内地高校数学基础水平存在一定差距，学生学习数学兴趣不高，缺乏主动性，疲于应付考试，因此参加数学建模竞赛学生的比例比较低，导致理论知识与专业应用严重脱节，直接影响理工类专业学生的专业能力和培养质量。
（三）数学教学过程中，疏于数学教学建模思想和方法的渗透和培养
数学教学中渗透数学建模的思想和方法，要求授课教师不仅要有扎实的数学功底，而且还要有广博的知识面和丰富的数学建模经验。但实际教学中，由于课时的紧缺和教师专业方向的限制，完全仅限于所授课程知识的讲解，忽视了渗透数学建模的思想和方法对学学数学课程的促进作用，尤其忽视其对数学理论知识和专业知识的贯通作用。
（四）新疆地方高校对数学建模教学的重视和投入有待提高
自2012年以来，大部分新疆地方高校开始向应用型高校转型，工、农、医等应用型学科专业便成为各新疆地方高校的发展重点，在资金有限的状况下，数学类等基础学科便面临一个尴尬的境地，尤其是对数学建模的教育教学热情有所退却。但笔者以为，越是在向应用型高校转型之际，加强对数学类基础学科的投入，尤其重视数学建模思想和方法的渗透才能保障应用型学科高质量发展和新疆地方高校向应用型高校顺利转型。
二、新疆地方高校大学数学教学中融入数学建模思想和方法的建议与思考
（一）根据学生层次合理调整教学内容的侧重点
新疆地方高校大学生的多民族性、数学基础不等性特点对大学数学授课老师的经验水平提出更高要求，不但要了解学生的知识水平、民族学生的思维方式，还需要清楚中学数学的授课内容和欠缺知识点。根据本人近年民族教学的体会，结合学生入学成绩和知识层次教学中将新疆地方高校学生分为三个层次：1.“民考民”和“双语”学生，该层次学生入学成绩相对较低，汉语言水平不高，并且数学基础较差，该层次学生在大学数学授课中应侧重于对中学数学知识的补充和巩固，否则大学数学的知识和理论学生是无法理解的，而对大学数学的知识点就要侧重于基本概念、基本定理、基本方法的掌握与理解，那么对该层次学生进行数学建模思想和方法的融入，就要选择部分中学知识点和大学数学中较易理解掌握的知识点典型例题由浅入深，循序渐进的进行讲授。2.“民考汉”学生，该层次汉语言水平非常好，入学成绩也不错，与汉族学生混合编班，数学基础相比较同班汉族学生还是有差距，但该部分学生学习努力、态度端正，是任课教师需要重视的团体，可以偶尔选择晚自习辅导时间或其他时间对他们进行专门辅导，选择一些典型例题，由浅入深的进行数学建模的思想和方法的培养，从而也能激发他们的学习积极性，使之逐步赶超同班汉族同学。3.其他学生，新疆地方高校该层次学生主要来自于新疆各地州，入学成绩一般，数学知识差别不大，但基础知识还需要补充，个别的知识点，部分学生中学就没有学过，例如：参数方程、极坐标方程，反三角函数等知识点，但这些内容在大学数学教学中却是比较重要的知识点。
（二）在大学数学的日常教学中，改进教学方法和教学手段，有针对性的融入数学建模的思想和方法
能够适时选择授课知识点，针对学生所学专业讲述新课，同时融入数学建模思想和方法，例如：在“高等数学”第六章定积分的应用章节中，讲授利用“微元法”解决做功、水压力、引力等问题时，对物理学和工程类相关专业讲述数学建模思想和方法便是不错选择。例如：蓄水池抽水问题（如图1，图2）上图便是实际授课中课件，完全是定积分的内容，但这些例题具有非常典型的数学建模思想和方法，（1）题目符合实际生活问题，具有数学建模题型特点，完全是生活中的问题；（2）具有理工科专业特点，属于做功和热能问题；（3）解题过程本质就是数学建模的思想和方法，分析问题，建立数学模型，确定解题方法，给出结果，分析结果。只需经常性通过类似问题的讲解，使学生理解数学建模的主要过程：模型准备、模型假设、模型建立、模型求解、模型分析、模型检验和模型应用，学生不仅掌握数学建模思想和方法，而且认识到大学数学对于专业课学习的重要性[1]。大学数学教学中渗透数学建模思想和方法，归纳起来应注意以下几点：（1）要循序渐进，由简单到复杂，逐步渗透。（2）应选择密切联系学生专业、易接受、有趣味性、实用性的数学建模内容。（3）在教学中列举建模案例时，仅仅是让学生学习数学建模思想和方法的初步、举例等少而精，忌大而冷，否则会冲击了大学数学理论知识的学习，因为没有扎实的理论知识，也谈不上应用。（4）大学数学教学中，恰当的处理好理论与应用的关系，应该清楚理论和应用是相辅相成的。扎实的理论是灵活应用的基础，而广泛的应用又促进对理论的深刻理解[2]。
（三）组织鼓励各专业学生参加大学生数学建模竞赛，培养创新型人才
为了广泛开展数学建模活动，促进学风建设，提高学生学习兴趣和创新能力，自2007年开始，我校开始组织学生参加“全国大学生数学建模竞赛”，经过近十年的学习与摸索，形成了我校特色的大学生数学建模竞赛培训模式，经大学数学任课老师推荐和动员，不同专业学生报名后，培训工作分为三个步骤进行：每年4月至6月的建模竞赛初级培训、暑期集训和赛前强化。三个阶段培训内容均以数学知识模块化，分别由相应专业方向老师进行包干培训。知识模块主要分为初等数学模块、运筹学模块、概率统计模块、方程模块等。初级培训阶段主要培训理论知识，补充巩固不同专业学生大学数学理论知识；暑期集训阶段主要讲述不同模块的典型例题，促进理论知识的理解和灵活应用；赛前强化主要是选例题，让学生自己实践练习，进行赛前仿真模拟比赛。对参加过“全国大学生数学建模竞赛”的学生，我们经过统计发现：（1）参加过该竞赛培训和实践比赛的学生，在各自专业的学习过程中，专业课知识学习能力和应用能力明显高于其他同学，尤其毕业论文和设计的完成质量高于其他同学；（2）参加过该比赛的学生在此后的学习热情明显高涨，萌生继续深造提高的愿望，并且开始主动备战参加考研，考研成功率也高于其他同学；（3）该比赛中的各类生活科研问题，也激发了学生的创新性。大学生数学建模竞赛中的赛题大都为生活和科技中的热门问题和前沿科学问题，具有一定的科研前瞻性，经过该竞赛的洗礼，激发了这些参赛同学的创新能力，很多同学在比赛后仍继续研究比赛中的该问题，并把问题作为自己的毕业论文和毕业设计，并能高质量的完成，甚至有同学以此为出发点，申报了“大学生创新创业训练计划项目”，锻炼了大学生的科研能力和创新能力。结语随着社会的发展、科技的进步，数学已经不再是抽象的理论，其应用已深入到人类生活的各个方面，科学技术数学化、数学应用普及化已成为一种趋势，许多自然科学的理论研究实际就是数学研究，就是数学建模以及数学理论的探讨。一个国家的国民素质，很大程度上是体现在其数学素质上，数学是思维的体操，数学是科学的研究工具，数学建模是架于数学理论和实际问题之间的桥梁[3]。数学建模活动的开展促进了新疆地方高校的学风建设，提高了新疆大学生的综合素质。我校的数学建模组织活动、日常教学中的数学建模思想的渗透手段、规范的数学建模管理、方式多样的培训方案、学生参与的科研活动等已然逐步形成了新疆地方高校的数学建模思想和方法的渗透模式。新疆地方高校的特殊性也给新疆地方高校的教学模式提出了挑战，如何根据自身的特点搞好数学建模教学工作，是一项具有探索性的实践研究，本文仅是一个初步研究，还有很多问题需要深入的思考和实践。
作者:刘福国马燕单位:昌吉学院数学系昌吉市回民小学
参考文献：
［1］晁增福，邢小宁.将数学建模融入大学数学教育的研究与实践［J］.ConferenceonCreativeEducation.2012:1136-1138.
关键词：化工原理；教学；工程观念
“化工原理”课程包括教学、实验、设计三个环节，是化工类专业的基础必修课之一，是学生专业知识构建中的一门“承前启后”的重要课程，也是学生从“化学”到“化工”认知过程中的纽带与桥梁。近20年来，全国许多工科高校包括一些林业院校纷纷开设了“化工原理”课程。由于“化工原理”课程涉及范围广、内容多，加上相关实验与设计对学生的动手能力和计算能力的要求较高，因此如何与专业发展方向相衔接开展教学，是一项非常重要、难度颇大的研究课题。
“化工原理”是一门以典型的单元操作为主要内容，以传递过程和研究方法论为主线的工程技术基础课。它不同于物理和化学等基础学科，因为基础学科以简单的、理想的模型为研究对象，采用的是严密的数学分析法；而工程学科面临着真实、复杂的实际生产问题，加上待处理物系千变万化、影响因素多而复杂、操作条件各不相同，除了少数简单的问题可采用数学解析法以外，大多数问题需要依靠理论指导下的工程化方法来解决。
“化工原理”实验和课程设计更是强调学生运用工程方法和工程手段将书本知识实现应用的环节，即是强化学生将理论的感性认识上升到理性认识，达到“学以致用”的目的。这就要求学生尽早建立工程意识，树立工程观念，培养工程思维，最终能用工程观念分析、解决工程实际问题。本文拟从“化工原理”理论教学、课后实验、课程设计三个角度来探讨学生工程观念培养的问题。
一、教学中提炼工程观念
教学活动是在教师指导下学生积极参与学习的过程，其中教师的引导显得非常重要和关键。教学中应有意识地让学生建立起一种工程意识，用工程的价值观念来分析解决工程实际问题。其中，注意引入一些有效的工程应用方法，可达到事半功倍的效果。
(一)联系实际法
在课堂教学中，可以采用集体讨论、教师点评等形式，调动学生的参与意识，尽量选择一些与现实生产、生活联系紧密的工程问题进行引导、分析、讨论和归纳总结。例如，在流体流动章节的教学中，引导学生留心观察宿舍在用水高峰期与非高峰期出水量的大小来理解分支管路中流量分配的特征，并可结合家庭装修中如何合理选择和铺设水管等具体问题来理解流体流动阻力的概念，深入浅出地加以引导和启发。每次讨论时，要注意引导学生从生产技术性、经济合理性方面进行系统的“工程”考虑，要对不同的方案进行“工程”比拟，深入剖析问题，得出结论，从中提炼工程意识，形成工程观点，强化工程思想。
再比如，在传热学的教学过程中，可就家庭热水器的安装和热水管的布置，家用电暖炉的工作原理、传热方式等与人们密切相关的生活事例来分析传热的原理，讨论如何有效地传热以及如何防止在传热过程中的热损失等相关的工程实际问题。这不仅能充分调动学生的洞察、想象和思维能力，强化对工程观念的检验和应用，同时也能培养学生对“化工原理”课程的兴趣，有利于工程观念的建立和提升。
(二)数学模型法
数学模型法是在对研究的问题有充分认识的基础上，将复杂的问题作合理又不过于失真的简化，提出一个近似实际过程且易于用数学方程式描述的物理模型，并对所得到的物理模型通过物料衡算、热量衡算、平衡计算等找出模型参数之间的关系，进而建立数学模型，然后确定该方程的初始条件和边界条件，求解方程，最终通过实验对数学模型的合理性进行检验并测定模型参数。
在“化工原理”课程中，最著名、最实用的模型当属膜模型，它普遍适用于动量、热量和质量三种传递。此外，还有许多其它问题的求解也可采用建模来解决。例如，在讲授非均相体系分离中的沉降过程时，以求取流体通过固定床的压降为例，可用实物图片告知学生固定床中颗粒间的空隙形成许多可供流体通过的细小通道，这些通道是曲折的而且是互相交联的，同时，这些通道的截面和形状又是很不规则的，流体通过如此复杂的通道时的压降自然很难进行理论计算，引导学生借用数学模型法来解决。即，将床层中复杂的不规则的通道简化成许多管径为d。、长度为L。的平行细管，简化后的模型通过引入模型参数结合范宁公式计算阻力，最后通过实验来确定模型参数和检验数学模型的有效性。这样，就把一个复杂的实际工程问题简化为一个简单的流体流动问题。学生在其中经历了提出问题、分析问题、解决问题的过程，既加深了对公式的理解和认识，又掌握了一种实用的工程问题解决方法。
(三)因次分析法
许多工程的实际问题，涉及的变量较多，过程较复杂，一般很难从理论上进行描述，通常采用因次分析法。该法不需要对过程机理有深入的理解，只需尽可能地分析并正确列出影响过程的主要变量，通过无因次化减少变量的数目，再通过实验确定具体的函数关系。因次分析法用无因次数群代替单个变量，大大地减少了实验的工作量，并且实验中不需要采用真实的物料、真实的流体或实际的设备尺寸，只需借助模拟物料，由一些预备性的实验或理性的推断得出过程的影响因素，进而加以归纳和概括，形成经验方程。
以流体流动章节中获得流体在管内流动的阻力和摩擦系数入的关系式为例。根据摩擦阻力的性质和有关实验研究，得知由于流体内摩擦而出现的压力降Pf与管径d、管长1、液体黏度u、液体密度p、流速u、管壁粗糙度ε等6个因素有关，但无法写出具体的函数表达式。将问题写明摆在学生面前，并适时地传授给学生一种实用的工程方法——因次分析法，即根据因次一致性原则和白金汉的7c定理，引导学生将上述6个参数对压降Apf的影响转化为dup／u(雷诺数)、1／d、ε／d3个无因次数群对Pf／pu2(欧拉数)的影响，使得实验研究可从原来考察7个参数之间的关系减少为4个无因次数群之间的关系，大大减少了实验的工作量，让学生切身体会到该法的方便性与实用性。
因次分析法另一个重要的特性是，可将水、空气的实验结果通过无因次数群类比法推广应用于其它流体，将小尺寸模型的实验结果应用于大型实验装置。让学生明白实验前的无因次化工作是规划实验的一种有效手段，在化工中应用广泛。这样，学生今后遇到类似的实际问题，就可大胆地应用已学过工程方法，达到解决问题的目的。
(四)近似估算法
一般来说，影响工程问题的因素众多，在处理工程实际问题时考虑所有影响因素是很难的，所以在处理实际工程问题时只要保证结果在允许的误差范围内，工程上是可以接受的。因此，学生有必要掌握工程上近似处理、近似计算的思想和方法。例如，在传热计算中总传热系数K是评价换热器性能的一个重要参数，也是换热器的传热计算所需的基本数据。在忽略换热器污垢热阻的前提下，K的表达式为：1／K。=1／ao+(b／λ)(do／dm)+(1／ai)(do／di)。可以看出，总传热系数的倒数，即总热阻由三部分组成：管外传热热阻、管壁导热热阻、管内传热热阻。当ao>>ao时，Ko=ai成立。即，总热阻是由热阻大的那一侧的对流传热所控制。而在工业上换热操作中，通常都是由饱和热蒸汽加热冷流体，其中水蒸气的对流传热系数ao相当大，因此可将总传热系数K作近似处理，其值约等于冷流体的对流传热系数ai值。同时在实际操作中，欲提高K值，关键在于提高对流传热系数较小一侧的a。
可见，在教学中应让学生逐步掌握工程上近似处理的思想和方法。在课堂上的例题与习题讲授过程中，应经常穿插一些工程实际问题，要求学生大胆快速地进行近似估算。这样，不仅能使学生深化对理论教学内容的认识，而且还可使学生做到举一个“例题习题”而反思三个“工程问题”，进一步完善对工程意识的建立，巩固工程观念。
(五)过程分解法
在处理工程实际问题时，将一个复杂的过程(或系统)分解为联系较少或相对独立的若干个子过程(或子系统)，分别研究各子过程(或子系统)的特有规律，然后将各个子过程(或子系统)联系起来，探求各子过程(或子系统)之间的相互影响及总体效应，再分别采取各自合适的研究方法，这就是过程分解法。
例如，在设计填料塔时，把填料层高度计算公式表示为传质单元高度HOG或HOL和传质单元数NOG或NOL之积，表面上看起来只是变量的分离和合并，但实质上却是对过程的分解。NOG、NOL与物系的相平衡及进、出口浓度有关，受工艺条件控制，反映了吸收过程进行的难易程度；而HOG、HOL则与设备形式及设备的操作条件有关，反映了设备效能的高低。这样，在选择设备之前，可以根据给定的分离任务，计算出NOG或NOL，如果NOG或NOL太大，则表明吸收剂性能太差或分离要求过高，必须选择高效设备去适应。因此，在讲授填料层高度计算时，不能简单地引入NOG、NOL及HOG、HOL等符号的定义，还要说明这样处理的优点，让学生了解如此分解的内在含义。
(六)当量处理法
当量处理法是指用一个已知的过程(或参数)代替另一个较为复杂的待定过程或参数，使该事物在过程特征的某一方面与另一较为简单的已知事物等价。在“化工原理”课程中，用当量法处理工程问题的例子很多，例如：通过引入当量直径将圆管内流动的研究结果推广于非圆管；引入当量长度计算管件、阀门的局部阻力；引入当量滤饼厚度(或当量滤液量)计算滤布阻力；引入体积当量直径和形状系数表征非球形颗粒等。这种“化繁入简”的处理手段，可直接解决工程中很多复杂的问题，应用广泛。
二、实验中确定工程观念
化工原理是人们通过长期实验总结和工程实践验证了的实验学科。我校先后从天津大学、浙江大学、南京工业大学购入全套化工单元实验装置，设备先进，自动化程度高，实验硬、软件条件齐备。我校的化学工程实验中心于2004年获中央与地方共建高校基础实验室的资助，2005年被授予“江苏省基础实验示范点”。
以往“化工原理”实验一般采纳的是“学生预习—教师讲解—学生操作—写报告”的教学模式，这种模式教学方法单一，其任务只是验证理论知识中的一些现象、结论，在这种教学模式下学生缺乏创造性，对其工程观念的培养帮助并不大。因此，我们利用实验条件的优势，大胆地进行了新的教学模式的探索，实行开放式实验教学模式。其根本目的就是真正体现以学生为教学的主体，将更多的主动权和选择权交给学生，激发学生的学习兴趣和主动性，为学生自主学习提供一个平台。在开放式的教学模式下，教师不再对实验原理、操作步骤、仪器使用等进行详细的讲解，这些内容由学生自己去学习，教师只起到督导的作用，对学生的实验过程仅提供一些指导性意见。为了很好地完成实验，学生必须做好实验前的准备工作，熟悉实验内容，查阅相关的文献资料。这样，就调动了学生学习的积极性，效果明显优于以前。虽然学生在实验过程中遇到的问题比以前更多，但在处理这些问题过程中，学生分析和解决问题的能力得到了实际的锻炼，这正是我们所期待的，有助于培养学生解决工程问题的能力。
三、设计中实践工程观念
“化工原理”课程设计是一个总结性的实践教学环节，是对学生综合应用本课程及其它相关课程的基本知识，独立完成某单元操作设计的训练。通过选题、资料的准备、化工单元过程设计和总结等相关程序，使学生真正体验解决工程问题的思路和方法，切实地感受理论知识与工程观念的结合和应用。通过课程设计的训练，营造学生模拟解决实际工程问题的场景，以达到对整个“化工原理”课程知识认识上的升华。
例如，学生做“苯一甲苯混合体系的分离”设计时，首先面临过程的选择，可以选择蒸馏或萃取这两种化工单元操作，也可选择一些新型的化工单元操作，如膜分离等。在一般情况下，首先考虑采用蒸馏，它最适合于分离大部分的液体混合物，尤其适合于大规模、自动化控制的工业分离。只有不适宜用蒸馏分离的物系，才考虑用其它的分离手段。在过程确定以后，就必须进行设备的选择。如果确定用板式塔，则还要确定用什么样的塔板。如果确定用填料塔，则还要确定用整装填料，还是用散装填料，用什么材质，等等。这些问题即为设备选择。
在确定了过程和设备之后，就要进行过程的计算和设备的设计。在这个过程中，通常必须利用物料衡算方程、热量衡算方程、操作线方程、热力学方程、传热速率方程、传质速率方程等关系式，根据所处理物系的性质和操作条件进行设计计算。设计计算过程通过各种物性数据手册和化工手册查取所需的设计数据，且经常采用一些适用的经验方程计算有关参数值。在缺乏数据的情况下，有时候则要组织实验以取得必要的设计数据。这样，既锻炼了学生查阅文献的能力，也使学生掌握了遇到实际工程问题时可以采用的各种方法。
课程设计完成后，让学生模拟面对实际的工业场合可能出现的各种设计型问题和操作型问题进行答辩。前者主要就设备参数条件选择的依据给出合理详尽的解释说明；而后者的一般表现方式是：当某一个操作参数发生变化时，通过分析判断，该参数的变化将会引起其他哪些参数发生变化以及变化的方向(变大还是变小)、变化程度的大小。只要参数变化在允许的范围内，操作仍可视为正常。而参数变化超出允许的范围时，就要进行调节。同时若设备发生故障，则要求通过分析判断发生故障的原因，并排除故障。通过上述的训练，既加深了学生对“化工原理”课程相关知识的理解和巩固，又使学生在设计中实践了工程观念。
关键词FLUENT；暖通空调领域；应用
中图分类号：U260.4+3文献标识码：A
1、前言
目前，我国暖通空调中使用FLUENT技术还较少，没有能够很好的利用FLUENT技术的先进性，因此，有必要对FLUENT技术进行研究，探讨其在暖通空调领域的应用。
2、CFD技术在暖通空调中的应用概况
随着计算机技术和离散数学等的发展，CFD作为一种模拟仿真技术，在暖通空调工程中得到了越来越广泛的应用。它主要在于模拟预测室内外或设备内的空气或其他工质流体的流动传热、燃烧等情况。就暖通空调专业来讲，CFD主要可用于解决以下问题：
2．1、建筑外环境分析设计
建筑外环境对建筑内部居者的生活有着重要的影响，所谓的建筑小区一次风、小区热环境等问题日益受到人们的关注。采用CFD可以方便地对建筑外环境进行模拟分析，从而设计出合理的建筑风环境。而且通过模拟建筑外环境的风流动情况，还可进一步指导建筑内的自然通风设计等。
2．2、通风空调空间气流组织设计
通风空调空间的气流组织直接影响到其通风空调效果，借助CFD可以预测仿真其中的空气分布详细情况，从而指导设计。通风空调空间通常又可分为：普通建筑空间，如住宅、办公室、高大空间等；特殊空间，如洁净室、客车、列车及其它需要空调的特殊空间。
2．3、建筑设备性能的研究改进
暖通空调工的许多设备，如风机、蓄冰槽、空调器等，都是通过流体工质的流动而工作的，流动情况对设备性能有着重要的影响。通过CFD模拟计算设备内部的流体流动情况，可以研究设备性能，从而改进其更好地工作，降低建筑能耗，节省运行费用。
3、CFD的应用范围
CFD能够分析与研究在各种复杂几何形状的空间（装置）内、外发生的下列工程问题：①流体流动；②高温传热（导热、对流、辐射换热、流固偶合传热）；③气－固、液－固、气－液、液－液等多相流（如均化库、增湿塔、气力输送等）；④非牛顿流体流动（流变、如粉体、混凝土、膏状物等）；⑤多孔介质流；⑥化工反应流；⑦煤粉燃烧、气态燃料燃烧、油雾燃烧、多种燃料混合及多氧化流燃烧（如燃烧器、分解炉、烘干炉等）；⑧爆炸、爆燃和着火（如煤粉仓的爆炸与防治）；⑨搅拌反应釜；⑩环保（气体、水污染的扩散与防治、脱硫、NOx等）。
CFD分析研究可以提供工程设计、生产管理、技术改造中所必需的参数，如流体阻力（阻力损失），流体与固体之间的传热量（散热损失等），气体、固体颗粒的停留时间，产品质量，燃烬程度，反应率，处理能力（产量）等综合参数以及各种现场可调节量（如风量、风温、组分等）对这些综合参数的影响规律性。还可以提供流动区域内精细的流场（速度矢量）、温度场、各种与反应进程有关的组分参数场，通过对这些场量的分析，发现现有装置或设计中存在的不足，为创新设计、改造设计提供依据。相当于是一个通用的、多功能的大型冷、热态试验场（数值试验）。
4、CFD技术的一些方法
对于问题的数值求解方法主要有有限差分法、有限单元法、边界元法以及有限分析法。有限单元法、边界元法及有限分析法在最近几年中有很大的发展,并己成功地解决了一些问题。但是,就方法发展成熟的程度、实施的难易及应用的广泛性等方面而言,有限差分这一类方法仍占相当优势。这里主要介绍有限差分法和有限单元法。
4．1、有限差分法简介
紊流数值模拟一直是计算流体力学的研究热点和主攻方向,因为几乎所有的实际工程问题的流动都是紊流。但是,由于紊流的复杂性和具体计算条件的限制,目前还无法实现紊流全部信息的数值模拟,工程上通用的做法是引入紊流模型,采用紊流模型来封闭经过雷诺平均化的N—S方程,有限差分法就是建立在这一思想上的数值模拟方法。现有的资料表明,对于空调室内的流场、温度场和浓度场的数值模拟,长期以来几乎全部采用有限差分法。有限差分法结合紊流的玲￡二方程模型,从微分方程出发,将计算区域经过离散处理后,近似地用差分、差商来代替微分、微商;这样,微分方程和边界条件的求解就可归纳为一个线性代数方程组的数值求解。这种方法特别适用于现代计算机的处理运算,所以古老的有限差分法至今还有强大的生命力。
4．2、有限单元法筒介
有限单元法也是求解偏微分方程的一种系统化的方法,总体上讲,它是对古典近似计算的归纳和总结。它不仅吸取了有限差分法中离散处理的内核,又继承了变分计算中选择试探函数并对求解区域积分的合理方法。在有限单元法中,试探函数的定义和积分范围不是整个区域,而是从区域中按实际需要划分的单元,这样就克服了古典变分计算中由于不作离散处理而不能求解复杂问题的缺点;同时,由于对单元做了计算,就充分估计了不同单元对节点参数的不同贡献,从而克服了有限差分法中不考虑单元本身特性的缺点。这也是有限单元法这个名称的由来。
5、实例
以传统壁挂式空调室内气流组织为对象，用FLUENT软件对其温度场进行数值模拟计算。
5．1、模型的建立
设定空调的原始参数如下:
几何尺寸:770mmX240mmX180mm;
出风角度:45°,
出风速度:强风送风6m/s;
制冷(热)量:2500W;
出风温度:制冷时180℃,
制热时400℃。
根据已知参数，建立适当的房间有限元模型。为使结果尽可能接近真实情况，建立房间三维立体模型，长、宽、高分别为5m,4m,3m。空调安装在房间的窄面。简化的人体模型置于房间中央，坐姿状态，本身不发热，房间内部无任何热源。边界条件如下设定:房间6面墙绝热，制冷时室内初始温度为300℃，制热时为5℃。采用整体(integral)连续网格结构，运用GAMBIT生成网格，计算网格数为35000。采用k-湍流模型，计算时采用一阶非稳态分离计算，考虑重力影响，方程组求解用SIMPLE算法。
5．2、计算结果
下组图给出了空调安装高度为2.5m时，制冷时室内中截面温度场的分布随时间变化的情况。
图2制冷时房间截面某时段温度分布
用后处理的显示功能可以清楚直观的再现该降温过程，产品设计人员可以在此基础上针对人体区域的变化情况，作出评价。发现人体垂直方向上存在温度梯度，头部比脚部温度高，这是由于冷空气较热空气密度大，向下趋势明显，从而导致房间下部要比高处降温快。温度差会造成人体局部性热感不适，随着时间推移温度梯度逐步渐小，当温度场到达稳定状态时，头部比脚部温度高出2℃，满足国际通用的舒适度指标PMV与PPD提出的人体舒适工作条件的最高温差为3℃。
图3给出了当空调处于制热过程时某一时刻中截面的温度分布，由于热空气上升，天花板处温度较高，人体垂直方向上温度的分布情况见图4。
图3制热时某一时刻中截面温度分布图图4人体区域垂直方向上温度分布
6、重视CFD技术的应用
CFD是伴随着计算机技术、数值化计算技术的发展而发展起来的。CFD相当于“虚拟”地在计算机上做实验，用以模拟实际的流体流动与传热情况。而其基本原理则是数值求解控制流体流动和传热的微分方程，得出流体流场在连续区域上的离散分布，从而近似地模拟流动情况。
因此，CFD是一种模拟仿真技术。在暖通空调领域，近年来，经过高等院校、科研和设计单位的共同努力，在模拟予测室内外或设备内的空气或其它工质流体的流动情况的应用方面，越来越多。CFD可以对一些高大空间、公共建筑（体育场馆、大型音乐厅堂）、地铁等通风空调空间的气流组织设计，以可视化的方式将速度场、温度场，用动态或静态予以展示；对一些建筑小区或建筑群（如：CBD地区）的二次风、热环境等进行模拟分析，以求能设计出合理的建筑风环境；暖通设备的质量的提高、性能的改进，也可以借助CFD得以实现。
CFD以成本低、速度快、资料完整且可以模拟各种不同工况的特点，成为分析和竞标工程项目的有力工具。许多设计院都在奥运及相关工程中，应用了CFD分析，并配以彩色的温度场、速度场图示，得到业主好评。清华大学开发了通用三维流动与传热的数值模拟程序STACH-3，同济大学、湖南大学及北京工业大学在CFD方面也都作了不少开拓性工作。北京市建筑设计院，专用设置了CFD应用机构，用以解决重大项目投标和设计上的难题，推动了设计水平的提高。
7、结束语
在今后暖通空调的发展中，要注重使用FLUENT技术来提高暖通空调设计的科学性，提高其技术含量，从而提高其使用的效果和质量，使其使用性能更加优越。
参考文献
