仿真项目介绍

1. 数值仿真方法理论基础及实践教学资源

在学习了流动传热问题的基础知识以及虚拟仿真的基本概念后，专门设置《计算传热学基础》必修课和《热流问题数值计算》选修课两门本科生课程,加强学生对虚拟仿真所依赖的数值方法的理论和实践学习。

上述两门课程是与流动换热仿真虚拟直接密切相关的课程。主要讲述基于有限容积法的流动和传热数值仿真方法。授课内容包括：有限容积法、扩散项离散格式、对流项离散格式、压力速度耦合算法、代数方程组求解、误差分析、网格划分、湍流模型等。同时，在数值方法的应用部分增加了Fluent软件的仿真方法和基础仿真算例讲授学，帮助本科生学习掌握 ANSYS Fluent 仿真软件，通过该软件的学习进一步加深学生对仿真数值方法的理解并提高学生使用该软件解决工程实际问题的能力。在该课程的实践部分，既有开放程序的学习，以培养学生具有仿真及开发程序的能力，同时又使学生具有使用商业软件对复杂问题进行仿真计算的能力。该课程遴选了15个基础仿真算例和14实践仿真教学算例，分别如表1和表2所示。

表1：基础类教学仿真算例

1	直角坐标中二维稳态无内热源的导热仿真
2	导热系数随温度而变的空心圆柱内的稳态热传导仿真
3	瞬态导热不同毕渥数下肋片散热过程仿真
4	顶盖驱动流仿真
5	外掠后台阶层流流动仿真
6	二维突扩通道中的层流流动与换热仿真
7	旋转圆盘上的层流冲击流动仿真
8	内壁上有直肋的环形通道内层流充分发展对流换热仿真
9	三通管道内层流流动和换热仿真
10	外掠平板强制层流换热仿真
11	不同雷诺数下卡门涡街仿真
12	封闭方腔层流自然对流仿真
13	封闭环状腔内层流自然对流换热仿真
14	带中心射流的通道内的湍流换热仿真
15	封闭方腔湍流自然对流仿真

表2：实践类教学仿真算例

1	非均质各向异性材料导热问题的数值计算
2	k-e 湍流模型三通管道内湍流流动数值模拟
3	电子元器件空气强制对流冷却数值模拟
4	波纹管管内层流及湍流流动和换热数值模拟
5	离子风强化平板对流传热的数值模拟
6	管翅式换热器流动和换热的数值模拟
7	平直开缝翅片外流动传热特性的三维数值模拟
8	催化转化器内多孔介质流动数值模拟
9	液体在复杂多孔介质内的流动三维数值模拟
10	螺旋折流板管壳式换热器流动换热数值模拟
11	气升式内环流反应器湍流流场及传质特性数值模拟
12	房间内污染物浓度变化规律的三维层流数值模拟
13	动网格技术模拟齿轮泵转动过程中内部流体的流动过程
14	液体火箭发动机燃烧室液膜冷却数值研究

2. 前沿研究仿真教学资源

a）质子交换膜燃料电池仿真实验

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)具有高效率、无污染、低噪声、可连续工作等一般燃料电池的特点，而且功率密度高，工作温度低，启动快，使用寿命长，易于扩大规模，因此成为下一代交通运输动力、便携式电源以及固定电站的重要选择，应用前景十分广阔。典型的PEMFC由极板 (Bipolar plate,   BP) 、刻在极板上的气体通道（Gas Channel，GC）、气体扩散层 (Gas diffusion layer, GDL) 、催化层   (Catalyst layer, CL) 以及质子交换膜 (Proton exchange membrane, PEM) 等组成，在PEMFC内，发生多个紧密耦合的物理和化学过程，包括流体流动、热量传输、组分传输、质子电子迁移、电化学反应、相变、电渗拖拽等。下列因素导致问题更加复杂。1）GDL及CL均为微纳尺度多孔介质，输运过程与多孔介质复杂结构相互作用，导致问题更加复杂；2）在PEM中发生电渗拖拽、水浓度扩散及液压渗透的复杂水迁移过程；3）水在PEMFC中发生相变两相流动，多孔介质中的传热相变两相流动机理是工程热物理学科的前沿基础科学问题；4）GDL及CL等多孔组件的典型孔径尺寸在几十微米甚至几纳米，而单电池在厘米尺寸。上述传输过程发生在尺度跨越高达6-7个数量级的空间内，呈现典型的多尺度特征。查明PEMFC中发生的多场耦合输运过程机理、以及关键物理量的分布规律，对提高电池性能、降低电池成本以及延缓电池老化至关重要。目前实验手段在时间和空间上的限制，在测量PEMFC中存在困难。虚拟仿真在查明PEMFC中多场传递过程特征、揭示多场耦合机理以及优化PEMFC结构方面发挥了重要的作用。中心发展了燃料电池的电堆、单电池、膜电极、PEM等不同层次的仿真工具，对电池性能进行了深入的研究。

图1 电池流场板对电流密度的影响的仿真结果

b）太阳能光子微观传播与宏观体系间耦合传热过程仿真

太阳能热利用/热发电技术是解决能源、资源和环境等问题的一种有效途径，加速推进其规模化发展已成为国内外共识。太阳能聚光集热系统中的能量传递与转换机理、热流特性、光-热耦合机理以及一体化协同设计原理是系统规模化应用中亟需解决的重要基础科学问题，也是整个太阳能热发电技术中最具挑战性的研究课题之一。太阳能聚光集热器内的光热转换过程实质上是太阳光子的微观传播、光子与物质表面间相互作用，以及其与宏观体系间的多尺度、多物理场耦合转换过程。这些过程还可以很好地与海水淡化、甲醇重整制氢、有机工质朗肯循环、高参数新型动力循环等系列的前沿技术相结合。然而，通过严格的实验方法获得不同太阳能系统内光子微观传播特性与系统综合性能不仅成本高昂，而且操作上十分困难。数值仿真在太阳辐射热流分布的准确描述及传播过程的一体化模拟研究、太阳能光子微观传播与宏观体系间耦合多重传热机理研究、吸热器内关键部件温度分布和应力场研究、吸热器结构与性能优化及综合评价方法研究等方面发挥了重要的作用。研究提出了将蒙特卡罗光线追迹方法与有限容积法耦合的数值新方法（MCRT-FVM），可准确预测太阳光子微观传播特性及其与宏观尺度体系间热质传递转换性能，又提出了可以有效改进热流密度与局部温度分布均匀性以提高系统综合性能的措施。中心发展了槽式、塔式、碟式、菲涅尔式等不同太阳能光热系统、太阳能光-热-电一体化热发电系统、太阳能海水淡化系统、太阳能甲醇重整制氢等系统不同层次的仿真工具，对太阳能热利用进行了深入的研究。

图2太阳光子的微观传播、光子与物质表面间相互作用过程

图3强化单元对甲醇重整制氢热化学反应的影响的仿真结果

c）沸腾相变传热

沸腾是一种十分高效的传热方式，在制冷、化工、核电等行业的能源转化设备中应用广泛。沸腾发生时，加热表面上不断发生气泡的形成、生长、滑移、融并、脱离、迁移，气泡在脱离的同时带走附近的过热液体，于是大大增大加热表面的换热效率。但是，当加热表面的热流密度达到临界热流密度时，大量的气泡会在加热表面上通过不断融合形成局部的气膜，阻碍加热壁面与液体之间的传热，使得换热系数迅速下降，加热表面温度迅速上升，导致设备损坏及由此带来的一系列严重事故。由于临界热流密度的发生涉及到复杂的气泡行为，由于实验测量受技术条件的限制难以获得临界热流密度发生时气泡演变的详细过程。而通过数值仿真的虚拟实验具有明显的优势，能够提供具有高保真度的结果，为研究临界热流密度的发生机理提供充分的细节。本中心提出了气液两相流直接模拟算法VOSET与沸腾相变模型，开发了二维、三维计算程序，对各种类型的沸腾过程开展了大量数值模拟研究。

图4典型沸腾过程的仿真结果

d）数据中心

数据中心是大数据与人工智能技术的核心硬件载体，是保证IT设备不间断稳定运行的基础设施，并将伴随5G时代爆发的信息处理能力高速发展。同时，数据中心也是全球高耗能产业，目前数据中心耗电量占全社会用电量的2%左右。2015年我国数据中心用电1000亿度，已超过三峡电站总发电量，并呈逐年上升趋势。我国数据中心能效评价指标常采用电能使用效率PUE（Power Usage   Effectiveness, PUE = 数据中心总设备能耗/IT设备能耗，越接近1表明能效水平越好），其值显著大于国际平均，节能提升空间巨大。数据中心用能主要分为IT设备、冷却系统、供电系统及其他共四个部分，冷却系统占据总能耗的40%，占配套设施（除IT设备）能耗的80%，甚至更多；也就是数据中心的冷却系统决定数据中心整体的能源效率，而数据中心冷却是数值仿真中的典型多尺度系统。

数据中心的仿真多尺度系统跨度包括机房空间、机柜、服务器、以及最终的芯片等电子元器件，尺度从几十米到几厘米，冷却气流依次作用于多个几何级的物体表面，均服从相同的控制方程。研究数据中心冷却中的多尺度耦合传热机理和关键控制因素，对提高系统能效、减少局部过热、避免过度冷却提供理论指导依据，也为数据中心的经验控制变为数据支撑。同时，数据中心本身往往责任重大，如发生故障将导致重大经济损失，部分行业甚至影响社会稳定，所以采用仿真模拟的方法，对数据中心节能与低碳技术的研究意义重大。

图 5 封闭冷通道对数据中心的温度分布影响的模拟

e）高温换热器仿真

近年来，伴随着能源的日益紧张和环境破坏，新能源开发、余热回收利用和高温热污染控制越来越受到重视，迫切需要更为高效的动力系统，而高效的动力系统往往需要更高的操作温度，因此高温换热器在微型燃气轮机循环系统、超高温气冷堆系统等高效动力系统中得到了广泛的应用，作为影响整个循环系统效率的关键设备，高温换热器已成为制约这些循环系统能否得以实际应用的关键因素之一。在高温高压下，传热通道内部流体的流动、传热特性会影响传热通道结构的应力和形变，反之，传热通道结构的应力和形变又会对传热通道内部流体的流动、传热特性产生影响，这种双向耦合是一种动态的响应过程，尤其是在启动或者关闭状态下较为明显。而分析此过程的重要挑战在于，流动传热分析需要非常致密的网格来分析才能获得真实的结果，而应力和变形分析需要尽量采用真实物理模型才能获得真实的结果，因此，需要研究流-热-力多物理场的双向耦合多尺度数值模拟方法。

中心针对高温高压下使用的复杂传热通道，提出了一套流-热-力多物理场的双向耦合多尺度数值模拟方法，该方法采用分离式双流体耦合传热模型分析小单元的流动和传热特性，采用真实的大尺度物理模型分析应力和变形，可以实现复杂传热通道的瞬态双向耦合分析，该方法可以推广至其它复杂结构的双流体或者多股流体的瞬态双向耦合分析。

图6 流-热-力多物理场的双向耦合多尺度计算模型

图7 流-热-力多物理场的双向耦合多尺度计算方法

f）高超声速飞行器热防护材料仿真

高超声速飞行器是指飞行速度超过5倍音速（约合6000公里/小时）的飞机、导弹、炮弹之类的飞行器，将在未来国家安全中起着关键性的作用，由于飞行速度快，飞行器受到气动加热严重，飞行器的服役环境恶劣（表面最大热流密度达到10⁶～10⁷W/m²，表面最高温度达1200℃～1600℃），飞行器结构需要更加精密的传热控制，因此热防护系统成为航空航天工业关注的焦点之一，而其中的关键在于热防护材料及结构传热特性的研究。飞行器热防护系统一般为多层结构，由高温层（C/SiC复合材料等）、隔热层（气凝胶复合材料等）、低温层（相变复合材料等）组成，各层复合材料传热特性以及层间接触热阻是影响热防护系统可靠性的关键因素，而材料/结构的复杂性导致精确的传热控制难度极大。接触热阻的存在相当于增加了热防护结构的隔热能力，但过高预测接触热阻导致热防护结构隔热能力不足，而过低预测接触热阻导致热防护结构厚度余量过大，高超声速飞行对载重有严格限制，因此接触热阻成为定位于具有严格质量约束的高超声速飞行器热防护系统设计的最重要不确定因素，准确的获得界面之间的接触热阻已经成为影响热防护系统可靠性的瓶颈。目前地面风洞试验由于高昂的费用及部分真实飞行条件的不可实现性，在研究热防护材料传热特性及层间接触热阻存在较大的困难，数值仿真在查明热防护材料及层间接触传热机理及传热特性方面发挥了重要的作用。

中心研究了轻质高强低热导编织复合材料的传热特性并发展了基于真实粗糙表面的高精度接触热阻预测方法。

图8 三维四向编织复合材料和传热性能仿真边界条件

图9接触界面Mises应力分布和界面温度分布

3. 典型实验项目的操作过程与实验流程

实验1：不同雷诺数下外掠单管流动的虚拟实验

单管圆柱扰流在不同的雷诺数下会依次经历层流稳态尾涡、层流卡门涡街和湍流三种流动形态，本实验通过计算流体力学实现前两种流动形态的仿真分析。

本虚拟实验的操作依次进行以下步骤：1）设置计算区域大小、网格尺寸、和流体物性；2）根据给定雷诺数计算所需给定的入口流速；3）进行仿真计算直到获取所需的流动过程；4）整理实验结果，展示流线，计算尾涡涡脱落的频率；5）设置不同雷诺数进行同样的仿真实验，比较所产生的不同尾涡形状与涡脱落频率。

图10为本虚拟实验的结果展示。

图10 不同雷诺数下外掠单管流动的虚拟实验结果

实验2：流体外掠管束的流动与换热的虚拟实验

外掠管束换热在各种换热设备中十分常见。常见的管束排列方式有顺排和叉排两种。本虚拟实验通用计算传热学的方法实现这两种管束排列方式下传热过程的仿真分析

本虚拟实验的操作依次进行以下步骤：1）建立顺排的几何模型并生成计算网格；2）设置流体物性与管壁温；3）进行仿真计算直到传热过程达到稳态；4）根据虚拟实验的结果生成温度分布并计算流体与管束的换热量与流体压降；6）建立叉排模型并重复以上实验步骤；7）比较顺排与叉排条件下的换热效率与流动阻力。

图11为本虚拟实验的结果展示。

图11流体外掠管束的流动与换热的虚拟实验结果

实验3：大容器沸腾换热的虚拟实验

沸腾换热随着温度的逐渐升高，沸腾换热阶段依次经历自然对流区、孤立气泡区和旺盛沸腾区。

本虚拟实验的操作依次进行以下步骤：1）设置计算区域大小、网格尺寸、初始条件两相物性等计算参数；2）在壁面上设置一个过热度；3）进行仿真计算直到传热过程达到准稳态；4）虚拟实验结果的整理与观察，传热系数的计算；5）在壁面上设置不同的过热度并进行同样的实验；6）比较沸腾过程的不同气泡行为与传热系数大小。

图12为本虚拟实验的结果展示。

图12大容器沸腾换热的虚拟实验结果

4. 由科研成果(近五年)转化而来的实验教学内容

中心非常注重科教融合。中心依托单位近年来主持国家重点研发项目2项、“973计划”项目1项、承担“973计划”课题7项、863计划课题5项；主持国家自然科学基金重点、国际合作重点、杰青、优青及面上项目60余项。在上述项目支持下，依托单位围绕能源与环境工程中国际前沿问题，服务于我国能源战略与环境环境保护的重大需求，注重多学科包括流体力学、传热学、传质学、固体力学、微电子学、材料学、生物学等的深度交叉融合，在太阳能高效利用、非常规能源开发利用、燃料电池新能源汽车、雾霾控制、节能原理与减排新技术等领域瞄准国际前沿方向进行系统深入的前瞻性和战略性研究，为我国改善能源结构、节能减排、经济跨越式发展及保护环境做出贡献。研究成果先后获国家自然科学二等奖3项，国家技术发明二等奖2项，国家科技进步奖创新团队奖1项，国家科技进步二等奖3项，何梁何利科技进步奖2项。

中心鼓励支持教师将自己在科研中的发现、心得、体会和成果融合到虚拟仿真教学实践中，深受学生欢迎。近五年由科研成果转化而来的典型实验教学成果包括：

1）流动换热问题的先进多尺度仿真体系

发生在空间及时间尺度覆盖几个数量级的流动换热问题在能源与环境领域普遍存在。近五年，中心在国家自然科学基金重点基金（51136004(2012-2016)，51836005（2019-2023））的支持下，在国际上率先开展了流动换热问题的多尺度研究。

本世纪初多尺度问题研究成为国际热点，中心揭示了微尺度流动传热的基本规律；构建了传热与流动的多尺度计算的框架体系，发展了介观数值算法和分子动力学模拟方法，将格子Boltzmann方法拓展到模拟微细尺度流动问题、变比热流动问题，构建了多尺度计算的一系列耦合算子。采用上述方法，对燃料电池、数据中心冷却、湍流、太阳能利用中涉及的多尺度问题进行了深入研究。2014年中心一篇介尺度的论文被遴选为中国百篇最具影响国际期刊论文，并入选传热传质领域著名国际期刊In. J. Heat & Mass   Transfer，近五年引用最高论文。

在《计算传热学基础》和《热流问题数值计算》两门课程中，将中心多尺度数值方法发展及仿真的研究成果引入课程中，介绍了宏观、介观和微观仿真方法理论及应用，引领学生深入了解热流前沿基础科学问题。

2）太阳能能聚光集热系统仿真

在国家自然科学基金51306149(2014-2016)等项目资助下，开展了聚光集热系统中的能量传递与转换机理、热流特性、光-热-力耦合机理以及一体化协同设计原理研究。

太阳能聚光集热系统是将太阳光能转换为热能的关键部件。吸热器内部的光子传播吸收转换过程是一个复杂的光与物质表面相互作用、光-热耦合、非稳态非均匀传热的多尺度、多物理场耦合转换过程。针对太阳能吸热器中的光子微观传播与宏观体系间的耦合传热机理问题，团队提出了将蒙特卡罗光线追迹方法与有限容积法耦合的数值新方法（MCRT-FVM），可准确预测太阳光子微观传播特性及其与宏观尺度体系间热质传递转换性能，又提出了可以有效改进热流密度与局部温度分布均匀性以提高系统综合性能的措施。团队的研究工作得到国家自然科学基金的支持，在太阳能聚光集热方向的研究处于国内外领先地位，对于太阳能系统光-热-电高效转换问题具有丰富的实验和数值模拟经验。

在《热工基础》和《传热学近代进展》课程中，将光热耦合数值计算技术与数值传热学、CFD、强化传热理论、多孔介质传热传质以及热化学反应等结合介绍，拓展了学生的知识面，开阔了科研视野，有助于深刻理解和应用所学基础知识解决实际问题。

3）离子风流动换热仿真

在国家自然科学基金面上基金51576155(2016-2019)的资助下，开展了微米放电结构离子风微观输运过程和宏观流动传热特性研究及其性能优化的研究。

离子风是电晕放电过程所引起的宏观空气流动现象。由于其独特的产生机理，离子风技术具有工作噪声极低、无机械运动部件和可灵活定制化设计的特点，在流动控制和强化散热领域极具应用前景。对于功耗较低射流较弱的离子风发生器，将其应用于破坏流动边界层，可以高效地提升换热能力，实现换热增强。对于流动截面大射流速度高的离子风发生器，将其直接应用于空气驱动，可以实现无声送风，达到替代传统机械风扇的目的。团队的研究工作得到国家自然科学基金的支持，在离子风领域的研究处于国内领先地位，对于离子风的流动和传热问题具有丰富的实验及数值模拟经验。

在《传热学》和《热工基础》课程中，将离子风技术与强化传热理论、射流冷却方法以及电子器件散热问题结合起来，开阔了学生的科研视野，使得学生们可以更加深刻地理解、学习和应用基础知识。