215教育现代化·2018 年 12 月第 49 期 教育信息技术 基于 MATLAB 的传热学课程虚拟实验软件的开发 周永利，李友荣，石万元，张力元，杨晨，卞煜，王国强，李俊，包键 ( 重庆大学 低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室，重庆 ) 摘 要：针对能动类专业的教学特点，开发了一套基于 MATLAB 的传热学课程虚拟实验，实验设计主要通过模型的建立及程序的编辑来实现，该软件已经获得软件著作权。实践教学表明：程序简单易学，人机交互界面友好，为传热学课程增添了一项新的教学手段，丰富了课堂教学内容。 关键词：MATLAB；传热学；虚拟仿真；实验教学 本文引用格式：周永利 , 等 . 基于 MATLAB 的传热学课程虚拟实验软件的开发 [J]. 教育现代化 ,2018,5(49):215- 217,228. 基金项目：　 重庆市研究生教育教学改革研究项目资助(yjg173027)；重庆大学教学改革研究项目资助(2017Y47,2017Y43)；2017高等学校能源动力类新工科研究与实践项目 (NDXGK2017Z-21)；重庆大学实验教学项目建设立项项目 (2017S29)。 作者简介：　 周永利，男，博士生，工程师，主要从事有关分布式能源方面的教学和科研工作。 MATLAB是一种广泛应用于工程计算及数值分析领域的新型高级语言，自1984年推向市场以来，历经三十多年的发展，现已成为国际公认的优秀工程应用开发环境。MATLAB 的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式十分简洁，用MATLAB来完成相同的事情比用 C 和 FORTRAN 等语言来做要简捷得多。近年来在国内很多高校中，MATLAB已经成为基本的教学工具，有些院校针对通讯原理 [1]、数字信号处理 [2,3]、自动控制原理 [4,5]、材料力学 [6] 和现代控制理论 [7] 等课程开发了相应的仿真实验，而对于传热学而言，国内鲜有报道基于MATLAB的传热学课程虚拟仿真实验，在国家大力支持国家级虚拟仿真实验教学中心建设的时代背景下 [8]，开设传热学相关虚拟仿真实验对学生的课程学习及今后的研究工作都有一定的意义。 传热学是一门研究由温差引起的热量传递规律的科学，就物体温度与时间的依变关系而言，热量传递过程可区分为稳态过程和非稳态过程，各热力设备在持续不变的工况下运行的传递过程属于稳态过程 [9]。求解稳态导热的方法主要有理论分析法、实验法和数值求解法，由于理论分析法和实验法仅仅只限于某些特殊的情形，对于多维、几何条件和边界条件都较复杂的情形往往采用数值求解的方法。本文主要介绍基于 MATLAB 的传热学课程虚拟实验软件的开发。 一 二维导热的数值求解 (一) 数值求解的基本步骤仿真 (simulation) 是以相似性原理为基本原则， 利用物理或数学模型来类比模仿现实过程，以寻求对真实过程的认识，从而达到认识和改造实际的目的。仿真建立的数学物理方程一般通过计算机来进行数值求解。其基本求解过程如图1所示。基本思想是把原来在空间与时间坐标中连续的物理量的场(如温度场、速度场及浓度场等)，用一系列有限个离散点上的值的集合来代替，通过一定的原则建立起这些离散点上变量之间关系的代数方程，并进行求解，从而获得离散点上被求物理量的值 [10]。 图 1 物理问题求解的基本过程 (二) 二维非稳态导热数值解法实例 本文以二维非稳态导热为实例，稳态作为非稳态的一个实例这里不作赘述。假定有一无内热源正 DOI：10.16541/j.cnki.2095-8420.2018.49.071 216 教育现代化传媒