[摘 要]针对目前传热学课程实验课时不断压缩，实验与讲课脱节以及实验资源有限导致实验难的情况，课题组提出了建立传热学虚拟实验平台的方法。基于Fluent仿真平台，以传热学“稳态球体法测试粒状材料的导热系数”实验为例，通过利用Scheme开放编程工具，建立虚拟实验平台的界面，实现对后台Fluent案例的调用、初始化和自动执行，完成虚拟实验平台的建立。将虚拟实验平台得到的模拟结果与理论结果相比较，验证该虚拟实验平台的合理性和科学性，可以此来替代传统实验。
[关键词]传热学;虚拟实验平台;开发;Fluent;Scheme语言
[中图分类号] G64 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2019）03-0080-04
传热学课程概念多且抽象，公式复杂，理解困难等特点，导致学生学习困难甚至厌学[1-2]。麻省理工学院开发基于Matlab的用于传热学实验教学的虚拟实验平台，在课程教学中起到一定作用[3]。华中科技大学的许国良开发了Saints2000的传热学虚拟实验平台，功能强大，但学生只能用它模拟传热学现象，而不能参与到其模块的扩充[4]。当前虚拟实验平台对于复杂的实验建模难以再现，比如三维瞬态对流换热实验，无法真实的再现传热学实验过程。
本文以传热学中“稳态球体法测试粒状材料的导热系数”为例，提出基于Fluent软件开发传热学虚拟实验平台的方法。在Fluent仿真平台的基础上[5]，利用Scheme语言建立虚拟实验平台的界面，实现对后台Fluent案例的调用和执行，完成虚拟实验平台的建立。通过将虚拟实验平台上得到的模拟结果与理论结果相比较，验证该虚拟实验平台的合理性和科学性。
该平台通过计算机手段对物理实验进行模拟，形象直观地反映出实验的导热过程和测定原理，学生可自行参与操作，既能激起学生的学习兴趣，又对现有的实验教学提供了必要的补充。
一、传热学物理实验
（一）实验原理
两个同心的紫铜球壁的内半径分别是r1和r2（直径为d1和d2）。将两个紫铜球壁的内外表面温度分别控制为t1和t2，并且保持温度稳定。
根据傅里叶导热定律，对球壁传热进行求解得到如下公式：
由于温度波动的范围较小，可以将材料的导热系数与温度的关系近似成线性关系处理，然后对上式积分求解并代入边界条件，得到：
因此，根据实验时测出的铜球的内外壁的温度t1和t2，然后可由公式（3）可以得出在tm时所填充的粒状材料的导热系数λm。
（二）实验设备
实验装置结构及测量系统。内球壳内部有电加热丝进行加热，内球壳外壁和外球壳内壁之间均匀的填充满被测的粒状物料，外球d2为150mm到200m，内球d1为70mm到100mm。加热温度t1、t2分别由连接于内球和外球表面的两对铜-康铜热电偶测得，电加热功率Q由连接于实验线路中的电压表、电流表监测并读取。外球壳的散热方式采用双水套球结构，使恒温液套球的恒温效果不受外界环境温度的影响。
（三）实验步骤
将待测物料烘干后均匀地填充在同心球的夹层之间;安装并校准测试仪器，确保球体严格对称，检查接线等无误后接通电源，待测试仪温度达到稳定状态记录数据;调整加热功率，重复上述的操作并记录实验数据;实验完毕后关闭电源，整理好实验仪器后按要求离开实验室。
二、虚拟平台的设计与实现
（一）虚拟实验平台入口建立
该虚拟实验平台入口采用VB语句实现。建立VBS文件，用记事本打开。根据fluent.exe路径修改Link.TargetPath。根据“*.scm”文件的路径，修改Link.Arguments。双击运行虚拟VBS文件，生成虚拟实验平台入口文件。双击运行该入口文件，打开“传热学实验平台”菜单即可查看运行结果。
（二）前处理
根据物理实验，设置九组模型：内球70mm-外球150mm-同心、内球85mm-外球150mm-同心、内球100mm-外球150mm-同心、内球70mm-外球200mm-同心、内球85mm-外球200mm-同心、内球100mm-外球200mm-同心、内球70mm-外球150mm-偏心5mm、內球70mm-外球150mm-偏心10mm、内球70mm-外球150mm-偏心20mm。模型采用NX建立，导出Parasolid，保存的格式为“.x_t”。
网格划分采用ICEM。“.x_t”模型导入ICEM后，对球壳进行四面体网格划分，灵活地调整最大单元，网格划分得越细对于最终的迭代计算越有利。
将网格导入Fluent，设置单位，能量方程[6]，区域的属性、重力、观察面以及求解的残差监视，利用write功能生成case文件。
（三）虚拟平台的实现
1.窗口建立
需要实现的功能是在Fluent的现有菜单栏的基础上添加“传热学实验平台”菜单项。在Fluent读入Scheme程序时，没有入口函数，所有函数只加载不执行，只执行函数外的语句。代码由以下部分构成：
A. 定义rp变量（不是函数）。
B. 定义窗口及内部控件函数。
C. 定义菜单（不是函数）。
D. 定义执行函数。
Fluent在载入程序时，只执行了A与C这两部分的代码。
定义rp变量代码如下所示：
（define （set-new-var s v t）
（if （not （rp-var-object s））
（rp-var-define s v t #f）
）
）set-new-var
