水力過渡過程及水錘防護課程教學改革探索

蔣勁++劉亞萌++陳英強

摘要：隨著教學條件、科研水平的提高以及商業軟件的發展，傳統的水錘防護教學不能滿足現代水力過渡過程及水錘防護課程教學的要求。引入雙語教學，利用商業通用軟件與自主研發相關水錘軟件相結合，并通過實驗驗證水錘計算等諸多方面進行教學改革探索。通過幾年的教學改革實踐，我們發現表明這種改革不僅使學生及時了解和掌握該領域的研究和發展動態和最新研究成果，還可提高學生的相關專業知識水平和專業英語的素養、激發學生學習興趣和開闊學生的視野，能夠使學生在掌握基本理論的同時提高其解決問題的能力，滿足社會的需求。

關鍵詞：水力過渡過程；水錘防護；雙語教學；商業通用軟件

管道系統的瞬變流，由于系統元件的突然改變，如閘或閥的誤操作、泵機組意外斷電、進出水池水位的大突變等意外事件以及水泵機組的非正常啟停等[1]，都會導致管道系統的流動參數如壓力發生急劇變化。瞬變流也被稱為水擊或水錘，水錘不但損壞管道系統里的水力元件，嚴重時會造成管道破裂或變形[2]，而且當瞬變壓力過高時使管道發生破裂，瞬變壓力過低時使管道壓癟。當管道內流體壓力降低到飽和壓力以下時，管道內流體所溶解的空氣或其他氣體就會析出，在流體內部形成大量氣泡。當管道內流體壓力降低到液體蒸汽壓力時，液體發生汽化，在流體內部形成蒸汽穴。水錘給管道系統的安全運行帶來隱患，有時會造成較大的事故，給工業生產帶來巨大的經濟損失。例如我國西柏坡電廠的補給水系統，本身管路很長又加之水錘防護措施設計不合理，致使一年時間內發生十幾次水錘事故，造成管道破壞，給電廠的安全生產運行帶來了嚴重的威脅；我國陽邏電廠循環水系統，由于水錘事故造成冷凝器、閥門等水力元件破壞，甚至泵房被淹沒等重大事故。因此，正確認識水錘的流動機理，培養出具有專業知識的符合時代發展的人才是十分有必要的。

武漢大學動力與機械學院的水力機械過渡過程實驗室作為教育部重點實驗室，多年來在水力過渡過程及水錘防護課程教學中不斷探索和改進，培育了一大批相關領域的新型人才，并在行業內做出了突出的貢獻。

1 傳統教學模式

傳統水錘防護教學中以《停泵水錘及防護》教材為主，書中介紹了水錘產生的機理及相關的停泵防護措施，并且夾雜了很多工程實例，對這些工程實例書中還介紹了相關的電算法，對于停泵水錘的研究及防護方面的新技術，該書也做出了詳細的介紹。

傳統教學的理論相當經典，但是在教學中遇到不少問題，學生在學習過程中理論知識比較多，水錘現象不夠直接，學生更多的是靠想象理解，即便是經驗豐富的老師配以相關的插圖，學生依然不能提起學習興趣，這種與工程實際脫節的教學方式效果不是很好，在經過大量的教學實踐，課題組的老師提出了符合時代發展的教學改革。

2.教學改革舉措

2.1 雙語教學

在經濟全球化和文化國際化背景下，每個國家都應加強除本國語以外的其他國家語言的學習[3]，作為一種培養國際化人才的有效手段，雙語教學勢在必行。本課題組也實行了雙語教學，《FLUID TRANSIENTS》就是水錘防護引進的外語語教材，作者[美]E.B.懷利，本書主要討論瞬變流的發生、發展的機理以及如何減少和防止由于瞬變流動造成的不利影響。《停泵水錘及防護》依然作為本課題組教學的中文教材。

雙語教學的采用，開闊了學生的視野，同時為學生提供了新的學習平臺，學生在學習的過程中提高了專業詞匯，為繼續教育做了良好的鋪墊，同時老師也能夠對比傳統教學及雙語教學，提高教學質量。但是，對于FORTRAN來講，專業性依然比較強，且學習起來需要過程，對于一個簡單的算例也需要一定的時間來消化，對于復雜的工程需要的時間更久，隨著商業軟件的發展，我們在水錘防護的教學中也引進了商業軟件，這樣使得教學的效率發生了質的變化。

2.2 水錘防護的商業軟件

在工程實踐中對于水錘防護的預防計算，往往是工作量大、時間短且工程參數的變化不確定，像傳統教學中一樣通過編程來計算，這樣耗費的資源比較多而且效率還不高，針對于這種情況，很多用于水錘防護計算的商用軟件就出現了，例如Pipenet，Flowmaster，Bentley HAMMER，AFT Impulse以及最新推出的三維計算軟件XFlow，這些商用軟件的推出很大程度上提高了工程計算，當然對于教學效率的提高也是不言而喻的。

2.2.1 Pipenet

Pipenet軟件分為三大模塊，它們可以獨立運行，三大模塊指標準模塊、消防模塊以及瞬態模塊。目前本課題組及部分設計院均采用瞬態模塊進行水錘防護計算，在工程實際中占有一定比例。瞬態模塊不僅可以用來計算水錘、氣錘、閥門及泵的啟停，還能夠模擬調壓井、箱體、安全閥等的動作，并且可以對其經行選型。在進行數值模擬之后，用戶可以輕松調取數值計算報告、動態力的計算結果等。軟件還提供了相應的壓力、流量、轉速等基本參量的波形圖供用戶查看，此外瞬態模塊也可以用于分析普通管網和消防管網。該軟件還具有操作簡便，上手快，建模周期短等優點，因此被廣泛應用于工程實際中。

武漢大學動力與機械學院的水力機械過渡過程實驗室做為Pipenet軟件的培訓基地，每年3月份會舉行Pipenet軟件培訓課程，主要針對在讀的碩士研究生以及即將升學的本科生，此外還會有大量的工程人員前來注冊課程學習，目前這門培訓已經發展成了以理論為基礎，工程實際為依托的實用工程課程培訓。

2.2.2 Flowmaster

Flowmaster也可以用于錘的防護計算中，但是該軟件在實際工程計算中應用的程度并不高，相比PIPENET在工程中的應用Flowmaster要弱很多，建模周期及便捷性也不如前。但是其高效的計算效率、精確的求解能力、便捷快速建模方式，而被許多全球著名的熱分析的研究院所采用[4]，Flowmaster軟件液體的仿真可以分為兩大塊穩態分析和瞬態分析，也可以對液體進行熱傳導分析，并且可以和三維的CFD對接，除了液體也可以應用于氣體分析，其動態色彩顯示和強大的圖表功能可以實現對模擬系統中元部件的實時監測和評估。

2.2.3 Bentley HAMMER

Bentley Hammer在北美市場占有率超過45% [5]，國內也有一定的市場，國內大多涉及院對該軟件的應用也比較熟練。對水錘計算Hammer采用特征線法，用戶可以使用內置穩態引擎來自動計算初始條件和輸入穩態數據，并可以集成AutoCAD、ArcGIS和MicroStation與平臺界面，從而實現多平臺的特點。軟件可以提供毫秒級時間序列的變化過程，使用戶能夠更好的觀察壓力的發展和延續過程，從而更好的分析整個系統的瞬態過程。

2.2.4 AFT Impulse

AFT Impulse代理商分布于13個國家，客戶遍布于50多個國家[6]，國內不少大中型水力設計院都用到該軟件進行過渡過程的數值模擬。這款流體動態分析軟件，可用于管網中的瞬態計算，包括常見的輸水、石油化工、電廠熱分析等，并且可以模擬儲水器、分支、泵、切斷閥、單向閥、安全閥、調節閥、氣體緩沖器、液體緩沖器、壓力吸收罐、噴嘴、真空切斷閥、盲端管網等管路元件，用戶可十分方便的建模并模擬過渡過程中的停泵、關閥等工況。

2.3 編程計算

除了應用商業軟件進行教學以外，本課題組也很注重編程計算，課題組以項目和科研課題為依托，編寫一些實用的教學算例及計算軟件，學生通過程序編寫提高了編程能力，同時鍛煉了學生的建模能力。對于編程計算在工程實際中可以解決一些特殊邊界條件問題的瞬態計算，比如兩相流的計算，這方面以本課題組老師做了不少研究；自編程序有一定的局限性，通用型不強，目前本課題組正在著手開發一套通用性比較強的水錘計算軟件。

2.4 實驗教學環節

為提高水錘防護的教學質量，本課題組建立了過渡過程實驗室，本實驗室可以對長距離輸水水平管道系統的不同管道運行流量、不同關閥方式等工況下進行停泵過渡過程實驗，讓學生在實驗中感受到水錘產生的機理，在實驗的基礎上加以理論分析，并用商業軟件加以模擬，綜合分析水錘產生的原因及防護方法，同時在實驗的過程中加強學生的動手能力，激發學生的學習興趣，提高學生對理論知識的認識。

2.5 考核方式

為強化學生對本門課程的掌握，我們設立了特定的考核方式，本門考試的考核方式分為三個板塊，第一塊，理論知識考察即試卷考察，占總比的50%；第二塊，學生自選塊，自選塊主要是建模考核，針對特定的工程，學生自行去建模，根據建模的程度為學生評分，占總比的25%；第三板塊，上機板塊，這部分主要考察學生對知識應用的綜合能力，本課題組主要考核學生對于Pipenet軟件的應用能力，占25%。

3 總結

在水力過渡過程及水錘防護課程教學的改革及探索中，本課題做出了一系列的改進措施。從傳統的理論教學，再到目前對于教學改革的種種探索，課題組培養了不少具有專業知識的、能熟練應用商業軟件、并能夠進行編程計算的優秀畢業生。在教學中發現以理論教學為基礎，結合實驗，并用商業軟件對實驗進行補充，最后再升華理論知識，以此提高學生解決工程問題的能力，這種教學方式受到廣大師生的一致好評，對于本課程教學，本課題組會繼續探索改進，不斷完善。

參考文獻：

[1]李良庚，雷冬梅，泵站水錘防護[J]. 機電設備，2005，22（1）：37-40.

[2]AWWA .MANUAL OF WATER SUPPLY PRACTICES-M51：air release，air/vacuum，and combination air valves[M].Denver：AWWA，2001.

[3]俞理明，袁篤平，雙語教學與大學英語教學改革[J]. 《高等教育研究》，2005（3）：74-78.

[4]付鍇，馬立，李洪鳳，利用Flowmaster對水錘現象的研究[J]. 《制冷與空調：四川》，2015（5）：597-600.

[5]田文軍，利用Hammer分析水錘計算過程中的數據[J]. 《給水排水動態》，2012（4）：28-29.

[6]李克先，葛小玲，賁岳，馬新紅，淺談AFTImpulse～（TM）4.0分析軟件在電廠設計中的應用[J]. 《中國工程咨詢》，2011（2）：45-47.

基金項目：國家自然科學基金 51279145