CFD技術在水泵及水泵站課程教學中的應用探討

楊帆 周濟人 朱紅耕 成立

摘要：結合當前水泵及水泵站課程教學現狀，提出將CFD（Computational Fluid Dynamics）技術應用于水泵及水泵站理論課程教學中的構想，分析了CFD技術應用于水泵及水泵站理論課程教學的可行性及其優點，并就CFD技術如何應用于水泵及水泵站理論課程教學進行了案例分析，實踐表明：將CFD技術應用于水泵及水泵站課堂教學可達到激發學生學習熱情，增強課堂教學表現力和教學效果，有利于科研與教學的相互促進。

關鍵詞：水泵及水泵站；CFD；課程教學；應用

中圖分類號：G642.0；TV1 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2018）03-0116-05

計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，簡稱“CFD”）是20世紀60年代伴隨計算機技術和數值計算技術的發展而迅速崛起的學科，CFD技術具有成本低、周期短、速度快等特點。通過CFD技術，利用計算機分析并顯示流場中的現象，可達到在較短時間內預測流場的目的。目前，學術界、工業界都已公認CFD技術是解決流動和傳熱相關問題強有力的工具。在當前高校的課程教學中，以CFD技術為代表的數值模擬技術已被部分教學工作者引入到本科生的理論教學和實踐教學中，如：將TopoDrive、Flownet and Matlab數值模擬技術應用于水文地質學基礎課程中[1]；將CFD技術引入到數值傳熱學的基礎理論教學中[2]；將ANSYS軟件應用于材料力學的理論教學中[3-4]；將數值模擬技術應用于工程流體力學課程和焊接技術實驗課程的教學中[5-6]。通過調研實際教學效果可知：將CFD等數值模擬技術引入課程教學對于提高教學質量、增強學生學習興趣、改善教學效果有積極作用。

水泵及水泵站課程是揚州大學水利水電工程、農業水利工程專業的一門重要專業核心課。通過學習該課程，學生應掌握水泵的基本理論、基本性能和水泵的選型配套原則與方法，掌握泵裝置內部流動的特點及流態改善方法，掌握泵房設計的基本原則與方法，為泵站工程的設計與管理奠定堅實基礎。水泵及水泵站課程教學中涉及大量的流體動力學問題，恰當采用CFD技術結合課程理論教學開展水泵及水泵站工程流體動力學問題的分析，通過CFD技術仿真泵站水流運動，可將水泵及泵裝置內部流場的細部流動信息形象直觀地展現出來，并能逼真地再現泵站實際流動過程，以此激發學生的學習熱情，提高學習效率，增強學習的主動性和積極性，提升自主學習能力，深化對課程知識點的理解。為此筆者就CFD技術應用于水泵及水泵站理論課程教學進行了實踐探討，以期為同行教學提供參考和啟發。

一、水泵及水泵站課程教學現狀

水泵及水泵站課程共分為基礎理論、工程應用及實踐技能三大模塊。課程理論教學共40個學時，基礎理論教學主要內容包括泵的構造、泵的能量性能、泵的氣蝕性能、水泵的工況調節及水泵的選型配套。工程應用主要包括泵站工程規劃、泵房、進水建筑物和出水建筑物等。實踐技能分為兩部分：一是課程實驗，包括水泵拆裝、水泵的能量性能試驗、水泵的汽蝕性能試驗、水泵進出水結構的流動演示與測試；二是課程設計，在給定流量、水位組合的前提下完成水泵的選型配套和建筑物設計。

課程內容廣、理論性及應用性強。通過日常的教學發現，學生對于水泵的基本性能，特別是水泵的汽蝕性能難以掌握，泵裝置內部流動情況較為抽象，學生理解困難。

針對這些教學難點，在現有條件下，教師采用視頻播放、PPT圖片展示結合課堂講解進行教學。但有的視頻內容過于陳舊，未能及時更新且更新難度較大，為解決上述問題，筆者嘗試在教學過程中將CFD技術應用于水泵及水泵站的理論課程教學中，并對此做分析討論，以供借鑒。

二、CFD技術應用于課程教學的益處

CFD技術就是利用計算機求解描述流體流動，具有模擬各種不同工況泵站水流運動特性等優點。結合當前學生的思維特點、學習習慣和CFD數值模擬技術的優勢，將CFD技術應用于水泵及水泵站課程教學的益處主要有以下5個方面。

（一）有利于培養學生的探索求知欲

學生通過大二春季的認識實習已了解水泵及水泵站的作用，但水泵及水泵站課程在大三春季開設，認識實習和理論教學之間間隔約1年，水泵及水泵站的結構及其理論對于學生來說依然是陌生、新鮮且神秘的，通過采用CFD技術給出各種典型泵裝置內流場、泵站進水建筑物、泵站出水建筑物的三維動畫，達到吸引學生，啟發學生思考，培養學生的探索精神及獨立思考解決問題的能力，激發學生的自主學習熱情。

（二）有助于培養學生的自學能力

基于泵站實際工程問題，采用CFD技術模擬現有泵站流場結構存在的問題，通過CFD動畫展示讓學生明白不良流態對泵站運行的實際影響，闡述改善泵站不良流態的基本思想，通過學生課后自主學習，查找資料給出合理解決改善不良流態的措施，并通過CFD技術模擬評判自己所提出的改善措施能否起到作用，以此培養學生的自學能力。這不僅要求學生自學CFD軟件，還需要通過知網、萬方等數據庫查找相關文獻資料給出解決問題的理論依據。通過這樣的鍛煉，增強學生自主查找文獻，獨立發現、研究及解決問題的能力。

（三）有助于培養學生的計算機應用能力

通過介紹CFD技術優勢、CFD技術在水泵及水泵站內流場的模擬形態、實際工程應用案例，以及設計院對CFD技術人員的需求，激發學生學習計算機的興趣。掌握CFD軟件是完成水泵及水泵站課程作業的前提之一，掌握CFD軟件就需要學生自主安裝CFD軟件，學習建模等基本操作，在軟件的安裝、學習及應用過程中，學生的計算機應用能力得到顯著提升。

（四）有助于提高學生的學習興趣

水泵及水泵站課程涉及概念多、公式推導多，理論分析多，尤其是講授到水泵的基本方程時，學生往往對課程失去了興趣。采用CFD技術模擬水泵內部水流運行狀態，并結合葉槽中液流瞬時變化情況及作用力，給出三維非定常動畫，吸引學生，從而提高學生對課程的學習興趣。在觀看CFD模擬動畫的過程中，結合教師的講解，學生可較好地理解和掌握知識點，達到寓教于樂的目的。

（五）有益于教師將科研與教學相統一

CFD數值模擬技術是當前學術界開展科學研究的主要工具之一，也是工程界輔助工程項目預研的重要手段，CFD數值模擬技術已成為該領域專業教師必備的技能，教師通過將CFD技術在科研中的應用案例引入理論課堂教學，讓學生了解當前研究的熱點及難點，激發學習熱情，同時也避免了理論課程教學無延伸拓展內容的尷尬，有利于在理論教學中發現新問題，達到科研與教學的相互促進、相互統一。

三、CFD技術應用于課程教學的可行性

（一）商用CFD軟件為理論教學提供了基礎條件

CFD數值模擬技術已發展近70年，以往CFD數值模擬需要用戶根據求解問題自己編程寫計算程序，耗時長，且程序的通用性較差，較難精準求解復雜的三維流動問題。隨著商用CFD軟件的問世及快速發展，CFD數值模擬技術應用于本科課程教學已成為可能。當前一些高水平研究型高校已將CFD商用軟件的應用列入到本科實踐教學課程安排中，如：武漢大學水利水電工程本科專業的實踐教學中增加了水利水電工程專業軟件的專業選修課，工程力學本科專業中設置了大型有限元軟件應用實踐的專業課程[7]，這些都表明了在水泵及水泵站的本科教學中應用CFD技術是可行的。以學校本科教學使用的ANSYS CFX商用軟件為例，CFX軟件是全球第一個通過ISO9001質量認證的大型商業CFD軟件，該軟件具有精確的數值算法，快速穩健的求解技術和豐富的物理模型，可滿足水泵及水泵站日常本科教學需求。

（二）軟硬件設施為CFD技術的應用提供了保障

學校現已購入ANSYS CFX、Fluent、X-flow等專業的商用CFD軟件，為本科教學應用CFD技術提供了支撐。學院設有計算機房，擁有眾多服務器和工作站，計算機房可同時容納80余名學生，為CFD技術的輔助教學實踐提供了場地及計算機硬件條件保障。學院還增設了計算機中心，為快速求解教學內容中常規工程流動問題提供了保障，可滿足CFD技術應用于水泵及水泵站課程理論教學的實際需求，便于學生自主探索與學習。

（三）學生的計算機應用水平為學生自主學習提供了智力保障

計算機現已成為大學生的標配之一，水泵及水泵站課程于大三下學期開設，所有學生均已通過國家或江蘇省的計算機二級考試，每年有約30%的學生通過國家計算機三級或江蘇省計算機三級考試，這些數據均表明了當前學生擁有較好的計算機應用水平和編程能力，為學生自主學習CFD軟件提供了智力保障。學生通過自學，在任課教師的幫助指導下能較快地掌握CFD軟件的基本功能，具備解決常規流動問題的能力。對于求解常規的流動問題，商用ANSYS CFX軟件已將網格處理ICEM CFD、前處理CFX-Pre、求解CFX-Slover和后處理CFX-Post設置為4個獨立的功能模塊，學生通過自學結合教師輔導便可掌握該軟件的使用方法和基本的邊界條件設置。

（四）教師的專業技能為CFD技術應用于理論教學提供了智力支撐

水泵及水泵站的任課教師均能熟練應用CFD軟件，每位任課教師均發表過采用CFD軟件求解分析泵及泵裝置內流的學術論文[8-10]，教師具有豐富的使用CFD軟件的經驗，并可針對特殊工程流動問題進行二次開發。任課教師均有主持泵及泵裝置水力性能等方面研究課題的經歷，這些研究經驗為CFD技術應用于水泵及水泵站理論教學提供了足夠的智力支撐。

四、CFD技術在課程教學的應用案例

目前，CFD數值模擬常用的商用軟件有ANSYS Fluent，ANSYS CFX，Flow-3D，Star-CD以及Phoenics等，每款軟件的操作流程基本相同，為便于理論課程教學統一和CFD軟件的問題討論，規定學生選擇ANSYS CFX軟件作為自學對象。

（一）水泵汽蝕性能的教學

當講授水泵汽蝕性能時，水泵產生汽蝕時葉輪和液體間的能量交換受到干擾和破壞，在外特性上表現為流量、揚程和效率的迅速下降，甚至斷流，教師往往通過語言描述這一現象，學生無法達到真正理解。為了讓學生理解水泵受汽蝕影響特性曲線下降的來龍去脈，以及氣泡體積的變化過程，加深學生對水泵汽蝕特征的理解和記憶，利用CFD技術對水泵汽蝕現象進行流場三維仿真，模擬混流泵葉輪表面氣泡的變化過程，如圖1所示。通過觀察氣泡體積的變化，用豐富的色彩、形象的圖像和動態的畫面，逼真地演示水泵汽蝕變化過程，再結合教師的課程講解加深學生對水泵汽蝕原理的理解和掌握。

（二）泵站前池流態及改善措施

當教師講授到泵站前池流態時，側向進水前池的水流與進水池水流方向正交或斜交，易形成回流或旋渦，流態分布不均勻，應盡量避免，僅在地形條件比較狹窄、正向進水難以布置的情況下才考慮采用。選擇側向進水前池就需要對側向進水前池內部流態進行分析，這時教師往往通過“側向進水前池宜設分水導流設施，并應通過水工模型進行驗證”以此帶過，因側向進水流態的整流措施及效果很難通過口述讓學生明白，結合CFD技術進行分析和闡述，教學效果顯而易見。教師可結合工程實際構建三維模型，如圖2所示，采用CFD技術對其流場進行數值計算，并將計算結果展示給學生，讓學生觀察哪些區域存在旋渦等不良流態，并通過查找資料找到改善不良流態的方法。

經過教學實踐，學生提出了菱形導流墩、弧形導流墻、Y形整流墩、非等高底坎及直立墻等多種措施，并對各種措施開展了流場分析工作，評估各種整流措施對流態的改善效果。在分析整流措施效果的同時，可將前池、進水池性能的評判指標相結合，學生自主計算評判指標函數，并對此進行分析，以充分發揮學生的主觀能動性，增強自主學習的能力。

（三）進水池基本流態教學

當講授第10章第3節進水池基本流態時，教師往往結合課本中已有的進水池內部流態圖進行文字闡述，此時大多數學生會將書上的這段描述文字用筆做出標記，采用了死記硬背的方式記住進水池內部流動特征，可當進水池幾何尺寸變化時進水池內部流態是否相同，至今尚未有學生對此提出問題，但當講授到進水池內旋渦分類時，依據進水池旋渦發生的位置分為附底渦、附壁渦和水面渦三種類型，此時學生往往對前面進水池基本流態的表述和課本中提供的進水池內部流態圖產生疑問，為何在進水池基本流態的描述文字中未提及旋渦問題，那么在何種條件下進水池內部才不會產生旋渦？為此，教師往往復述課本中的文字表述，學生并不能做到真正理解。面對這樣的教學問題，可采用CFD技術對進水池的內流場進行數值模擬，探討進水池的幾何參數的變化對進水池內流場及旋渦產生的影響規律，教師可通過分組，讓學生采用CFD技術分析幾何參數變化對進水池內流場的影響，并通過PPT匯報分析研究結果，圖3所示為課堂教學中采用CFD技術研究分析不同喇叭管懸空高時封閉式進水池內部流態。通過直觀展示，學生對進水池內部流態的差異有了認識和理解，在實際的操作和分析過程中，會對進水池基本流態和進水池的控制參數有清晰的理解，拋棄了以往單一口述的授課方式，讓學生在探索中掌握進水池基本流動規律。

（四）出水流道水力性能教學

在講授出水流道時，出水流道的水力損失在水泵總揚程中所占的比例較大，對泵裝置能量性能的影響較為明顯，內容的講授往往至此結束，學生在腦海中可能僅保存了“影響大”的印象，至于原因卻未能詳細闡述分析。結合CFD技術對泵裝置出水流道進行數值模擬，通過細部流場的展示和水力損失的計算讓學生明白原因，通過CFD技術將出水流道進口處流線圖展示給學生，如圖4所示，讓學生通過觀察判別哪張圖是泵站出水流道的進口流線圖，哪張圖是非泵站出水流道的進口流線圖，啟發學生思考為何相同的出水流道有進口流場及壓力分布的差異。

通過CFD技術結合水泵及水泵站課程的教學內容，設置特定的背景問題，讓學生應用ANSYS CFX軟件建模求解分析，提高了學生解決問題的能力，激發了學生自主學習的興趣，對水泵及水泵站課程中知識點的認識更加清晰。任課教師通過CFD技術可將水泵及水泵站流態的講授內容形象地呈現給學生，讓學生直觀地感受到水泵及水泵站內部流態的特征，提高了學生對水泵及水泵站課程的喜愛程度和自主學習的興趣，有益于促進任課教師對水泵及水泵站前沿問題及工程問題的思考。

五、結語

在分析CFD技術應用于水泵及水泵站課程教學的可行性及優勢的基礎上，嘗試將CFD技術應用于理論教學中，結合實際教學工作進行了舉例分析。通過教學實踐表明，利用CFD技術將水泵及水泵站進出水建筑物內部水流運動狀態直觀展示，將理論性強的內容形象化和動態化，該方法不僅開闊了學生的視野，激發了學生對該課程的學習熱情，加深了學生對理論知識的理解，達到了增強課堂教學表現力和教學效果的目的，有利于教學與科研相互促進，共同提高。

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