用哲學原理解決化工原理流體流動定性問題

唐正姣，陳蘇芳，李萍，覃遠航，汪鐵林

武漢工程大學化工與制藥學院，武漢 430205

教育部2020年5月28日印發《高等學校課程思政建設指導綱要》的通知要求：理學、工學類專業課程，要在課程教學中把馬克思主義立場觀點方法的教育與科學精神的培養結合起來，提高學生正確認識問題、分析問題和解決問題的能力。習近平指出：“我們黨自成立起就高度重視在思想上建黨，其中十分重要的一條就是堅持用馬克思主義哲學教育和武裝全黨。學哲學、用哲學，是我們黨的一個好傳統[1]。”化工原理課程蘊含豐富的哲學元素，提煉出的哲學元素主要有[2-6]：“運動的絕對性和靜止的相對性、解決問題抓主要矛盾、量變到質變、對立統一規律、透過現象看本質等。”上述文獻都是從哲學在化工原理中的映射角度進行教學即課程內容體現了某種哲學思想。鮮見用哲學原理解決工程問題的教學探討文獻報道。化工原理中管路定性分析問題是應用化工原理理論解決工程實際問題的重要體現之一，同時也是學生學習的難點之一。學生運用流體流動的守恒原理可以進行定性問題的分析，但分析過程相對繁瑣，學生理解起來常常覺得困難。筆者嘗試運用哲學原理進行管路定性分析問題的教學實踐，學生學習后反映比用流體流動的守恒原理解決類似問題簡單，并且容易掌握。

1 用動與靜的辯證關系分析簡單管路的流量與壓強變化

例1[7]對于圖1所示簡單管路，設各段管徑相同，高位槽內液面恒定，流體作定態流動。閥門由全開轉為半開時流量、閥前壓力、閥后壓力如何變化？

圖1 例1附圖

分析：對于一定的管路系統，流量屬于動，取決于閥門開度變化；靜壓強則屬于靜，取決于流體積累量的變化。以截面A與截面B包含的范圍作為控制體，閥門上游壓強pA(靜)、管路流量qV(動)閥門下游壓強pB(靜)這三個物理量相互影響。從pA到qV，從qV到pB反映了靜轉化動、動轉化靜兩個過程即靜→動→靜。在分析過程參數變化時以明顯變化的參數作為分析問題的突破口。當閥門開度變小，流動通道變窄，變化空間減小，流量減小。從流動過程分析，動由靜轉化而來，閥門開度變小即動態量變小則上游被轉化的靜態量減小，從而積累量增加即上游壓強增大；下游的靜態量來自于上游的動態量的轉化，上游動態量減小，則能轉化的動態量減小即下游的靜態量減小(靜壓強下降)。按照動靜相互轉化的規律可以表述為：閥門開度減小，通過閥門的動態量減小，上游積累量增加，下游積累量減小。即閥門開度減小，流量減小，閥門上游靜壓強上升，下游靜壓強下降。根據流體流動的守恒原理進行管路分析得到以下結論[7]：其他條件不變時，任何局部阻力的增加，將使管內的流量下降，使上游壓強上升，使下游壓強下降。可見根據流動過程動與靜的辯證關系分析得到的結論與根據流體流動的守恒原理推導的結論一致。

2 矛盾論在阻力損失定性分析中的應用

例2[8]如圖2所示，敞口容器液面保持不變，閥門A和B的阻力系數分別為ζA和ζB，h1和h2為連接管路的玻璃管顯示的液面高度，若ζA不變，ζB增大，h1、h2、h1-h2如何變化？

圖2 例2附圖

分析：黃婕等[8]分析時指出：ζA不變，ζB增大，表明閥門B關小，則流速u減小，B處阻力增大，h1、h2位置處于閥門B的上游，其數值反映上游的壓強，所以h1、h2增大；因為u減小，所以AB直管段的阻力損失減小，(h1-h2)減小。從上面的分析可知，對于直管阻力，管長l、直徑d不變時，u減小，阻力減小；對于局部阻力，阻力系數增大，阻力增大。這個結論是分析流體管路阻力損失問題分析的基礎。那么為什么有這樣的結論？根據范寧公式阻力損失hf=λlu2/(2d)，u變大，雷諾準數Re(=duρ/μ)變大摩擦系數λ變小，所以無法判斷hf的變化；對于局部阻力，hf=ζu2/2，閥門開度變小，局部阻力系數ζ增大，流速u變小，也無法判斷hf的變化。何潮洪等[9]指出：對于直管阻力，摩擦系數λ變化不大，可視為常數。而對于局部阻力為什么閥門開度變小，局部阻力變大則未見教材給出解釋。誠然可以讓學生直接記住結論但缺乏說服力。筆者應用辯證法進行分析：直管阻力中的u與λ互為矛盾，u是矛盾的主要方面，所以根據重點論，直管阻力損失隨u變化而變化。局部阻力中的ζ與u互為矛盾，ζ是矛盾的主要方面，所以根據重點論，判斷局部阻力損失隨ζ變化而變化。

3 用整體與局部的辯證關系分析復雜管路的流量變化

例3[7]流體從高位槽流出經總管分流至兩支管，閥門全開時各支管的流動參數如圖3所示；若將支管2的閥門A關小，支管2、支管3、總管的流量如何變化？

圖3 例3附圖

分析：支管管路2和支管3為可以看成事物的局部，總管可以看成事物的全局。毛澤東在總結戰爭經驗時，具體地分析了全局與局部的辯證關系。毛澤東指出：“全局是由它的一切局部構成的。若組成戰爭全局的多數戰役失敗了，或有決定意義的某一兩個戰役失敗了，全局就立即起變化。這里說的多數戰役和某一二個戰役，就都是決定性的東西了[10]。”因此對全局有決定性影響的局部，關系能否實現全局性的目標。對于分支管路，有閥門開度變化的支管就是支管中起決定作用的管路。所以總管流量變化趨勢與有閥門開度變化的支管的流量變化趨勢一致。另外從矛盾論分析，與之平行的其他支管與有閥門開度變化的支管互為矛盾，所以其他支管的流量會下降。根據流體流動的守恒原理得到[7]：閥門A所在支管流量下降，與之平行的支管流量上升，總管流量下降。可見根據流動過程的全局與局部的辯證關系結合矛盾論分析得到的結論與根據流體流動的守恒原理推導的結論一致。

例4[8]如圖4所示的輸水系統中，閥門A、B和C半開時，各管路的流速分別為uA、uB、uC。現將B閥關小，則各管路流速如何變化？

圖4 例題4附圖

分析：在A、B支管中，B閥所在支管起決定作用，B閥開度減小，則uB減小；總管流速與支管B的流速變化一致，即uC減小，與之平行的支管A的流速與支管B的流速互為矛盾，uB減小，故流速uA增大。這與黃婕等[8]利用流體流動的守恒原理分析的結論一致。

4 綜合應用舉例

例5[11]如圖5所示，用離心泵將貯水池中的水經總管及A、B兩支管送至敞口槽中。貯水池與敞口槽水面高度差可不計。現將閥門kA關小，其他條件不變，試分析總管、A、B支管流量、壓力表讀數pO、pM的變化情況。

圖5 例題5附圖

分析：將閥門kA關小，A支管為起決定作用的支管，A支管流量下降；總管流量與A支管流量變化趨勢一致即總管流量減小；B支管與A支管互為矛盾，A支管流量下降，則B支管流量增大；壓力表讀數pM在閥門kA的下游、pO在閥門kA上游，根據動與靜的辯證關系得到閥門kA關小，pM讀數減小，pO讀數增大。這與文獻[11]的分析結果一致。

例6[12]如圖6所示管路，若兩敞口容器內液位恒定，試問：(1) A閥開大，流量qV、壓力表讀數p1、p2、支管阻力損失比hf1/hf2、支管流量比qV1/qV2如何變化？(2) B閥關小，流量qV、壓力表讀數p1、p2、支管阻力損失比hf1/hf2、支管流量比qV1/qV2如何變化？

圖6 例題6附圖

分析：(1) 閥門A開大，通量增大，qV增大；閥的上游積累量減小即壓力表讀數p1減小；閥門的下游積累量增加即壓力表讀數p2增加；hf1/hf2為并聯的支管阻力比為1；作為局部的支管的閥門開度不變，整體變化，局部跟隨變化qV1/qV2不變。(2) 閥門B關小，起決定作用的局部即支管B的流量變小，局部影響整體qV減小；閥門B關小，閥門B的上游積累量增加，壓力表讀數p1、p2都增加；hf1/hf2為并聯的支管阻力比為1；閥門B關小，閥門C所在支管與閥門B所在支管互為矛盾，qV1變小，qV2變大，qV1/qV2變小。這與文獻[12]的結果一致。

5 教學實踐與學生反饋

筆者在2018級化工原理提高學習班開展了用哲學原理解決化工原理流體流動定性問題的教學實踐，并通過問卷網進行問卷調查。

問題1：用哲學原理解決流體流動定性問題的教學方法，你覺得怎樣？設置了四個選項：A. 非常好，B. 好，C. 一般，D. 不好。

問題2：你學習用哲學原理分析流體流動的定性問題后，對于你來說，用哲學原理分析的準確度高還是用化工原理的知識分析的準確度高？設置了三個選項：A. 哲學原理，B. 化工原理，C. 都一樣。

問題1、問題2的問卷結果分別見圖7、圖8。

圖7 用哲學原理解決流體流動定性問題教學方法評價問卷結果圖

圖8 用哲學原理與化工原理的知識進行定性分析的準確度問卷結果圖

問題3：請你對用哲學原理解決流體流動定性問題做出簡單評價？學生反饋總結如下：(1) 教學形式變新穎，學生寫道：“哲學的加入使課堂生動起來了，有利于我們對知識點的理解，教課形式變得新穎了。”(2) 提升學習興趣，學生寫道：“讓我對化工原理以及哲學方面的內容產生了濃厚的興趣，也給我在化工原理的學習過程中指了一條明路。”(3) 提升解題速度，學生寫道：“哲學原理解決流體流動性問題，個人覺得會讓復雜化的問題簡單化，有助于我們理解，可以讓一些抽象化的概念，通過哲學原理，更加貼近生活，從而快速解決問題；讓做題過程判斷更加簡化快速，在學習的過程中運用效果很好，在某些問題上解決速度更快；動靜結合起來十分方便；很方便也很準確，節約了許多時間，大大提高做題速度和效率，尤其是非常適用于選擇題；非常合適，可以與化工原理相結合更好地解答問題。”(4) 提升運用哲學原理解決問題的能力，學生寫道：“挺好的，一邊想不通，換個角度豁然開朗；哲學原理能在一定程度上幫助理解化工原理的問題可以轉換思維，從不同角度看問題；提供了另外一種解決問題的思路，當用化工原理知識難以解決問題的時候，可以采用哲學原理去思考。同時也可以利用哲學原理去檢驗化工原理內容判斷的準確性。二者有一種相輔相成的作用。”也有個別同學認為哲學就沒學好，所以對于他們來說，作用甚小。

綜合問卷結果可見，絕大多數學生對于用哲學原理解決流體流動定性問題持肯定、歡迎的態度。

6 結語

馬克思主義哲學是科學的世界觀、方法論和價值觀，是人類智慧的結晶。對于流體流動過程的定性分析問題，采用哲學原理進行分析判斷比直接應用專業知識解決更容易理解、解題速度更快。教學實踐表明，大部分學生對用哲學原理解決化工原理的定性問題學習興趣濃厚，打破了學生固有的用專業知識解決專業問題的思維定勢，培養與提高了學生用哲學原理解決實際問題的能力。這是哲學與化工原理相結合的生動實踐，也響應了教育部要求在課程教學中把馬克思主義立場觀點方法的教育與科學精神的培養結合的指導方針。筆者將繼續探索在其他單元操作中用哲學思想解決專業問題的教學。