基于虛擬仿真實訓的流體輸配管網課程研究*

許嘯 沈妍 劉銳 姚江 袁明新

1 江蘇科技大學（張家港校區）機電與動力工程學院 江蘇蘇州 215600 2 江蘇科技大學蘇州理工學院機電與動力工程學院 江蘇蘇州 215600

0 引言

流體輸配管網是能源與動力工程專業中建筑環境方向重要的專業課程之一，該課程將工程流體力學的基本知識與工程應用中各類輸送氣、水等流體的設施和機械相結合，闡述相應的計算方法、設計原理和應用方法等知識。其教學目的是采用不同的教學手段，使學生理解不同類型的流體輸配管網及機械的結構與原理，掌握管網與水泵、風機等機械的中設計選型、校核計算、調試調節等理論和方法，使學生具備初步的工程能力[1-3]。

從知識體系來看，流體輸配管網涉及的內容相當廣泛，既包含流體力學中水/氣流動邊界層、湍流轉捩和伯努利方程等基本概念，又涉及工程中各種類型的輸水/輸氣管網和離心泵、風機等流體機械的應用知識，如水管路中自然循環和機械循環的工作原理與結構特性、不同類型管路中的水力和損失計算、泵與風機的能量轉換原理和性能曲線等，講授難度相對較大。對教師而言，傳統的課堂教學方法僅能夠以板書的形式將各類公式和方程推導并梳理清楚，而工程實踐中的知識點與現實生活中的應用結合極為緊密，若僅采用課堂講授的方式進行教學，則學生無法直觀看到流體在管網或機械內的運動變化，難以理解和消化相應的理論概念；另一方面，學生作為被動的知識接受者，流體輸配管網中存在大量的原理和計算公式，學習時本就枯燥無味，若工程知識點也采用講授的形式進行教學，則課程中所有的內容都將停留于紙面上，學生只能通過背書、推公式和看圖片的方式去記憶管網和流體機械的工作原理并想象其過程，學習時味同嚼蠟，無法激起興趣[4]。最終整個課程將變成死記硬背的“填鴨式”教學，學習效率低下。枯燥的教學方式會讓很多同學對專業知識產生厭煩的心態，甚至將來不愿意從事本專業的工作，對課程專業建設造成不利影響。

自2017年起，全國高校掀起了新工科建設的熱潮。新工科教學建設要求以學生為中心，創新工程教育方式和手段，注重專業能力的培養[5-6]。針對流體輸配管網課程所面臨的教學困難，采用新型教學手段，跳出書本和課堂的局限性，提高學生對專業知識的興趣，使學生擁有自我學習、探索并初步解決專業工程問題的能力符合新工科建設的要求。因此，通過實訓的方式將課程與工程實踐聯系起來，增強學生對專業知識的實際操作和掌控能力成為新工科建設的熱點。

然而，流體輸配管網的知識內容往往涉及大型的建筑工程或復雜的流體機械結構，由于輸配管網通常深埋于建筑內部，采用傳統實訓直接進入施工工地觀察的學習方式不僅費時費力，而且無法看到管網的全貌和管道中流體的狀態；流體機械的生產和加工流程比較復雜，采用現場觀摩學習的傳統實訓方法會給工廠的正常生產秩序帶來困擾，同時生產現場大量的切割、氣焊等加工流程也存在著相應的安全隱患，這些問題都為流體輸配管網的實訓教學帶來了困難。

隨著計算機科學的發展，建模和流體仿真軟件等輔助設計技術已成為工業生產中非常重要的組成部分，如Solidworks，Ansys Fluent等。這些軟件采用不同類型的虛擬技術，以形象化的方式展現模型結構、流動介質工作狀態和發展過程等重要設計內容，是工業生產中極為重要的輔助手段。與傳統的實驗設計方法相比，采用計算機輔助軟件進行工業設計具有耗時短、成本低、安全性高、容易上手等優勢，即使是沒有生產經驗的初學者，也可以通過短時間的學習掌握一定的工業設計能力，非常適合以實訓的方式加入工科教學，因此已有一些學者將其引入教學課程進行試驗：沈冬梅等[7]采用Fluent軟件展示流場速度的變化，加深學生對流場基本概念的理解；劉競之[8]用Fluent軟件模擬離心泵內部流場，加強學生對水力機械的認知；李光明等[9]采用CFX軟件模擬了圓管內部流動，加深了學生對哈根-泊肅葉方程的理解；楊帆等[10]采用CFX軟件模擬了水泵汽蝕現象、出水流道內的流場變化等，提高學生解決具體工程問題的能力。

據此，本文將以Solidworks和Ansys Fluent為代表的建模和流體仿真軟件引入流體輸配管網教學，通過虛擬仿真實訓教學，形象化的講解課程中的原理與設計方法，提高學習效率，并使學生具有一定的工程化設計能力。

1 流體輸配管網課程教學知識點中的重點和難點分析

本文以文獻[1]為授課教材，教學內容中的重點和難點包括以下內容。

1）各類渠道和管網的水力特性計算，如明渠流最優水力斷面計算方法，管道中局部阻力和沿程阻力損失計算，蒸汽壓力管路中的壓損平均法和流速法等計算方法。這些計算公式和方法在不同類型的管道工程化設計中有著明確的作用，但課堂化的教學只能使學生記憶公式的結構形式，或對其計算應用有簡單的了解，無法深入理解其含義及對應的工程意義。

2）各類流體機械的性能計算和結構特點，包括泵與風機性能的歐拉方程，相似律和比轉速，機械內水力損失計算，以及各類泵或風機的構型特征和差異等。不同于流體管道結構相對簡單的特點，流體機械不僅結構多樣，性能計算公式繁多，而且其內部的流體介質在不同工況下的運動狀態也比較復雜，僅依靠板書和PPT的教學方式顯然不足以將流體機械的重要概念和原理解釋清楚，更難以使學生掌握其應用方法。

3）具有工程設計性質的應用實例，如自然循環熱水管網系統的水力設計，蒸汽管路系統的水利設計，流體管網與泵或風機的匹配設計評價等。流體管網和機械的工程設計應用以各類水力計算原理為基礎，同時融合了一些工程性概念和方法，如最不利環路，假定流速法等，這些設計通常具有較長的流程和繁雜的步驟，即使學生能掌握單獨的水力計算原理，在學習設計實例時要能將各類概念有序的糅合并與工程方法結合起來去掌握設計能力也絕非易事，因此從實踐出發，通過切身操作進行學習的實訓教學非常必要。

2 仿真虛擬實訓教學方法設計

根據上文的分析可知，流體輸配管網的難點核心在于課程中計算原理及相關概念比較抽象，而其工程應用則非常具體和廣泛，這就使得該課程的深度和廣度極高，需要花費大量的教學時間才能取得成果。目前，流體輸配管網課程教學時間一般安排為40課時左右，對于傳統的課堂教學方法而言，在教學時間內將知識點完全講述清楚并讓學生順利接受是非常困難的。為此，本文提出基于建模和流體仿真軟件的虛擬實訓，通過動態化和可視化教學來提高該課程的學習效率。

2.1 實訓內容建設

仿真實訓的內容包括實體建模和流場仿真分析兩部分。實體建模主要是采用三維模型軟件繪制常見的流體管網和機械實體，通過拉伸、拔模、放樣等具體流程的組合，使學生掌握繪制工程實體的能力，并通過三維動態視圖、爆炸視圖等方法觀察實體細節，實現模型設計教學可視化和動態化；流場仿真分析主要是采用以ANSYS ICEM和Fluent軟件為代表的仿真軟件對管道和機械中的流體區域進行網格劃分和狀態模擬，并采用以Tecplot和Origin為代表的后處理軟件對結果進行分析，內容包括網格的構建和質量檢測、介質屬性和計算區域設置、邊界條件和計算條件設置，以及模擬結果的云圖和線圖分析等，這些內容涵蓋了流體仿真設計的基本流程，不但可以使學生接觸并熟悉虛擬設計的思路，還能夠以形象化的方式進行輔助教學，如采用數值云圖顯示管道中的局部阻力損失并與水力損失公式的計算結果相比較，采用矢量方法展示水泵中的流動速度分布并與速度三角形理論相對應等，從而加深學生對知識點的理解。

2.2 仿真虛擬實訓流程

1）在制定教學計劃時，流體輸配管網課程的理論教學時間結束后，安排一個短期的計算機輔助實訓，時間約16課時，實訓成績占課程總分的15%。如課程時間安排較為緊張，則可以省去理論教學中涉及部分例題的教學課時，將相應的課時和教學內容放入實訓課程中。同時，從圖書館、數據庫中檢索虛擬軟件的教學材料，為接下來的實訓做準備。

2）在課堂教學時，以課堂提問和隨堂測試的方式檢查學生在學習基礎理論時的難點，如管道突縮如何對流體產生阻力，流體機械的葉型發生變化時其內部流場的具體變化形式等，為輔助實訓提供針對性實踐內容。

3）實訓初期，先利用2課時簡要的講述建模和流體仿真軟件的功能和原理，使學生對輔助設計軟件的基本功能有大致的了解。

4）實訓第一階段：實體建模（4課時左右，成績占比為5%）。該階段可通過互聯網上的材料展示真實工程中的各種管路和水力機械，同時讓學生按照這些實例進行模型繪制和調節，使其充分了解和熟悉管道和機械的結構特征，并掌握相應的模型設計方法，同時為下一階段的仿真設計作準備。

5）實訓第二階段：流體仿真（4課時左右，成績占比為5%）。該階段讓學生以建模結果為基礎，采用ANSYS ICEM，Mesh等軟件劃分網格，隨后采用Fluent等軟件進行流動仿真。流體仿真軟件涉及的計算流體力學概念較多，而這些知識點本科學生一般不涉及，因此在實訓有限的時間內，應當以流體介質狀態和邊界條件設定為重點，讓學生通過調試和模擬理解其對應的工程意義，并通過改變這些設定來計算不同類型的管網和機械工作狀態，掌握一定的仿真設計能力和經驗。

6）實訓第三階段：設計結果分析（4課時左右，成績占比為5%）。經過前面兩階段，已獲得針對工程實例的模擬仿真結果，此時可采用后處理軟件將模擬結果可視化，向學生形象的展示流體管網和機械內工質的流動特征，便于其理解相應的水力計算公式；同時可將分析結果中顯示的數值與例題中的設計計算值相比較，驗證方法的正確性，使學生能夠以形象化和動態化的方式理解并掌握工程設計方法，對符合或不符合要求的設計方案產生具體的映象。

7）最后安排2課時進行實訓總結，對實訓中涉及的建模和仿真技術，結果分析所得的設計經驗，實訓所得的各類結果等進行匯總，整理成實訓報告，教師根據報告和結果給出學生的實訓成績。

2.3 實訓效果

經過初步的嘗試，流體輸配管網的實訓效果已初步展現，在近兩年的學習中，教學投票顯示每年的優良率均在20%以上，平均成績為75.6，較往年有所提高。另外，部分學生通過實訓對建模和仿真軟件的功能產生了興趣，不僅很好地完成了實訓任務，而且在畢業設計中也選擇了與仿真相關的課題，并取得了優良的成績，部分成果如圖1所示。由此可見，建模和流體仿真實訓對流體輸配管網課程的輔助教學作用是非常有效的。

圖1 建模和流體仿真實訓成果

3 結束語

流體輸配管網是能源與動力工程專業中一門重要的專業基礎課，具有很強的理論性和工程性，采用建模和流體仿真軟件進行輔助教學，不但能夠加深學生對水力計算、工作特性等基礎知識的理解，而且可以提高學生的工程設計能力，激發學生自我學習、自我探索的興趣，實現新工科建設中“以學生為中心，注意能力培養”的目標，為社會培養能夠靈活運用專業知識解決工程實踐問題的新型人才。