數(shù)值仿真CFD方法在水泵與水泵站教學(xué)中的應(yīng)用研究

摘要：本文深入探討了數(shù)值仿真CFD方法在水泵與水泵站課程教學(xué)中的應(yīng)用。水泵與水泵站是能源與動力工程專業(yè)重要的專業(yè)課程，目前傳統(tǒng)式的授課模式依舊存有顯著的不足。通過全面分析傳統(tǒng)教學(xué)方法的局限性，闡明了在本科水泵與水泵站教學(xué)中引入數(shù)值仿真CFD方法的必要性和緊迫性。詳盡闡釋了數(shù)值仿真技術(shù)在水泵與水泵站教學(xué)中的具體應(yīng)用形式以及顯著優(yōu)勢，包含了輔助理論教學(xué)、開展實踐教學(xué)以及推動課程設(shè)計等多個方面。通過剖析數(shù)值仿真方法在水泵與水泵站教學(xué)中的應(yīng)用形式，展示了數(shù)值仿真方法對學(xué)生學(xué)習(xí)成效的促進作用。與此同時，深度研討了應(yīng)用該技術(shù)所遇到的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，并給出了對應(yīng)的解決策略，為水泵與水泵站課程教學(xué)的進步與發(fā)展提供了重要的參考。

關(guān)鍵詞：能源與動力工程；數(shù)值仿真技術(shù)；水泵；實踐教學(xué)；能力培養(yǎng)

1"概述

在新工科時代的大背景之下，強調(diào)以學(xué)生為核心、側(cè)重能力培育、推動個性化發(fā)展的教育理念正逐步成為主流趨勢[1]。數(shù)值仿真技術(shù)在工科理論教學(xué)中發(fā)揮著重要的作用，為現(xiàn)代創(chuàng)新人才[]培養(yǎng)做出了巨大的貢獻[2-3]。首先，它能增強理論知識的直觀性。在理論教學(xué)中所涉及的諸多抽象概念以及復(fù)雜原理，借助數(shù)值仿真能夠轉(zhuǎn)變?yōu)橹庇^的圖像、動態(tài)的過程以及具體的數(shù)據(jù)[4]。如此一來，學(xué)生不再單純地依靠想象去理解理論，而是能夠“親眼目睹”知識的展現(xiàn)，極大程度地降低了理解的難度，提升了學(xué)習(xí)的效率。其次，能夠切實有效地促進理論與實踐的緊密融合。數(shù)值仿真技術(shù)為學(xué)生搭建了一個將所學(xué)理論直接運用于實際情境的良好平臺。學(xué)生在操作過程中能夠親身感受理論是如何指引實踐的，進而消除理論與實踐之間的鴻溝，構(gòu)建起完整的知識體系[5]。最后，有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維以及研究能力。數(shù)值仿真實踐需要學(xué)生提出假設(shè)、設(shè)計方案、分析數(shù)據(jù)并得出結(jié)論。這一過程與科學(xué)研究的基本步驟較為相似，能夠為他們?nèi)蘸髲氖驴蒲泄ぷ骰蛘呓鉀Q復(fù)雜的實際問題筑牢根基。綜上所述，數(shù)值仿真技術(shù)在理論教學(xué)中具有多方面的重要意義，能夠顯著提升理論教學(xué)的效果，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力和素養(yǎng)。

揚州大學(xué)泵站試驗臺（流體動力工程實驗室）是江蘇省水利動力工程重點實驗室（省級重點實驗室）的重要組成部分。2007年10月以揚州大學(xué)能源與動力工程學(xué)院名義申請并通過江蘇省正式鑒定。泵站系統(tǒng)是揚州大學(xué)優(yōu)勢和特色學(xué)科，本文針對水泵與水泵站這一能源與動力工程專業(yè)的專業(yè)核心課程，闡述了虛擬仿真CFD方法在其教學(xué)上的應(yīng)用。

2"水泵與水泵站課程的教學(xué)現(xiàn)狀及存在問題

水泵與水泵站課程是水利水電工程專業(yè)重要的專業(yè)課程，然而目前該課程的傳統(tǒng)授課形式主要存在以下幾點不足。

（1）在水泵與水泵站課程里，有關(guān)流體力學(xué)的理論及控制方程，涵蓋了深奧的數(shù)學(xué)推導(dǎo)以及抽象的概念構(gòu)建[6]。學(xué)生僅僅依靠書本上的文字描述和二維簡圖，難以深入地洞察流體的流動規(guī)律以及能量轉(zhuǎn)換的過程。（2）實驗教學(xué)在水泵與水泵站課程中占據(jù)著重要地位，但在實際運用中卻受到多種因素的制約。一方面，實驗設(shè)備的更新速率遲緩，導(dǎo)致學(xué)生難以接觸到最為先進的技術(shù)和設(shè)備；另一方面，鑒于實驗設(shè)備的數(shù)量稀缺和實驗場地的受限，學(xué)生無法開展深入的實踐操作[7]。（3）水泵與水泵站傳統(tǒng)的教學(xué)方法往往以教師為中心，主要憑借課堂講授和演示等單向的知識傳遞模式來傳授知識[8]。此種模式難以切實有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，致使學(xué)生在上課時注意力分散，學(xué)習(xí)效果不佳。

3"數(shù)值仿真在水泵與水泵站教學(xué)中的應(yīng)用

3.1"CFD方法在水泵與水泵站教學(xué)中的優(yōu)勢

（1）輔助理論教學(xué)。數(shù)值仿真技術(shù)可以呈現(xiàn)出多種泵型內(nèi)復(fù)雜的流動現(xiàn)象。通過數(shù)值仿真軟件生成的高精確度三維流動圖像和動畫，諸如流體在葉輪內(nèi)部的流動軌跡、速度分布以及壓力變化等細(xì)節(jié)，能夠把抽象難懂的理論知識轉(zhuǎn)變?yōu)橹庇^形象的視覺信息，從而使學(xué)生更好地理解流體機械內(nèi)部復(fù)雜多變的流動現(xiàn)象和工作原理[9-10]。（2）輔助開展實踐教學(xué)。可以輔助教師設(shè)計出更優(yōu)的實驗案例。教師依據(jù)明晰的教學(xué)目標(biāo)以及重點和難點，通過數(shù)值仿真的實驗案例，為學(xué)生在虛擬環(huán)境里營造豐富的實驗操作機會。例如，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計出不同葉輪結(jié)構(gòu)（如葉片數(shù)量、形狀、扭曲角度等），借助數(shù)值計算的方式獲取不同結(jié)構(gòu)下泵的內(nèi)外特性。（3）培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維。學(xué)生可以根據(jù)興趣改變泵結(jié)構(gòu)參數(shù)，如葉輪直徑、葉片角度等，仔細(xì)觀察其對流體機械性能產(chǎn)生的細(xì)微影響。這一舉措有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和實踐能力，為后續(xù)繼續(xù)進修或者解決工程問題筑牢根基。

3.2"CFD方法在水泵與水泵站教學(xué)中的案例

（1）該技術(shù)在離心葉輪內(nèi)流場特性認(rèn)識的教學(xué)案例。在講解離心泵工作原理時，巧妙運用數(shù)值仿真技術(shù)生動展示流體在葉輪中的流動軌跡和壓力分布（圖1）。學(xué)生能夠清晰直觀地看到流體在葉輪中的流動特征以及內(nèi)部的減速增壓過程。通過對這些模擬結(jié)果的展示，學(xué)生能夠更好地理解離心泵的工作原理、性能特點以及優(yōu)化方向。同時，鼓勵學(xué)生自主改變轉(zhuǎn)速、葉輪結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵參數(shù)進行數(shù)值仿真，仔細(xì)觀察其對離心泵性能的顯著影響，從而有效培養(yǎng)學(xué)生的動手實踐能力和創(chuàng)新思維。

（2）通過該技術(shù)可以設(shè)計出微型流體試驗系統(tǒng)。微型實驗系統(tǒng)可以向本科生展示泵站系統(tǒng)的主要組成部分。然而受限于實驗場地空間，目前在實驗室中還無法設(shè)計出規(guī)模較大的實驗系統(tǒng)，因此微型實驗系統(tǒng)的設(shè)計至關(guān)重要。學(xué)生通過三維建模和數(shù)值仿真技術(shù)對實驗系統(tǒng)的整體尺寸進行了優(yōu)化設(shè)計（圖2），在保證實驗臺能滿足實驗?zāi)繕?biāo)的前提下，不但可以大幅縮減實驗占地空間，還能顯著節(jié)約實驗成本。

3.3"數(shù)值仿真技術(shù)在水泵與水泵站教學(xué)中的優(yōu)勢

首先，學(xué)生可以自主改變實驗參數(shù)，深入探究不同因素對流體機械性能的微妙影響。這種出色的可重復(fù)性使得學(xué)生能夠更加系統(tǒng)、全面且深入地研究問題，敏銳地發(fā)現(xiàn)潛在規(guī)律，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)研究方法和創(chuàng)新思維，圖3是數(shù)值仿真技術(shù)的主要實現(xiàn)步驟。

其次，相較于傳統(tǒng)的二維圖形，三維的流場動畫可以讓學(xué)生直觀地看到泵內(nèi)流體的速度、壓力等關(guān)鍵參數(shù)的分布特性和動態(tài)變化，使學(xué)生更容易理解泵內(nèi)的復(fù)雜流動現(xiàn)象，從而在大腦中構(gòu)建起更加深刻和全面的物理圖像。

最后，與傳統(tǒng)的實驗方法相比，數(shù)值仿真無需投入大量的實驗設(shè)備、材料以及場地等資源，大幅降低了教學(xué)成本。同時，學(xué)生能夠在相對較短的時間內(nèi)完成泵在不同工況下的流場分析，迅速獲取準(zhǔn)確結(jié)果，顯著提高了學(xué)習(xí)效率。

4"CFD方法在教學(xué)應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)

事實上，數(shù)值仿真CFD技術(shù)主要應(yīng)用于研究生的科學(xué)研究，但在本科教學(xué)中依然存在以下幾個難點：（1）CFD軟件對于本科生的學(xué)習(xí)難度較大，其通常具有較為復(fù)雜的操作界面、較多的菜單板塊和精細(xì)的參數(shù)設(shè)置，這對學(xué)生的計算機基礎(chǔ)知識和學(xué)習(xí)能力提出了較高的要求。對于初學(xué)者而言，可能會導(dǎo)致學(xué)生產(chǎn)生畏難心理，影響學(xué)習(xí)CFD軟件的積極性。（2）整套CFD技術(shù)通常需要強大的計算資源支持。然而，目前學(xué)校的計算資源往往相對有限，難以滿足所有學(xué)生同時進行大規(guī)模數(shù)值模擬的迫切需求，從而限制工作開展。（3）目前高校的專任教師通常專注于某個研究方向，部分教師對CFD技術(shù)的知識儲備不足，導(dǎo)致對數(shù)值仿真技術(shù)的研究不夠深入和全面，缺乏實際的工程應(yīng)用經(jīng)驗，無法較好的指導(dǎo)學(xué)生相關(guān)學(xué)習(xí)過程。

5"CFD方法在課程教學(xué)中的實現(xiàn)策略

盡管CFD技術(shù)在泵與泵站本科教學(xué)中的應(yīng)用依然存在一定的問題，但由于該技術(shù)的特有優(yōu)勢，最終一定會融合到該課程的本科教學(xué)中。首先，可以開設(shè)專業(yè)軟件培訓(xùn)課程，加強對該方法的理解與應(yīng)用。在課程體系中增設(shè)專門且系統(tǒng)的數(shù)值仿真軟件培訓(xùn)課程，由淺入深、循序漸進地引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)。同時，提供豐富的在線學(xué)習(xí)資源和詳細(xì)教程，為學(xué)生創(chuàng)造便利的自主學(xué)習(xí)條件。其次，可以建立先進的云平臺計算系統(tǒng)。充分利用云計算技術(shù)，搭建高性能、大容量的計算平臺，為學(xué)生提供充足的計算資源。學(xué)生可以通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程軟件便捷地訪問云計算平臺，輕松提交自己的數(shù)值模擬任務(wù)。最后，加強教師有關(guān)CFD技術(shù)的專業(yè)培訓(xùn)，提高CFD技術(shù)在本科教學(xué)中的應(yīng)用范圍。積極組織教師參加數(shù)值仿真技術(shù)的專業(yè)培訓(xùn)和學(xué)術(shù)交流活動，邀請行業(yè)內(nèi)的專家進行深入的講座和專業(yè)的指導(dǎo)，提高教師相關(guān)專業(yè)能力。同時，鼓勵教師參與相關(guān)的工程實踐，積累豐富的實際經(jīng)驗，以便為學(xué)生提供更專業(yè)的教學(xué)指導(dǎo)。

結(jié)語

CFD技術(shù)在水泵與水泵站課程教學(xué)中的應(yīng)用為教學(xué)改革帶來了全新的機遇。通過合理且有效地運用數(shù)值仿真CFD技術(shù)，能夠全面提升綜合教學(xué)質(zhì)量，切實增強學(xué)生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力，成功培養(yǎng)出適應(yīng)現(xiàn)代泵站工程需求的高素質(zhì)專業(yè)人才。然而，在應(yīng)用過程中需要充分且清晰地認(rèn)識到所面臨的各種問題，并采取科學(xué)有效的解決策略，持續(xù)完善教學(xué)條件和教學(xué)方法，以充分發(fā)揮數(shù)值仿真技術(shù)的顯著優(yōu)勢，為水泵與水泵站課程教學(xué)的蓬勃發(fā)展注入強大的活力。

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基金項目：國家自然科學(xué)基金青年基金項目（52409121）；揚州大學(xué)本科專業(yè)品牌化建設(shè)與提升工程（ZYPP2018C032）

作者簡介：劉曉東（1993—""），男，滿族，河北平泉人，博士研究生，講師，研究方向：水利工程；黃先北（1991—""），男，漢族，江西贛州人，博士研究生，副教授，研究方向：動力工程；郭嬙（1988—""），漢族，河北張家口人，博士研究生，副教授，研究方向：流體機械。仇寶云（1962—""），男，漢族，江蘇揚州人，教授，研究方向：泵站工程；李小川（1976—""），男，漢族，河南焦作人，博士研究生，副教授，研究方向：多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)。