流體輸配管網虛實互動教學方式設計

中圖分類號：G482;G642；TU995.3 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2025）04-0120-11

復雜流體網絡分析是流體輸配系統分析的重點和難點，傳統教學方式以建模推導為主，比較抽象，很難激發學生的學習興趣和潛能。國外高校沒有對應的課程，但在講授該部分內容時，較多采用軟件進行模擬仿真。近年來，國內部分高校相繼開展仿真教學工作，如北京工業大學建設的虛擬仿真一流課程\"空調風系統管網設計與調試虛擬仿真互動式實驗項目\"，天津商業大學成立了“制冷技術與裝備虛擬仿真實驗教學中心\"2]，揚州大學構建了“基于Dymola軟件建立中央空調系統仿真模型”3]，蘇州科技大學開發了“空調實驗教學虛擬仿真實驗教學平臺\"4]等。由于復雜流體輸配管網如集中供熱、供燃氣管網規模大，拓撲結構復雜，很難構建完備的虛實結合教學平臺，學生學習該部分內容時普遍感覺難、公式推導比較枯燥、看不到計算結果的具體應用、學習積極性不高，因此將虛擬仿真教學與現場實踐教學有機結合，是現階段高校教學的主要發展方向和建設重點[5]。

綜合課程教學情況的問卷調查分析結果，總結課程建設和教學方法的成效與不足[6-11]，，前期已增加了線上課程預習、互動和工程案例展示環節[12]，已經構建了國家級金課平臺，建立了復雜網絡分析程序和實驗平臺，亟需整合三方面的教學資源，將課內學習和課外實驗融合，引導學生理論與實際相結合，增加學生對實物的感知，實現教學與實踐的深度融合[13]。

一、管網系統虛實仿真模型建立的必要性

國家虛擬仿真實驗教學項目遵循“高階性、創新性、挑戰度\"標準，是教育部推出的國家“金課\"之—[14-16]。虛擬仿真實驗教學以教材基礎知識為起點，可結合前沿知識和相關領域的新知識和新方法，充分拓展學生的創新思維和能力。

管網虛實仿真平臺的建設與流體輸配管網課程知識單元緊密結合（圖1），以流體輸配管網課程的核心內容流體網絡水力計算分析為中心，從簡單網到復雜的大規模環狀管網，建立覆蓋所有建筑設備系統流體網絡的仿真模擬實驗臺，學生可以參與設計、選型、搭建、測試、數據分析、軟件應用等各個環節。為此，從三個方面進行課程改革：（1）結合工程實例和建模軟件Revit完成實驗平臺設計，并參與設備選型與購買，完成搭建和調試;（2）結合工程實例和實驗模型，建立基于Flowmaster平臺的仿真模型，模擬實驗工況，完成模擬參數設置，對比實驗測試數據與仿真模擬數據，進行數據處理與分析。最后，針對實際管網運行問題，開發仿真軟件，完善數據庫，為實際應用奠定基礎。

二、復雜管網實驗系統

轉變\"灌輸式\"理論教學，采用實驗教學和理論教學相結合的方式，引導學生將理論知識應用到專業實驗中，幫助學生形成創新意識，提高實踐能力[17-19]。復雜管網實驗系統的初期模型設計基于BIM軟件Autodesk Revit，可以快速創建三維形狀模型，設計復雜的建筑系統。指導學生通過Revit進行三維復雜管網建模，直觀清晰地展示管網系統。利用Revit初步建立復雜管網系統，可參考的綜合管網系統如圖2（a）所示。

管網課程大作業已經初步培養了學生的設計及計算能力，在此基礎上引導學生結合工程實例、書籍案例和規范手冊，完成設計系統的水力計算，根據確定的管道參數和設備參數進行設備選型。綜合供熱管網物理實驗的實驗裝置主要包括電鍋爐、膨脹水箱、水泵（循環水泵、補水泵）、管網、測量儀表等。測量設備及控制儀表包括壓力傳感器、溫度傳感器、電磁流量計、超聲波熱量表、變頻控制柜等，如表1所示。根據現場測量工況和實驗需要，采用分體式電磁流量計和分體式電磁熱量表，方便精確讀數。高位膨脹水箱為方形不銹鋼水箱，尺寸為 500mm×500mm×500mm ，安裝在循環水泵入口處，實現實驗系統的定壓與補水。

綜合學生的探討方案和教學需求，培養學生的發散思維能力，實驗系統設備前后均設置閥門和可拆卸部件，可根據實驗需要改變泵的臺數及電鍋爐數量等，實現多種供熱模式。前期實驗主要關注壓力和流量，后期可加裝負荷模擬器和空調設備，全面監測負荷和參數。在完成設備及材料準備工作的基礎上，引導學生了解實際工程的施工方式，完成實驗臺的搭建。

綜合供熱管網驗臺是多熱源環狀三維立體管網（圖2（b）），實驗系統由供熱熱源、實驗管網和在線數據采集系統三部分組成。熱源采用電鍋爐，兩臺電鍋爐可作為單熱源或雙熱源控制三個環路，同時在回水管道設置了可啟閉的管道泵，可近似為第三熱源，也可用于管網水力平衡調節。實驗環狀管網選用鍍鋅鋼管，管道及局部構件之間采用螺紋連接。管段多處配備活接等可拆卸部件，以便于改造。供回水管道分別設置了控制球閥，可根據實際需求靈活調整管網布置方式（如對稱或非對稱）以及管路的流向等。管道的阻力通過球閥模擬，各用戶的阻力則采用截止閥來模擬。此外，安裝了一對平衡閥（包括靜態和動態）以實現用戶流量和壓力的調節。為方便模擬用戶測工況，供回水干管之間依次安裝進口壓力傳感器、截止閥、平衡閥、電磁流量計、出口壓力傳感器。回水管設置了故障單元，該故障單元可拆卸、可更換、可旋轉，故障點采用多種設置形式（圓形、不規則形狀等）。在供回水管道的不同位置對稱安裝了12個可調節直徑的泄漏點，可模擬單點及多點泄漏等異常工況。在線數據采集系統主要由監測點、NI數據采集模塊、變頻控制柜等實時進行數據采集，并監測信號趨勢，構建運行及故障數據庫，為后續驗證分析奠定基礎。

綜合供熱管網實驗臺能夠通過改變熱源的投人數量，進行單熱源和多熱源管網實驗。實驗管網由三個主環路組成，每個環路均配備特定的閥門開關。通過調節各環路閥門的開閉狀態，可實現枝狀、單環、多環管路的控制。學生可根據對課堂工程案例的理解程度，自由組合熱源數量與管路類型，從單熱源枝狀管路逐步進階到多熱源多環管網，并對不同類型的管網進行水力和熱力工況的模擬操作與調節。

（一）基于壓力、流量和瞬變流方法的管網故障診斷實驗臺

（1）在管網系統設計時，預留多個臨時壓力測點;在故障工況時，可通過計算與實驗測試結果，得到最優化測點布置方案，為管網設計提供普適性策略，并根據選定的壓力測點數據，解決故障工況下的實際問題。

（2）在管網系統不同環路的不同位置（供回水干管、支管、節點等）設置可調節泄漏孔直徑的泄漏管段，并在前方安裝閥門控制泄漏量，通過數據采集系統實現泄漏數據的實時測量，得到泄漏發生時的水力特性參數（流量，壓力等）的變化規律，并根據數據分析結果判斷泄漏源位置。

（3）采用低強度瞬變流動激發器，可產生類似閥門關閉引起的瞬變水擊波的效果，從而避免使用傳統的方法（閥門快速關閉等）產生的不易控制等問題。用于管網系統泄漏瞬變檢測，通過水擊波變化的特征可對管網系統診斷，確定故障的產生與位置；管道因彎曲或機械壓力會變形致使管道堵塞，通過管道堵塞后水力瞬態流動的變化與特性，分析并判斷管道堵塞的位置;管網拓撲結構及規模對瞬變水擊波有一定的影響，可研究實際水擊壓力波的波形畸變和衰減過程。

（二）基于水力、熱力平衡調節管網實驗臺

（1）研究不同工況下（單、雙熱源單環和雙環等）多熱源綜合環狀管網的水力和熱力特性，分析熱網運行過程中，調節泵的轉速以及各處（熱力站、用戶、供回水干管）閥門開度時熱網的非穩態水力響應特性。供水干管和回水干管調節不一致時（只改變一側干管上的閥門），研究整個管網供熱用戶的負荷變化。

（2）針對熱網的水力失調問題，實驗熱力系統一次熱網采用分布式供熱（一次側：變頻水泵 + 水力平衡管組合），二次熱網采用可調節混水供熱（二次側：引射閥 + 變頻水泵），達到水力平衡和節能的目的。

（3）針對熱網系統的熱力平衡問題，在管道多處設置了溫度傳感器，可根據在線采集系統采集的溫度、壓力和流量等數據，分析管道散熱損失對熱力失調問題和節能降耗的影響。

綜合供熱管網實驗臺具備多種功能模式，能夠促進學生思維的發展。每種模式都與課程的核心知識點緊密對應，學生可以根據自己的能力水平選擇感興趣的實驗模式，并以小組合作的方式參與實驗。通過親身參與整個測試和調試過程，加深對課程知識點和課堂大作業工程案例的理解。

三、復雜管網系統虛擬仿真模型的建立

帶領學生認識和學習Flowmaster軟件，根據復雜管網實驗系統，建立基于Flowmaster軟件平臺的1：1虛擬復雜管網仿真模型（圖3）;鼓勵學生根據模擬需求對Flowmaster軟件進行二次開發，快捷實現系統Flowmaster模型及工況數據的更改和計算求解。鼓勵學生不拘于實驗采集系統和模擬軟件數據結果，使用Origin、Matlab等繪圖及數據分析軟件對同工況的實驗數據與仿真數據進行對比分析，更準確地完成信號的統計、處理，曲線擬合以及峰值分析等工作。設置討論和總結環節，針對實際管網運行問題，開發仿真軟件，完善數據庫，為實際應用奠定基礎。此部分內容也可培養學生的科研興趣。

（一）復雜管網系統虛擬仿真軟件介紹

Flowmaster軟件可用于建立管網系統的仿真模型，它是一維流體系統仿真計算工具，可以快速有效地建立精確系統模型，完成管網系統的穩態和瞬態分析。Flowmaster對各種管網系統均可以進行精確的壓力、流量、溫度、流速分析，幫助用戶快速評估并優化系統設計。該軟件支持與多種仿真平臺的聯合仿真，已與Matlab、Star-CD、AnsysFluent和Excel等主流軟件實現了完備接口集成，支持COM、MpCCI、NET、XML等多種通訊協議接口，并可開拓展至PDM、SDM、TDM等平臺。Flowmas-ter軟件可以對求解器（穩態，瞬態等）和計算模型進行封裝，可根據實驗和模擬需求對管網系統工況、參數和模型進行快速更改，實現多種工況的自動求解;自動檢查計算結果，使整個仿真模擬自動化，從而提高工作效率。此外，還方便對流體輸配管網進行運行、故障工況模擬和水錘計算分析。總體而言，Flowmaster的功能完全滿足流體輸配管網教學中各種任務的定制需求，以及工程系統仿真模擬和數據分析需求。

（二）復雜管網系統虛擬仿真建模過程

1.仿真模型的搭建

仿真軟件內含有許多種類組件，如管段類、閥門類、泵類、邊界源類等。根據設計方案選擇適合的類元件，通過節點和連接線連接，Flowmaster內置各種監測和自動控制器，可控制泵的轉速、閥門開度等，監測元件代替傳感器監測溫度、流量、壓力等變量。對模型管網系統進行仿真模擬時，用邏輯節點連接各個組件，用流量和壓力組成的線性方程組來表征流體的流動特性。

2.仿真模型參數設定

Flowmaster軟件通過對多各種元件進行線性化處理，將仿真管網系統的復雜問題轉變為節點的壓力流量設置等問題，克服了傳統方法的繁瑣計算，使流體輸配管網中的瞬變問題更容易求解和分析。針對復雜流體仿真系統中的節點、管段和元件，仿真軟件均配備了相應的網絡模型視圖。在視圖中，用戶可以直接設置組件數據、變量參數及求解方法。為確保參數的精確性，軟件還設有可編輯模塊，便于錄入組件的曲線和方程。此外，用戶亦可自行編寫腳本，構建與流體系統相匹配的模型。該編輯模塊兼容多種編程語言，包括C#、VB.NET、J#、VBScript和JavaScript等。

3.仿真模型的計算和運行

選擇適當的模擬類型（如可壓縮、不可壓縮穩態或瞬態等），設定時間步長等運行參數。在仿真系統模型檢測和編譯成功后，啟動計算。若運行結果不收斂，可根據錯誤報告調整輸入數據參數和日志文件，直至成功運行。通過計算結果監視窗口，可實時觀測變工況下管路各處的參數變化，并根據提示信息持續優化模型，確保其合理性和可靠性。

4.仿真模型的計算結果查看和導出

計算結果存儲于軟件的數據庫中，用戶可通過選擇所需繪制的組件及其結果類型，以表格或圖像形式進行呈現。此外，仿真軟件配備了報告生成功能，能夠生成包括錯誤報告、警告報告、用戶結果報告以及輸入數據核對報告在內的多種報告，以便于用戶分析仿真計算的準確性。

（三）管網系統虛擬仿真軟件的基本計算原理

管網系統的各個元件通過邏輯節點相互連接。為了降低分析難度，將各元件進行線性化處理，進而求解出各節點及支路的壓力和流量。利用流量和壓力這兩個關鍵因素，構建線性方程組，通過求解該方程組來實現管網系統的仿真模擬。在仿真系統中，阻力元件需分為正阻力元件（如管道及各類管件的流體阻力）和負阻力元件（如水泵的流體阻力）。整個系統的求解過程基于矩陣方法，在元件的使用和開發過程中，需滿足以下幾項方程條件。

1.流動阻力方程

有進出口的元件，進口和出口的壓力差等于介質的流動損失系數與密度和速度平方乘積的一半：

式中： p₁?p₂ 分別為元件的進、出口壓力，單位 bar;ρ 為介質的密度，單位 kg/m³;v 為流體的流速，單位m/s 5 為元件中的介質在液體流動方向上的損失系數。

2.質量守恒方程

流經元件兩個出口的流量相等，等于出口截面積與當前截面介質流速的乘積：

Q=A₁ν₁=A₂ν₂，

式中： v₁?v₂ 分別為截面1、截面2介質流速，單位 m/s;A₁，A₂ 分別為截面1、截面2的面積，單位 m² 。

3.壓力損失方程

介質流經組件兩點間的壓力損失等于進、出口的總壓差與高差水壓頭之和：

式中： p₁?p₂ 分別為位置1、位置2的靜壓力，單位Pa; s₁，s₂ 分別為位置1、位置2的中心處標高，單位 m 為位置1和位置2的動壓力，單位 Pa 。

4.換熱方程

元件的進出口溫度差等于介質在此處的熱交換值與質量流量和定壓比熱的商，即能量守恒定律：

式中： T₁，T₂ 分別為元件的進、出口溫度，單位 ^°C;Q 為元件處介質的吸熱或放熱功率，單位 kW;m 為介質的質量流量，單位 kg/s;C_p 為介質的定壓比熱，單位 kJ/kg 。

為模擬系統的求解過程，建立由三個兩端口元件組成的模型，共含3個節點，如圖4所示，計算過程如下：

在三個兩端口的元件組成管網仿真系統模型中，每個元件都可以建立線性方程組，如式（5）式（6）式（7）所示。

元件1：

元件2：

元件3：

利用三個元件的流量公式，對每個節點構建質量守恒方程式（8）式（9）式（10）式（11）。節點1：

節點2：

節點3：

節點4：

各個節點的質量方程，可以用矩陣進行統一表示，如公式（12）：

其分析矩陣為：

以上矩陣中包含的系數均可由相應的元件參數確定。在管網整體系統模型計算過程中，首先根據設定的初始流量進行首次求解，從而獲得各個節點和元件的壓力值。隨后，依據這些壓力值構建方程，推導出新的流量方程，原矩陣中對應的系數將自動更新。系統通過不斷求解新方程，實現反復迭代。當最終結果滿足預設的殘差值時，迭代過程終止，從而獲得模擬計算結果。

（四）開發Flowmaster仿真軟件并完善數據庫

Flowmaster采用專業的數據庫管理工具SQL Server來存儲和讀寫各類數據，包括組件數據、系統參數、模型數據、性能數據、模塊及腳本數據等。SQL Server憑借其強大的搜索和管理功能，確保了數據的開放性和共享性。多個用戶終端能夠安全地共享數據資源，并持續地整合多種工況數據信息，同時根據具體需求進行編輯和定義。然而，Flowmaster軟件對計算結果中的mdf文件大小設定了10G的上限（適用于SQL2010及以上版本），這在流體管網的瞬態分析計算過程中，經常導致內部存儲不足，進而使迫使計算過程被迫終止。因此，對數據庫進行完善和擴充顯得尤為重要。

四、結語

復雜流體管網系統是流體輸配管網課程的重點和難點，學生普遍對環狀管網的水力計算及水力工況分析感到陌生和枯燥，導致課堂參與度低，課后自學和完成大作業的積極性不高。基于多年的教學經驗和相關科研項目的研究，我們構建了一個集復雜流體管網水力算法、軟件仿真、工程實驗平臺于一體的教學平臺和教學模式。目前，教學方式的設計已順利完成，并嘗試進人教學實踐階段。該平臺旨在引導學生根據實際工程問題和流體網絡分析的基本原理，從設計、仿真軟件系統搭建、實例實驗臺測試、數據分析等多個環節入手，全面了解管網系統的設計、故障處理、計算應用等方面。

通過小組討論、質疑、師生互動等方式，鼓勵學生深入分析問題，設計多種方案并從中判定正確結果。倡導學生不拘泥于課本知識，激發其興趣和創新意識，使教學過程既直觀又可操作，從而培養學生的動手能力和自主創新能力。以任務為導向，學生可以結合課程所學，切實參與課程實踐，利用已有知識和經驗，自主嘗試解決新問題，探求新知識。力求做到凡是學生能夠自己解決的問題，鼓勵主動參與。同時，這一過程將加深學生對流體輸配管網課程基礎知識的理解，發展創新思維，最終達到培養學生創新與實踐能力的目標。

虛實結合的教學設計方式旨在推動教學發展，提升教學能力和手段，提高教學質量。復雜管網系統虛實仿真教學涵蓋了實驗系統的設計、搭建和仿真計算模型的創建。這種教學方式打破了傳統教學模式的束縛，深化了學生對流體輸配管網課程基礎知識的理解，推動了創新思維的發展，提升了學生理論聯系實際的能力，并引導學生掌握分析與解決問題的方法，培養了運用專業原理思考問題的良好習慣。遵從本專業提出的\"轉教為啟，變教為導;促學強思，兼學重悟\"專業教育核心理念，進一步鞏固和提升了“做中學與學中做”[20]的教學效果。

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Design of a virtual-actual interactive teaching method in the course of fluid network for transportation and distribution

LIXiangli，CHANGChang，DUANMU Lin，WANG Zongshan （School ofCivil Engineering，Dalian UniversityofTechnology，Dalian116O24，P.R.Chinc

Abstract：Fluid network for transportation and distribution is a core course of building environment and facilitiesenginering.It isa technical basic course for engineering students to learnand master the basic knowledge and design methods in the processof various fluid transmissonand distribution.Taking the opportunity to further deepen the undergraduate teaching reform and connotation construction of Dalian Universityof Technology，and comprehensively improving thequality of talent training，the courseresource platform is reformed in viewof thedeficiencies in thefluid network for transportation anddistribution course.In combination with the construction experience of the first batch of national first-class courses，taking students as thecenter，advocating learning by doing through task-oriented approaches，learning by discussing basic knowledge，and learning by analyzing engineering cases，a virtual-actual interactive teaching method is proposed，and an entity platform of complex fluid network is constructed.At the same time，the corresponding simulation platform is customized，anda virtual-actual interactive platform of simulation，regulationand data collction is established.Online teaching completes the customization of data model and some simulation modules.Ofline，combinedwith the engineering test-bed，the virtual-real process of self-built platformand regulation isactually completed，anda teaching platform integrating algorithms，softwaresimulation and engineering test is built.Students’interest in active learning is stimulated，their subjective initiative in learning ismobilized，their innovative thinking is developed，and their innovationand practicalabilitiesare cultivated.We practice scientific research to feed teaching，transform scientific research results into teaching content，and refine the main points of the course from actual engineering and scientific research problems， which strengthens the breadth and depth of the course content.It help students establish the concept of pipe network system with acertain degree of complexity， which is challenging and exercises students’self-learning and cooperation abilities.The teaching design promotes the deep integration of modern information technology with education and teaching，continuously improves the reform of teaching quality monitoring and guarantee system，and improves the construction of practical teaching system.

Key words： complex fluid network;virtual-actual integration; interactive teaching; innovation and practical ability; self-learning and cooperation ability

（責任編輯 梁遠華）