过程流体机械课程中的科学研究方法案例分析

张 波 张芳芳 李国培 马 璐 董华东

（郑州轻工业大学能源与动力工程学院，河南 郑州 450002）

0 引言

过程流体机械课程是过程装备与控制工程专业的核心课程之一，主要面向本科三年级下学期这一阶段的学生开设，旨在系统讲解过程工业中典型过程流体机械的结构特点、工作原理、性能调节、运行维护以及安全可靠性等方面的知识，使得学生能够获得较为扎实的单元过程机器的相关知识并融入专业“一体两翼”的教学设计中，培养学生成为具有解决工程实际问题能力的应用型工程技术人才。作为本科阶段三年级的学生，处于高等教育本科阶段的中间点，承上启下，其本身经过大学两年的不断学习和熏陶，已经逐步掌握了大量的数学、自然科学和工程基础知识和基本原理，具备了一定的人文社会科学素养和社会责任感，能够在团队中进行有效的沟通和交流，自主学习和终身学习的意识也逐步建立，这些都为进入专业课程教育和实践做好了准备，同时也为进行科学研究打下了一定的基础。

过程装备与控制工程专业人才培养方案毕业要求中明确提出：能够基于科学原理并采用科学方法对过程工业领域中的装备设计制造、检验检测及过程控制中的复杂工程问题进行研究，包括设计实验、分析与解释数据，并通过信息综合得到合理有效的结论。具体的实施过程中有以下措施，如大学生科技活动、创新创业项目、开放性实验项目、各类竞赛以及走进教师科研实验室等。通过这些实践环节，使学生自主学习意识、科学研究素养和创新创造思维不断提升，最终应用于解决实际的复杂工程问题，进而满足毕业要求[1]。

作为支撑专业毕业要求达成课程体系中主干课程之一的过程流体机械，由于流体机械运动部件的存在，导致内部流动复杂，工作过程难以理解，更应该深入挖掘课程中蕴含的科学研究方法，在传授专业知识的同时培养学生的科研素养以及追求真理、严谨治学的求实精神。这种基于科学研究方法案例的教学方式更有利于提高学生学习的积极性和主动性，提高学生创新创业的基本能力，对于课程的教学改革和持续改进有着重大的意义。下面本文将讨论过程流体机械课程中蕴含的三个科学研究案例及具体教学实施过程。

1 案例分析

1.1 离心式流体机械分析

目前过程装备与控制工程专业下的过程流体机械课程主要针对过程工业中典型的流体机械展开，即“两机一泵”：往复式和离心式压缩机、离心机以及离心泵。从内容上可提取得到关键词，即“离心”，大部分的过程流体机械均采用了离心式。那么为什么离心式机械应用如此广泛呢？这个问题的探讨有利于学生加深对整个课程内容的理解，起到提纲挈领的作用。从能量转换的角度来看，此类流体机械都属于工作机，即通过机械对流体施加作用力做功，将机械能转变为流体的能量，从而改变流体的状态，比如提高流体的压力，对混合流体进行分离以及流体的输运等。对于流体这种连续介质来说，需要施加的是外界力场。最容易获得的是天然的重力场，但其强度太低，且往往达不到工艺流程要求或不满足工业的规模化生产的要求。人工力场最容易获得的是离心力场，离心力场可通过旋转运动方便地建立起来，且其强度可控，能够满足工艺流程的要求和过程工业规模化生产的需要。而旋转运动可通过电动机、蒸汽轮机或燃气轮机输出轴功来实现，特别是电动机的应用在各行各业已经极其广泛。因此离心式流体机械的应用也非常广泛。整个过程如图1所示。需要说明的是，即便是往复式压缩机，也是利用曲柄连杆机构将曲轴的旋转运动转化为活塞的往复运动。通过对该问题的层层分析和递进，在对课程内容有全局把控的同时，培养学生的科研思维能力。

1.2 往复式压缩机实际循环分析

压缩机级的实际循环极为复杂，影响因素众多，主要体现在气缸内余隙容积的存在，进排气通道及气阀的阻力，气体与气缸接触壁面间的温差、气缸密封性、压力脉动以及气体性质等，这就导致实际循环的压力容积即p-V图极为复杂，在进行分析时无从下手，无法计算实际循环级的排气量和实际循环指示功等关键参数。为此，需要针对实际循环抓住主要特征建立一个合理的理论模型，可在此基础上进行模型修正得到正确合理的结果。据此抽象得到一个理论循环由进气、压缩和排气三个过程组成，在此过程中，气缸没有余隙容积，进排气过程恒温恒压，气缸无泄漏，工质为理想气体，压缩过程的多变指数保持不变。此时很容易得到理论循环级的进气量即为气缸的行程容积，理论循环指示功可直接积分得到。在此基础上将理论循环进一步往前推进，考虑气缸余隙容积的影响，即带余隙容积的理论循环。余隙容积内残留高压气体的膨胀，可用容积系数来考虑循环实际进气量的减少，循环指示功也可由两个积分之差得到。最后，考虑名义进排气压力并引入相对压力损失用平均值代替动态变化的进排气压力，引入等效的定值膨胀指数和压缩多变指数，气体压缩性系数修正气体热力性质等即可将实际循环的p-V图简化为带余隙容积的理论循环用于分析和计算。循环p-V图分析过程如图2所示[2]。循环排气量根据名义条件需要在容积系数的基础上进一步引入温度系数、压力系数和泄漏系数，其分析过程如图3所示[3]。结合本门课程的压缩机排气量和功率测定实验，可有效加深对该知识点的掌握程度，体现模型修正科学研究的方法和工程应用价值。

1.3 离心泵汽蚀余量分析

汽蚀是离心泵中特有的一种现象，其本质原因是叶轮叶片入口附近低压区液体压力低于当前温度对应的饱和蒸汽压时，液体内部开始汽化，产生气泡。气泡输运到高压区域溃灭，经过一系列复杂持续的物理化学过程，对叶片表面造成严重的破坏。那么怎么来判断离心泵是否会发生汽蚀呢？如何指导提高离心泵的抗汽蚀性能？如何指导安装运行来防止离心泵发生汽蚀呢？显然，仅仅依靠上述压力不等式这一判据并不能有效地解决这些问题，叶轮叶片入口附近低压区位置难以确定，且其压力无法直接测量得出。为此，需要转移研究对象，引入伯努利方程将上述判据转化为有效汽蚀余量和必需汽蚀余量的关系，前者与泵前装置及其安装位置有关，即用户参数，后者与泵本身的结构形式有关，即厂家参数，进而得到提高离心泵抗汽蚀性能的措施并用于指导离心泵的安装和运行，如图4所示。由此可见，离心泵汽蚀余量分析过程体现了研究对象转移的巧妙方法，从汽蚀发生的本质原因这一理论基础出发，实现了理论知识向工程实践的转换，以此解决实际的复杂工程问题，让同学们更加真切地感受到理论联系实践的内涵。

2 教学措施及存在问题

在科学研究方法案例的教学实施过程中，仅靠课堂上老师的理论讲述仍然显得不够充分，为此需要以学生为主体，引导学生发现问题，挖掘问题中的科学内涵，最终解决问题。具体的教学措施可从以下两个方面入手：

2.1 案例分析与专业实验相结合

往复式压缩机实际循环的分析过程中，体现了模型修正科学研究的方法和工程应用价值，这些能够在压缩机功率及排气量实验中得到完美展示。通过比较电机输入功率，实际测量的压缩机消耗功率，以及由以上理论模型修正后得到的功率，能够加深学生对该知识点的掌握和对科学研究方法准确性的理解。

2.2 案例分析与虚拟仿真相结合

对离心压缩机和离心泵等动力式流体机械来说，其结构特点是具有高速旋转的叶轮，以此来建立离心力场，这就导致内部流动复杂，体现在流场的非稳态性和非均匀性上。对叶轮机械的虚拟仿真能够以较低的成本获得极其丰富的流场细节，特别是主流与二次流的掺混，分析流动损失的来源和流体压力增加的具体过程。

目前以上案例教学的主要问题在于没有合理的量化考核方法，其效果主要体现在学生综合素养特别是科研素养的培养上。因此，如何合理对学生进行分组，完成对科学研究方法案例的解析，突出科研素养的实际效果，是过程流体机械课程进一步教学改革和持续改进的方向。

3 结语

本文从三个案例出发讨论了过程流体机械课程中蕴含的科学研究内涵，通过具体案例的详细阐述和课程内容的精心设计，实现学生对课程内容的全局把控和核心知识点的掌握，培养学生的科研素养，以及运用理论知识解决相关复杂工程问题的能力，为专业毕业要求的达成提供有力支撑。