基于虚拟仿真实训的流体输配管网课程研究*

许啸 沈妍 刘锐 姚江 袁明新

1 江苏科技大学（张家港校区）机电与动力工程学院 江苏苏州 215600 2 江苏科技大学苏州理工学院机电与动力工程学院 江苏苏州 215600

0 引言

流体输配管网是能源与动力工程专业中建筑环境方向重要的专业课程之一，该课程将工程流体力学的基本知识与工程应用中各类输送气、水等流体的设施和机械相结合，阐述相应的计算方法、设计原理和应用方法等知识。其教学目的是采用不同的教学手段，使学生理解不同类型的流体输配管网及机械的结构与原理，掌握管网与水泵、风机等机械的中设计选型、校核计算、调试调节等理论和方法，使学生具备初步的工程能力[1-3]。

从知识体系来看，流体输配管网涉及的内容相当广泛，既包含流体力学中水/气流动边界层、湍流转捩和伯努利方程等基本概念，又涉及工程中各种类型的输水/输气管网和离心泵、风机等流体机械的应用知识，如水管路中自然循环和机械循环的工作原理与结构特性、不同类型管路中的水力和损失计算、泵与风机的能量转换原理和性能曲线等，讲授难度相对较大。对教师而言，传统的课堂教学方法仅能够以板书的形式将各类公式和方程推导并梳理清楚，而工程实践中的知识点与现实生活中的应用结合极为紧密，若仅采用课堂讲授的方式进行教学，则学生无法直观看到流体在管网或机械内的运动变化，难以理解和消化相应的理论概念；另一方面，学生作为被动的知识接受者，流体输配管网中存在大量的原理和计算公式，学习时本就枯燥无味，若工程知识点也采用讲授的形式进行教学，则课程中所有的内容都将停留于纸面上，学生只能通过背书、推公式和看图片的方式去记忆管网和流体机械的工作原理并想象其过程，学习时味同嚼蜡，无法激起兴趣[4]。最终整个课程将变成死记硬背的“填鸭式”教学，学习效率低下。枯燥的教学方式会让很多同学对专业知识产生厌烦的心态，甚至将来不愿意从事本专业的工作，对课程专业建设造成不利影响。

自2017年起，全国高校掀起了新工科建设的热潮。新工科教学建设要求以学生为中心，创新工程教育方式和手段，注重专业能力的培养[5-6]。针对流体输配管网课程所面临的教学困难，采用新型教学手段，跳出书本和课堂的局限性，提高学生对专业知识的兴趣，使学生拥有自我学习、探索并初步解决专业工程问题的能力符合新工科建设的要求。因此，通过实训的方式将课程与工程实践联系起来，增强学生对专业知识的实际操作和掌控能力成为新工科建设的热点。

然而，流体输配管网的知识内容往往涉及大型的建筑工程或复杂的流体机械结构，由于输配管网通常深埋于建筑内部，采用传统实训直接进入施工工地观察的学习方式不仅费时费力，而且无法看到管网的全貌和管道中流体的状态；流体机械的生产和加工流程比较复杂，采用现场观摩学习的传统实训方法会给工厂的正常生产秩序带来困扰，同时生产现场大量的切割、气焊等加工流程也存在着相应的安全隐患，这些问题都为流体输配管网的实训教学带来了困难。

随着计算机科学的发展，建模和流体仿真软件等辅助设计技术已成为工业生产中非常重要的组成部分，如Solidworks，Ansys Fluent等。这些软件采用不同类型的虚拟技术，以形象化的方式展现模型结构、流动介质工作状态和发展过程等重要设计内容，是工业生产中极为重要的辅助手段。与传统的实验设计方法相比，采用计算机辅助软件进行工业设计具有耗时短、成本低、安全性高、容易上手等优势，即使是没有生产经验的初学者，也可以通过短时间的学习掌握一定的工业设计能力，非常适合以实训的方式加入工科教学，因此已有一些学者将其引入教学课程进行试验：沈冬梅等[7]采用Fluent软件展示流场速度的变化，加深学生对流场基本概念的理解；刘竞之[8]用Fluent软件模拟离心泵内部流场，加强学生对水力机械的认知；李光明等[9]采用CFX软件模拟了圆管内部流动，加深了学生对哈根-泊肃叶方程的理解；杨帆等[10]采用CFX软件模拟了水泵汽蚀现象、出水流道内的流场变化等，提高学生解决具体工程问题的能力。

据此，本文将以Solidworks和Ansys Fluent为代表的建模和流体仿真软件引入流体输配管网教学，通过虚拟仿真实训教学，形象化的讲解课程中的原理与设计方法，提高学习效率，并使学生具有一定的工程化设计能力。

1 流体输配管网课程教学知识点中的重点和难点分析

本文以文献[1]为授课教材，教学内容中的重点和难点包括以下内容。

1）各类渠道和管网的水力特性计算，如明渠流最优水力断面计算方法，管道中局部阻力和沿程阻力损失计算，蒸汽压力管路中的压损平均法和流速法等计算方法。这些计算公式和方法在不同类型的管道工程化设计中有着明确的作用，但课堂化的教学只能使学生记忆公式的结构形式，或对其计算应用有简单的了解，无法深入理解其含义及对应的工程意义。

2）各类流体机械的性能计算和结构特点，包括泵与风机性能的欧拉方程，相似律和比转速，机械内水力损失计算，以及各类泵或风机的构型特征和差异等。不同于流体管道结构相对简单的特点，流体机械不仅结构多样，性能计算公式繁多，而且其内部的流体介质在不同工况下的运动状态也比较复杂，仅依靠板书和PPT的教学方式显然不足以将流体机械的重要概念和原理解释清楚，更难以使学生掌握其应用方法。

3）具有工程设计性质的应用实例，如自然循环热水管网系统的水力设计，蒸汽管路系统的水利设计，流体管网与泵或风机的匹配设计评价等。流体管网和机械的工程设计应用以各类水力计算原理为基础，同时融合了一些工程性概念和方法，如最不利环路，假定流速法等，这些设计通常具有较长的流程和繁杂的步骤，即使学生能掌握单独的水力计算原理，在学习设计实例时要能将各类概念有序的糅合并与工程方法结合起来去掌握设计能力也绝非易事，因此从实践出发，通过切身操作进行学习的实训教学非常必要。

2 仿真虚拟实训教学方法设计

根据上文的分析可知，流体输配管网的难点核心在于课程中计算原理及相关概念比较抽象，而其工程应用则非常具体和广泛，这就使得该课程的深度和广度极高，需要花费大量的教学时间才能取得成果。目前，流体输配管网课程教学时间一般安排为40课时左右，对于传统的课堂教学方法而言，在教学时间内将知识点完全讲述清楚并让学生顺利接受是非常困难的。为此，本文提出基于建模和流体仿真软件的虚拟实训，通过动态化和可视化教学来提高该课程的学习效率。

2.1 实训内容建设

仿真实训的内容包括实体建模和流场仿真分析两部分。实体建模主要是采用三维模型软件绘制常见的流体管网和机械实体，通过拉伸、拔模、放样等具体流程的组合，使学生掌握绘制工程实体的能力，并通过三维动态视图、爆炸视图等方法观察实体细节，实现模型设计教学可视化和动态化；流场仿真分析主要是采用以ANSYS ICEM和Fluent软件为代表的仿真软件对管道和机械中的流体区域进行网格划分和状态模拟，并采用以Tecplot和Origin为代表的后处理软件对结果进行分析，内容包括网格的构建和质量检测、介质属性和计算区域设置、边界条件和计算条件设置，以及模拟结果的云图和线图分析等，这些内容涵盖了流体仿真设计的基本流程，不但可以使学生接触并熟悉虚拟设计的思路，还能够以形象化的方式进行辅助教学，如采用数值云图显示管道中的局部阻力损失并与水力损失公式的计算结果相比较，采用矢量方法展示水泵中的流动速度分布并与速度三角形理论相对应等，从而加深学生对知识点的理解。

2.2 仿真虚拟实训流程

1）在制定教学计划时，流体输配管网课程的理论教学时间结束后，安排一个短期的计算机辅助实训，时间约16课时，实训成绩占课程总分的15%。如课程时间安排较为紧张，则可以省去理论教学中涉及部分例题的教学课时，将相应的课时和教学内容放入实训课程中。同时，从图书馆、数据库中检索虚拟软件的教学材料，为接下来的实训做准备。

2）在课堂教学时，以课堂提问和随堂测试的方式检查学生在学习基础理论时的难点，如管道突缩如何对流体产生阻力，流体机械的叶型发生变化时其内部流场的具体变化形式等，为辅助实训提供针对性实践内容。

3）实训初期，先利用2课时简要的讲述建模和流体仿真软件的功能和原理，使学生对辅助设计软件的基本功能有大致的了解。

4）实训第一阶段：实体建模（4课时左右，成绩占比为5%）。该阶段可通过互联网上的材料展示真实工程中的各种管路和水力机械，同时让学生按照这些实例进行模型绘制和调节，使其充分了解和熟悉管道和机械的结构特征，并掌握相应的模型设计方法，同时为下一阶段的仿真设计作准备。

5）实训第二阶段：流体仿真（4课时左右，成绩占比为5%）。该阶段让学生以建模结果为基础，采用ANSYS ICEM，Mesh等软件划分网格，随后采用Fluent等软件进行流动仿真。流体仿真软件涉及的计算流体力学概念较多，而这些知识点本科学生一般不涉及，因此在实训有限的时间内，应当以流体介质状态和边界条件设定为重点，让学生通过调试和模拟理解其对应的工程意义，并通过改变这些设定来计算不同类型的管网和机械工作状态，掌握一定的仿真设计能力和经验。

6）实训第三阶段：设计结果分析（4课时左右，成绩占比为5%）。经过前面两阶段，已获得针对工程实例的模拟仿真结果，此时可采用后处理软件将模拟结果可视化，向学生形象的展示流体管网和机械内工质的流动特征，便于其理解相应的水力计算公式；同时可将分析结果中显示的数值与例题中的设计计算值相比较，验证方法的正确性，使学生能够以形象化和动态化的方式理解并掌握工程设计方法，对符合或不符合要求的设计方案产生具体的映象。

7）最后安排2课时进行实训总结，对实训中涉及的建模和仿真技术，结果分析所得的设计经验，实训所得的各类结果等进行汇总，整理成实训报告，教师根据报告和结果给出学生的实训成绩。

2.3 实训效果

经过初步的尝试，流体输配管网的实训效果已初步展现，在近两年的学习中，教学投票显示每年的优良率均在20%以上，平均成绩为75.6，较往年有所提高。另外，部分学生通过实训对建模和仿真软件的功能产生了兴趣，不仅很好地完成了实训任务，而且在毕业设计中也选择了与仿真相关的课题，并取得了优良的成绩，部分成果如图1所示。由此可见，建模和流体仿真实训对流体输配管网课程的辅助教学作用是非常有效的。

图1 建模和流体仿真实训成果

3 结束语

流体输配管网是能源与动力工程专业中一门重要的专业基础课，具有很强的理论性和工程性，采用建模和流体仿真软件进行辅助教学，不但能够加深学生对水力计算、工作特性等基础知识的理解，而且可以提高学生的工程设计能力，激发学生自我学习、自我探索的兴趣，实现新工科建设中“以学生为中心，注意能力培养”的目标，为社会培养能够灵活运用专业知识解决工程实践问题的新型人才。