基于CAD與CFD軟件的泵和壓縮機(jī)課程教學(xué)改革實(shí)踐

張金亞

摘要：泵和壓縮機(jī)課程是很多專業(yè)的必修課，該課程教學(xué)任務(wù)繁重，教學(xué)內(nèi)容抽象，如何將復(fù)雜的問題簡單化，將抽象的問題具體化是擺在任課教師面前的一個(gè)難題。論文提出將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer Aided Design，CAD）和計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）軟件引入到課堂教學(xué)中，通過旋轉(zhuǎn)、拆卸和組裝各種零部件講授泵和壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)組成，通過內(nèi)流場數(shù)值模擬結(jié)果講授泵和壓縮機(jī)的能量轉(zhuǎn)換原理及其運(yùn)行過程中的能量變化過程。通過課堂實(shí)踐，反映了這種教學(xué)方式的優(yōu)勢，明顯提高了學(xué)生的課堂參與度，增強(qiáng)了學(xué)生的理解能力，提升了教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：泵和壓縮機(jī)；教學(xué)改革；CAD；CFD

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）12-0105-03

泵和壓縮機(jī)是將原動(dòng)機(jī)所做的功轉(zhuǎn)換成被輸送流體壓力能和動(dòng)能的流體機(jī)械，其中輸送液體介質(zhì)并提高其能頭的機(jī)械稱為泵；輸送氣體介質(zhì)并提高其能頭的機(jī)械按輸出壓力的大小又可分為通風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)[1]。泵和壓縮機(jī)的用途廣泛，幾乎遍及工業(yè)和農(nóng)業(yè)各個(gè)生產(chǎn)領(lǐng)域，如礦山、冶金、石油化工、電力、國防、水利等，所以說泵和壓縮機(jī)又是通用機(jī)械。石油化工生產(chǎn)過程中的原料、半成品和成品大多是流體，因此泵和壓縮機(jī)在其生產(chǎn)中占有非常重要的地位。泵和壓縮機(jī)課程是我校能源與動(dòng)力工程、油氣儲(chǔ)運(yùn)工程等專業(yè)的必修課，設(shè)置在本科三年級(jí)第一學(xué)期，主要講解各種類型泵和壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理、工作特性以及選用原則等知識(shí)內(nèi)容。該課程知識(shí)點(diǎn)多，教學(xué)任務(wù)重，同時(shí)，課程內(nèi)容抽象，因此，出現(xiàn)了教師教學(xué)累，學(xué)生學(xué)不會(huì)等諸多問題。

一、泵和壓縮機(jī)教學(xué)過程中存在的問題及對(duì)策

泵和壓縮機(jī)課程教學(xué)涉及到離心泵、往復(fù)泵、螺桿泵、射流泵、離心式壓縮機(jī)、往復(fù)式壓縮機(jī)、螺桿壓縮機(jī)等多種機(jī)械類型，每種類型的泵和壓縮機(jī)工作原理、結(jié)構(gòu)組成、能量轉(zhuǎn)換理論等均不相同，教學(xué)任務(wù)繁重，教學(xué)內(nèi)容抽象。然而，隨著寬口徑、應(yīng)用型人才培養(yǎng)等教學(xué)改革理念的進(jìn)行，泵和壓縮機(jī)課程的教學(xué)學(xué)時(shí)被不斷壓縮。如何將復(fù)雜、抽象的眾多知識(shí)點(diǎn)以清晰、簡潔的方式講授給學(xué)生成為擺在泵和壓縮機(jī)任課教師面前的一個(gè)難題。

姬忠禮[2]提出泵和壓縮機(jī)教材內(nèi)容的及時(shí)更新和與時(shí)俱進(jìn)，既要順應(yīng)我國石油天然氣儲(chǔ)運(yùn)行業(yè)的工程發(fā)展需求，又要及時(shí)滿足先修課程和后續(xù)工程專業(yè)課程的調(diào)整，以適應(yīng)工程專業(yè)教育發(fā)展趨勢，同時(shí)滿足厚基礎(chǔ)、寬口徑和強(qiáng)能力的本科拔尖創(chuàng)新人才和卓越工程技術(shù)人才的培養(yǎng)要求。同時(shí)，姬忠禮[3]提出了面向工程實(shí)際需求的油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)泵和壓縮機(jī)課程教學(xué)改革理念，他認(rèn)為泵和壓縮機(jī)的教學(xué)要做到綜合性，加強(qiáng)理論與實(shí)踐的結(jié)合，注重工程綜合能力的培養(yǎng)，為后續(xù)輸氣管道設(shè)計(jì)與管理、油氣集輸?shù)葘I(yè)課程的學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神。王海瑛[4]提出開展一體化教學(xué)改革的思想，即是將理論教學(xué)與實(shí)踐技能教學(xué)融為一體，建立寬基礎(chǔ)復(fù)合型智力體系。建議將學(xué)生帶到實(shí)驗(yàn)室，將講解與設(shè)計(jì)設(shè)備演示操作相結(jié)合，同時(shí)讓學(xué)生自己動(dòng)手操作，提高課堂教學(xué)的直觀性。黃輝等[5]提出弱化公式和方程的推導(dǎo)，刪減泵和壓縮機(jī)的水力設(shè)計(jì)等方面的內(nèi)容，同時(shí)與學(xué)生畢業(yè)后的應(yīng)用相結(jié)合，突出泵和壓縮機(jī)的基本原理、基本結(jié)構(gòu)、選型和運(yùn)行等方面的內(nèi)容。

除了以上教學(xué)措施之外，近年來普遍應(yīng)用的CAD軟件和CFD軟件為泵和壓縮機(jī)的教學(xué)提供了更加豐富的教學(xué)手段。泵和壓縮機(jī)的教學(xué)過程中涉及到大量的設(shè)備及其零部件結(jié)構(gòu)組成等知識(shí)點(diǎn)，僅僅依靠語言描述或投影圖片等形式會(huì)顯得枯燥、乏味，學(xué)生不容易理解。造成的后果就是老師講的口干舌燥，學(xué)生聽得云里霧里、不知所云、無精打采，教學(xué)效果一般。全部找到各種類型的泵和壓縮機(jī)并進(jìn)行拆裝教學(xué)也不現(xiàn)實(shí)。如果能夠結(jié)合SolidWorks、Pro/E等CAD軟件制作各類泵和壓縮機(jī)零部件及其裝配圖，在教學(xué)時(shí)展示各種零部件的三維結(jié)構(gòu)，并讓學(xué)生自己動(dòng)手旋轉(zhuǎn)、縮放、剖分等操作，既能幫助學(xué)生理解抽象的結(jié)構(gòu)圖，看清零件的內(nèi)部流道，又能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為理論教學(xué)提供很好的支撐，提高教學(xué)效果。另外，泵和壓縮機(jī)教學(xué)過程中涉及到葉輪、導(dǎo)葉、活塞、螺桿等能量轉(zhuǎn)換部件的工作原理、工作特性，還涉及到機(jī)械密封、迷宮密封等輔助部件的工作原理，這部分知識(shí)是泵和壓縮機(jī)課程教學(xué)的重點(diǎn)。然而，如果課堂教學(xué)僅僅通過各種公式推導(dǎo)和應(yīng)用、圖文結(jié)合的理論講解，并不能吸引學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，反而會(huì)讓大部分學(xué)生覺得課堂教學(xué)中規(guī)中矩、枯燥乏味、理論多、公式推導(dǎo)多、難以理解和吸收。如果能結(jié)合Fluent、CFX等CFD軟件數(shù)值模擬各種類型泵和壓縮機(jī)的流場特性，展示各種類型泵和壓縮機(jī)工作過程中內(nèi)部流體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，全面展示流體速度、壓力、溫度等參數(shù)的變化特點(diǎn)，再結(jié)合理論分析進(jìn)行教學(xué)，就能幫助學(xué)生理解理論知識(shí)，掌握各類泵和壓縮機(jī)的工作原理、能量轉(zhuǎn)換原理和規(guī)律，將抽象、晦澀的文字語言，轉(zhuǎn)化為生動(dòng)、翔實(shí)、對(duì)比鮮明的圖片和動(dòng)畫，充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的課堂參與度，提升教學(xué)效果。

二、CAD軟件在泵和壓縮機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用

葉輪是葉片式流體機(jī)械的能量轉(zhuǎn)換部件，是葉片式泵和壓縮機(jī)的核心零部件。在泵和壓縮機(jī)的教學(xué)中，葉片式泵和壓縮機(jī)是教學(xué)的重點(diǎn)，也是工業(yè)生產(chǎn)中常見的泵和壓縮機(jī)類型。然而，學(xué)生們對(duì)于離心式、軸流式、混流式等三種形式的葉輪特點(diǎn)不好理解。為此，作者采用Ansys-BladeGen軟件繪制了三種類型的葉輪及其軸面流道，輔助教學(xué)，如圖1和圖2所示。流體機(jī)械葉片表面一般是空間曲面，為了研究流體質(zhì)點(diǎn)在葉輪中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，必須描述葉片。葉片在柱坐標(biāo)下是一個(gè)曲面方程，工程上借助兩個(gè)投影面來研究：平面投影和軸面投影。平面投影是將葉片按工程圖的做法投影到與轉(zhuǎn)軸垂直的面上，軸面投影是將葉片上每一點(diǎn)繞軸線旋轉(zhuǎn)一定角度投影到同一軸面上的投影。學(xué)生對(duì)于平面投影還能理解，但是對(duì)于軸面投影大多數(shù)很難想象出來是怎么投影的，很難將軸面投影圖與葉輪實(shí)體結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來。通過三維模型，同學(xué)們可以自己動(dòng)手旋轉(zhuǎn)葉輪，從各個(gè)角度觀察葉輪結(jié)構(gòu)，并理解軸面投影的旋轉(zhuǎn)投影過程。

三、CFD軟件在泵和壓縮機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用

葉片進(jìn)出口速度三角形、入口沖擊損失、有限葉片數(shù)時(shí)葉輪內(nèi)部的速度滑移、軸向旋渦、空化與空蝕等知識(shí)點(diǎn)是泵和壓縮機(jī)課程的教學(xué)重點(diǎn)，也是學(xué)生們普遍反映不好理解的部分。如果能夠采用CFD軟件進(jìn)行葉片式泵和壓縮機(jī)內(nèi)部流場的數(shù)值模擬，就能夠很直觀地觀察到這些抽象的現(xiàn)象，將抽象的文字和公式與CFD軟件流場計(jì)算結(jié)果配合使用可以讓學(xué)生們直觀地分析這些抽象的知識(shí)點(diǎn)，使同學(xué)們更容易理解和掌握相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。CFD方法的中心思想是，將原來在時(shí)間域或者空間域連續(xù)的物理量的場，用一系列離散點(diǎn)上的變量集合來代替，再通過一定的原則和方式建立起關(guān)于這些離散點(diǎn)的代數(shù)方程組，然后通過求解迭代獲得離散點(diǎn)的場變量的近似值[6]。自20世紀(jì)80年代以來，出現(xiàn)了各式各樣的CFD軟件，如PHOENICS、CFX、STAR-CD、FIDIP、FLUENT等，它們的功能較為全面，適用性也強(qiáng)，各有優(yōu)缺點(diǎn)。其中以FLUENT功能最為全面，適用性最廣。只要涉及流動(dòng)、傳熱及化學(xué)反應(yīng)等工程問題，都可以用FLUENT進(jìn)行解算。具有豐富的物理模型、先進(jìn)的數(shù)值方法以及強(qiáng)大的前后處理功能，在航空航天、汽車設(shè)計(jì)、石油天然氣、渦輪機(jī)械水力設(shè)計(jì)等方面都有著廣泛的應(yīng)用。例如，在石油化工行業(yè)中的應(yīng)用就包括井下分析、石油天然氣輸送與儲(chǔ)存、管道流動(dòng)規(guī)律、多相流動(dòng)、相變等內(nèi)容研究。

圖3顯示了采用FLUENT軟件計(jì)算得到的一臺(tái)離心泵內(nèi)部流線圖，該圖中顯示了離心葉輪前面防止了一個(gè)前置導(dǎo)葉，圖中流線清晰地顯示了流體經(jīng)過前置導(dǎo)葉后產(chǎn)生了預(yù)旋，為后面的離心葉輪提供了有旋的入口條件，緩解了偏離設(shè)計(jì)工況下的入口沖擊影響和沖擊損失。圖3還顯示了離心葉片表面壓力從入口到出口逐漸增加的變化規(guī)律，顯示了葉片的對(duì)流體的做功情況。

空化和空蝕是葉片泵內(nèi)部的常見現(xiàn)象，空化是由于流場中壓力的降低而產(chǎn)生的空泡發(fā)生、發(fā)展和潰滅過程，關(guān)于空化和空蝕的機(jī)理學(xué)生們比較好理解，但是對(duì)于空化現(xiàn)象及其危害只能停留在想象之中，如果能夠采用CFD軟件模擬一個(gè)真實(shí)的葉輪流場空化，顯示空化程度及其空泡位置，就能夠更好地開展該部分知識(shí)的教學(xué)，便于學(xué)生們理解和掌握。圖4顯示了一個(gè)誘導(dǎo)輪內(nèi)部的不同空化情況，結(jié)合CFD計(jì)算的結(jié)果，清晰地顯示了空化現(xiàn)象、空化發(fā)生的程度，以及空泡在葉片表面的分布位置。

四、教學(xué)實(shí)踐效果

泵和壓縮機(jī)課程的任課教師在科研過程中經(jīng)常會(huì)采用CAD軟件建立各種類型泵和壓縮機(jī)的三維模型，采用CFD軟件進(jìn)行內(nèi)流場數(shù)值模擬，將這些科研成果引入到泵和壓縮機(jī)的課堂教學(xué)起到了意想不到的作用。將空間的設(shè)備結(jié)構(gòu)用SolidWorks軟件建立模型，并進(jìn)行裝配，在課堂上讓學(xué)生們自由地進(jìn)行裝配、拆卸、旋轉(zhuǎn)、剖分等操作，提高了學(xué)生的課堂參與度，調(diào)動(dòng)了學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣，改善了學(xué)習(xí)效果。同時(shí)，學(xué)習(xí)能力強(qiáng)的同學(xué)還對(duì)CAD和CFD軟件產(chǎn)生了濃厚的興趣，在課余時(shí)間學(xué)習(xí)了SolidWorks、FLUENT等軟件，制作了泵和壓縮機(jī)課程相關(guān)的多個(gè)零部件和流場計(jì)算結(jié)果動(dòng)畫，培養(yǎng)了學(xué)生們的軟件操作水平，極大地培養(yǎng)了學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣。在課程結(jié)束后與學(xué)生們開展了座談，學(xué)生們普遍反映這種將CAD和CFD軟件引入到泵和壓縮機(jī)課堂的教學(xué)方式提高了學(xué)生的課堂參與度，激發(fā)了學(xué)生們學(xué)習(xí)該門課程的興趣，獲得了較好的學(xué)習(xí)效果。期末考試中出了較多的思考題，學(xué)生們大都能用自己的語言進(jìn)行分析和描述，通過期末考試的學(xué)生答題情況也說明了學(xué)生們很好地理解了泵和壓縮機(jī)的各種工作原理和能量轉(zhuǎn)換方式，肯定了這種教學(xué)方式能夠?qū)?fù)雜、抽象的問題簡單化、具體化。

五、結(jié)論

泵和壓縮機(jī)課程是能源與動(dòng)力工程、油氣儲(chǔ)運(yùn)工程、電廠熱能及其自動(dòng)化等專業(yè)的必修課，該門課程理論知識(shí)多，設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、抽象，常規(guī)的教學(xué)方式枯燥無味，學(xué)生們普遍反映聽不懂、不理解。針對(duì)這種情況，論文提出將CAD和CFD軟件引入到泵和壓縮機(jī)的課堂教學(xué)中，采用CAD軟件制作各種葉輪、導(dǎo)葉、螺桿等零部件，在課堂上讓學(xué)生們自己動(dòng)手旋轉(zhuǎn)、剖分、拆卸和組裝，便于學(xué)生們理解抽象的空間三維結(jié)構(gòu)；采用CFD軟件數(shù)值模擬各種類型泵和壓縮機(jī)的內(nèi)部流場，將理論知識(shí)與CFD計(jì)算結(jié)果相結(jié)合，幫助學(xué)生們理解各種理論、機(jī)理的含義。通過課堂實(shí)踐反映了這種教學(xué)方式將抽象的問題具體化，激發(fā)了學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生的課堂參與度，提升了教學(xué)效果，只得將這種教學(xué)方式推廣。

參考文獻(xiàn)：

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