將數(shù)值模擬融入泵與風機課程中的教學改革

張靜 陳先培

[摘 要]隨著計算機技術的快速發(fā)展，數(shù)值模擬技術也得到了快速發(fā)展，其不僅可以應用在科學研究中，也可應用于課程教學中。高校可通過教學改革，將數(shù)值模擬技術融入泵與風機的教學過程中。實踐證明，通過課程改革，學生可以更好地理解和掌握理論知識，并初步具備運用所學知識進行泵與風機內(nèi)部流動及汽蝕現(xiàn)象進行模擬的能力、復雜物體的三維建模能力以及相關技術標準、設計手冊的查閱能力等，鍛煉和提高了學生的交流、溝通和表達能力，以及團隊合作能力，學生創(chuàng)新能力也得到了提高。

[關鍵詞]數(shù)值模擬;泵與風機;創(chuàng)新能力;課程改革

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2020）11-0101-04

泵與風機在國民經(jīng)濟建設中應用非常廣泛[1]，該課程也是能源與動力工程專業(yè)非常重要的一門專業(yè)課。此次課程教學改革始終將成果教育作為教育理念，以學生為中心，把學生的課程體驗作為課程指標，將數(shù)值模擬技術融入泵與風機的教學改革中，讓學生在自主學習、自我思考的同時，提高實踐操作能力。讓學生在掌握理論知識的同時，能做到合理運用理論知識去解決一些簡單的實際工程問題。此次課程改革，意在讓學生知理論、會操作、能力強、素質(zhì)高，注重學生的全面培養(yǎng)。

一、存在問題

流體在泵和風機內(nèi)部流動情況十分復雜，在現(xiàn)實生活中很難將其清楚地表述出來。而該課程最大的特點是書本引用的圖表多且雜，公式冗雜，提到的概念十分抽象。授課方式上還是以教師講授的傳統(tǒng)授課方式為主，采用“傳授知識到接受知識”的模式，在課堂上教師與學生的互動較少，這便直接導致學生上課積極性和課堂參與度降低。而根據(jù)往年的教學經(jīng)驗，在課下借助實驗室教學模型，讓學生們通過拆裝模型等方式，也僅僅能夠讓學生對泵與風機的結構組成有初步的了解，對泵與風機在運行時的內(nèi)部流體流動情況、性能特性與運行原理等，很難有一個形象的概念 [2]。

泵與風機這門課程的重要性不僅體現(xiàn)在其理論性，更重要的是實際應用，即如何運用學到的理論知識解決實際工程問題。而通過往年的教學經(jīng)驗，在課堂中，教師和學生往往將重點放在了基礎理論和核心知識點的講解和學習上面，從而忽視了本門課程的實際應用，沒有做到將理論運用到實際中[3]，因而學生在之后的畢業(yè)設計和工作中遇到問題時，不能很好地運用書中所學理論知識來解決。目前，此課程還存在的問題主要有：1.學生將學習本課程當作應試;2.本課程的理論課與實驗課學時分配不均，導致學生不能將理論知識通過動手實踐鞏固起來。

二、教學方法改革方式

在課程教學中，講授基本理論的同時，教師可以穿插引入數(shù)值模擬所得到的結果來讓學生理解所學理論知識[4，5]。比如在學習第一章泵與風機的葉輪理論時，學生很難理解流體如何在泵或風機內(nèi)部流動，這時可將離心泵數(shù)值模擬得到的結果通過多媒體課件展現(xiàn)給學生，例如流體在離心泵內(nèi)部流動的軌跡線，如圖1所示;三維內(nèi)部壓力分布，如圖2所示;二維單個截面流速、壓力、湍動能等分布，以沿出口中心橫截面的三者分布示意圖為例，如圖3、圖4和圖5所示。給出數(shù)值模擬結果直觀圖示，在讓學生了解離心泵結構組成的同時，也更加直觀地理解流體在離心泵內(nèi)部的流動情況。同理也可以給出軸流泵或其他類型泵或風機的流場和壓力分布圖。

在學習第二章泵與風機的性能時，為了降低沖擊損失，盡量要求其在設計工況下運行，而偏離設計工況性能就會受到影響。這部分內(nèi)容學生很難理解，尤其是渦流損失，如果采用數(shù)值模擬的計算結果進行對比，就很容易理解了。以下是同一型號離心泵分別在設計工況以及偏離設計工況的小流量工況下運行的對比圖，內(nèi)部速度分布對比圖如圖6所示，壓力分布對比圖如圖7所示，湍動能分布對比圖如圖8所示。由圖6、圖7和圖8可知，與設計工況相比，在0.8Q時，流道內(nèi)的速度、壓力和湍動能都出現(xiàn)了不均勻的分布情況。在三級項目中，學生可以再進一步去驗證其他工況對流場的影響。

在學習第四章泵的汽蝕時，汽蝕產(chǎn)生的原因是葉輪進口壓力低于特定溫度下的液體的汽化壓力，這部分在傳統(tǒng)授課中，學生對于汽蝕具體位置理解有困難，如果采用數(shù)值模擬對壓力進行計算，壓力大小用云圖可直觀地表示出來，汽蝕的位置也能明顯標注出來。圖9為不同入口壓力時水蒸氣的體積分數(shù)分布，水蒸氣數(shù)量的多少對于汽蝕的產(chǎn)生和位置判斷很重要?？梢造`活改變?nèi)肟趬毫Γ玫戎得婵梢暬g區(qū)域，圖9僅列出了入口壓力為40000Pa、20000Pa、18000Pa和175000Pa時， 10%水蒸氣的等值面。由圖9可見，入口壓力較高時，沒有水蒸氣產(chǎn)生，也就不可能發(fā)生汽蝕，但入口壓力下降，汽蝕就會出現(xiàn)，但沒有顯著影響性能（早期空化），直到葉片通道由于蒸汽有足夠的堵塞。在這一點上，性能下降（在這種情況下迅速下降）。這可由計算得到的汽蝕余量和揚程說明，如表1所示。

這樣做結果非常直觀，學生理解起來比較容易，同時能夠真正做到自己去模擬、去計算，拓寬學習的廣度。有了直觀理解，在課程教學過程中就可以加入數(shù)值模擬的相關理論知識。教師可提前布置三級項目任務，在三級項目教學中，項目主要以泵的自行制作和數(shù)值模擬為主，學生根據(jù)課上所學知識，在實驗室條件下制作簡易水泵，同時將數(shù)值模擬和實驗融合在一起，內(nèi)容為采用相關本專業(yè)模擬軟件（如ANSYS CFX）針對實驗所用泵與風機（主要為離心式和軸流式泵與風機）的內(nèi)部流動和汽蝕現(xiàn)象，完成泵與風機三維建模、初始及邊界條件的選擇、泵與風機內(nèi)流體流動的模擬、三級項目匯報書撰寫及答辯匯報PPT的制作。最終的考核采用抽簽方式確定匯報小組順序及各小組匯報人，要求學生給出相關的方案設計說明書，并在結課時提交報告。

本課程三級項目的實施，不僅能夠鞏固學生在課堂中學到的理論知識，鍛煉學生的計算能力，而且能夠讓學生初步了解有關離心泵選型、三維建模以及對離心泵進行數(shù)值模擬相關方面的知識。其能促進各小組學生課下相互討論、積極思考，也能促進各小組間學生的合作，鍛煉了學生思考、交流、合作的能力，培養(yǎng)了他們的求知欲和責任感。

要將理論課程中的疑難問題和課程三級項目中遇到的相關技術問題進行匯總，通過上網(wǎng)查閱資料等方式將課程內(nèi)容進行拓展，在討論課中集體進行討論及解答。討論課以學生上臺講演、提出問題及觀點并且集中討論為教學形式，深入討論各問題在理論知識和工程應用的涉及面，并由各小組對問題提出自認為可行的解決方案，最后由教師對各小組的表現(xiàn)給出評價以及合理的解決方案。本課程討論課的目的在于鍛煉學生查閱資料以及剖析問題找出問題核心的能力，讓學生學會對同一問題的不同解決方案進行辨證，從而找出最優(yōu)解決方案。

三、教學效果

通過兩輪教學改革的實施，相較于傳統(tǒng)的教學方式，此課程教學改革后能更好地實現(xiàn)課程教學目標，達到預設的學生愿意學、主動學、主動去解決問題的目的，對畢業(yè)要求和專業(yè)培養(yǎng)目標的達成起到了支撐作用。學生能夠在以后的工作學習中做到簡單問題不發(fā)愁、復雜問題不畏縮，能夠真正地做到發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、動手實踐、解決問題 [6]。

課程考核包括平時出勤作業(yè)、實驗、討論、三級項目、結課考試五部分，其中實驗、討論和三級項目占總成績的25%。根據(jù)成績分布情況，整體的學習效果處于優(yōu)良狀態(tài)，A+、A占20%，B+、B占46.67%，C+、C占15%。學生積極性有所提高，學習主動性增強，對知識掌握的深入性、運用靈活性有所提高，上課認真聽講程度較好，能夠領會教師講授的知識與內(nèi)涵，并注重對知識的應用與拓展。

學生至少掌握了一項專業(yè)相關軟件，創(chuàng)新能力得到了提高，學生積極參與節(jié)能減排大賽和大學生創(chuàng)新項目，參與度增加。2019年有一名學生獲推參加節(jié)能減排大賽國賽，兩名學生獲批河北省大學生創(chuàng)新項目，多名學生獲批校級大學生創(chuàng)新項目，申請專利兩項。

通過無記名調(diào)查，我們發(fā)現(xiàn)學生對于將數(shù)值模擬融入泵與風機課程中的教學方式接受度很高，并要求多增加相應學時。學生在三級項目實施過程中，能夠主動去查閱相關資料，遇到困難也能互相商量解決。在匯報過程中，由組內(nèi)同學相互補充，其他同學提問，能將理論知識更好地應用于實踐。

數(shù)值模擬不受時間場地限制，教學效率高、成本低，參數(shù)更改容易，學生都有機會參與，學生主體作用得到了發(fā)揮，有利于教學改革的具體實施，同時也為其他專業(yè)課程、課程設計、畢業(yè)設計以及創(chuàng)新活動的開展奠定了基礎。

四、結論

數(shù)值模擬技術將會是以后教學改革的方向之一，根據(jù)泵與風機課程的特點，將數(shù)值模擬融入泵與風機的教學中，對于學生更好地理解理論知識具有事半功倍的效果，提高了教學質(zhì)量，更有利于提高學生的動手能力、創(chuàng)新能力。在泵與風機課程中將數(shù)值模擬技術引入其中是非常有必要的，同時其也對授課教師提出了更高的要求。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 何川，郭麗君.泵與風機[M].第四版.北京：中國電力出版社，2008.

[2] 葉學民，李春曦.泵與風機課程教學方法改革的實踐與分析[J].教育教學論壇，2012（23）：171-172.

[3] 李夢迪，劉飛，古小敏，楊會.泵與風機課程教學改革與研究[J].教育教學論壇，2019（22）：142-143.

[4] 朱伯倫，張德先.數(shù)值模擬仿真試驗在空氣動力學教學改革中的應用研究[J].科技與創(chuàng)新，2017（9）：144+146.

[5] 胡桂娟.基于仿真試驗技術的《建筑結構》教學改革實例研究[J].南寧職業(yè)技術學院學報，2014，19（3）：43-45.

[6] 岳麗芳，王春慧.應用型人才培養(yǎng)模式下流體力學泵與風機課程教學方法研究[J].中國教育技術裝備，2018（12）：67-69.

[責任編輯：劉鳳華]