過程流體機(jī)械課程中的科學(xué)研究方法案例分析

張 波 張芳芳 李國培 馬 璐 董華東

（鄭州輕工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，河南 鄭州 450002）

0 引言

過程流體機(jī)械課程是過程裝備與控制工程專業(yè)的核心課程之一，主要面向本科三年級(jí)下學(xué)期這一階段的學(xué)生開設(shè)，旨在系統(tǒng)講解過程工業(yè)中典型過程流體機(jī)械的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理、性能調(diào)節(jié)、運(yùn)行維護(hù)以及安全可靠性等方面的知識(shí)，使得學(xué)生能夠獲得較為扎實(shí)的單元過程機(jī)器的相關(guān)知識(shí)并融入專業(yè)“一體兩翼”的教學(xué)設(shè)計(jì)中，培養(yǎng)學(xué)生成為具有解決工程實(shí)際問題能力的應(yīng)用型工程技術(shù)人才。作為本科階段三年級(jí)的學(xué)生，處于高等教育本科階段的中間點(diǎn)，承上啟下，其本身經(jīng)過大學(xué)兩年的不斷學(xué)習(xí)和熏陶，已經(jīng)逐步掌握了大量的數(shù)學(xué)、自然科學(xué)和工程基礎(chǔ)知識(shí)和基本原理，具備了一定的人文社會(huì)科學(xué)素養(yǎng)和社會(huì)責(zé)任感，能夠在團(tuán)隊(duì)中進(jìn)行有效的溝通和交流，自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)的意識(shí)也逐步建立，這些都為進(jìn)入專業(yè)課程教育和實(shí)踐做好了準(zhǔn)備，同時(shí)也為進(jìn)行科學(xué)研究打下了一定的基礎(chǔ)。

過程裝備與控制工程專業(yè)人才培養(yǎng)方案畢業(yè)要求中明確提出：能夠基于科學(xué)原理并采用科學(xué)方法對(duì)過程工業(yè)領(lǐng)域中的裝備設(shè)計(jì)制造、檢驗(yàn)檢測(cè)及過程控制中的復(fù)雜工程問題進(jìn)行研究，包括設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、分析與解釋數(shù)據(jù)，并通過信息綜合得到合理有效的結(jié)論。具體的實(shí)施過程中有以下措施，如大學(xué)生科技活動(dòng)、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目、開放性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、各類競(jìng)賽以及走進(jìn)教師科研實(shí)驗(yàn)室等。通過這些實(shí)踐環(huán)節(jié)，使學(xué)生自主學(xué)習(xí)意識(shí)、科學(xué)研究素養(yǎng)和創(chuàng)新創(chuàng)造思維不斷提升，最終應(yīng)用于解決實(shí)際的復(fù)雜工程問題，進(jìn)而滿足畢業(yè)要求[1]。

作為支撐專業(yè)畢業(yè)要求達(dá)成課程體系中主干課程之一的過程流體機(jī)械，由于流體機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件的存在，導(dǎo)致內(nèi)部流動(dòng)復(fù)雜，工作過程難以理解，更應(yīng)該深入挖掘課程中蘊(yùn)含的科學(xué)研究方法，在傳授專業(yè)知識(shí)的同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的科研素養(yǎng)以及追求真理、嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)的求實(shí)精神。這種基于科學(xué)研究方法案例的教學(xué)方式更有利于提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，提高學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的基本能力，對(duì)于課程的教學(xué)改革和持續(xù)改進(jìn)有著重大的意義。下面本文將討論過程流體機(jī)械課程中蘊(yùn)含的三個(gè)科學(xué)研究案例及具體教學(xué)實(shí)施過程。

1 案例分析

1.1 離心式流體機(jī)械分析

目前過程裝備與控制工程專業(yè)下的過程流體機(jī)械課程主要針對(duì)過程工業(yè)中典型的流體機(jī)械展開，即“兩機(jī)一泵”：往復(fù)式和離心式壓縮機(jī)、離心機(jī)以及離心泵。從內(nèi)容上可提取得到關(guān)鍵詞，即“離心”，大部分的過程流體機(jī)械均采用了離心式。那么為什么離心式機(jī)械應(yīng)用如此廣泛呢？這個(gè)問題的探討有利于學(xué)生加深對(duì)整個(gè)課程內(nèi)容的理解，起到提綱挈領(lǐng)的作用。從能量轉(zhuǎn)換的角度來看，此類流體機(jī)械都屬于工作機(jī)，即通過機(jī)械對(duì)流體施加作用力做功，將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)榱黧w的能量，從而改變流體的狀態(tài)，比如提高流體的壓力，對(duì)混合流體進(jìn)行分離以及流體的輸運(yùn)等。對(duì)于流體這種連續(xù)介質(zhì)來說，需要施加的是外界力場(chǎng)。最容易獲得的是天然的重力場(chǎng)，但其強(qiáng)度太低，且往往達(dá)不到工藝流程要求或不滿足工業(yè)的規(guī)模化生產(chǎn)的要求。人工力場(chǎng)最容易獲得的是離心力場(chǎng)，離心力場(chǎng)可通過旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方便地建立起來，且其強(qiáng)度可控，能夠滿足工藝流程的要求和過程工業(yè)規(guī)模化生產(chǎn)的需要。而旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可通過電動(dòng)機(jī)、蒸汽輪機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)輸出軸功來實(shí)現(xiàn)，特別是電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用在各行各業(yè)已經(jīng)極其廣泛。因此離心式流體機(jī)械的應(yīng)用也非常廣泛。整個(gè)過程如圖1所示。需要說明的是，即便是往復(fù)式壓縮機(jī)，也是利用曲柄連桿機(jī)構(gòu)將曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。通過對(duì)該問題的層層分析和遞進(jìn)，在對(duì)課程內(nèi)容有全局把控的同時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的科研思維能力。

1.2 往復(fù)式壓縮機(jī)實(shí)際循環(huán)分析

壓縮機(jī)級(jí)的實(shí)際循環(huán)極為復(fù)雜，影響因素眾多，主要體現(xiàn)在氣缸內(nèi)余隙容積的存在，進(jìn)排氣通道及氣閥的阻力，氣體與氣缸接觸壁面間的溫差、氣缸密封性、壓力脈動(dòng)以及氣體性質(zhì)等，這就導(dǎo)致實(shí)際循環(huán)的壓力容積即p-V圖極為復(fù)雜，在進(jìn)行分析時(shí)無從下手，無法計(jì)算實(shí)際循環(huán)級(jí)的排氣量和實(shí)際循環(huán)指示功等關(guān)鍵參數(shù)。為此，需要針對(duì)實(shí)際循環(huán)抓住主要特征建立一個(gè)合理的理論模型，可在此基礎(chǔ)上進(jìn)行模型修正得到正確合理的結(jié)果。據(jù)此抽象得到一個(gè)理論循環(huán)由進(jìn)氣、壓縮和排氣三個(gè)過程組成，在此過程中，氣缸沒有余隙容積，進(jìn)排氣過程恒溫恒壓，氣缸無泄漏，工質(zhì)為理想氣體，壓縮過程的多變指數(shù)保持不變。此時(shí)很容易得到理論循環(huán)級(jí)的進(jìn)氣量即為氣缸的行程容積，理論循環(huán)指示功可直接積分得到。在此基礎(chǔ)上將理論循環(huán)進(jìn)一步往前推進(jìn)，考慮氣缸余隙容積的影響，即帶余隙容積的理論循環(huán)。余隙容積內(nèi)殘留高壓氣體的膨脹，可用容積系數(shù)來考慮循環(huán)實(shí)際進(jìn)氣量的減少，循環(huán)指示功也可由兩個(gè)積分之差得到。最后，考慮名義進(jìn)排氣壓力并引入相對(duì)壓力損失用平均值代替動(dòng)態(tài)變化的進(jìn)排氣壓力，引入等效的定值膨脹指數(shù)和壓縮多變指數(shù)，氣體壓縮性系數(shù)修正氣體熱力性質(zhì)等即可將實(shí)際循環(huán)的p-V圖簡化為帶余隙容積的理論循環(huán)用于分析和計(jì)算。循環(huán)p-V圖分析過程如圖2所示[2]。循環(huán)排氣量根據(jù)名義條件需要在容積系數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步引入溫度系數(shù)、壓力系數(shù)和泄漏系數(shù)，其分析過程如圖3所示[3]。結(jié)合本門課程的壓縮機(jī)排氣量和功率測(cè)定實(shí)驗(yàn)，可有效加深對(duì)該知識(shí)點(diǎn)的掌握程度，體現(xiàn)模型修正科學(xué)研究的方法和工程應(yīng)用價(jià)值。

1.3 離心泵汽蝕余量分析

汽蝕是離心泵中特有的一種現(xiàn)象，其本質(zhì)原因是葉輪葉片入口附近低壓區(qū)液體壓力低于當(dāng)前溫度對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽壓時(shí)，液體內(nèi)部開始汽化，產(chǎn)生氣泡。氣泡輸運(yùn)到高壓區(qū)域潰滅，經(jīng)過一系列復(fù)雜持續(xù)的物理化學(xué)過程，對(duì)葉片表面造成嚴(yán)重的破壞。那么怎么來判斷離心泵是否會(huì)發(fā)生汽蝕呢？如何指導(dǎo)提高離心泵的抗汽蝕性能？如何指導(dǎo)安裝運(yùn)行來防止離心泵發(fā)生汽蝕呢？顯然，僅僅依靠上述壓力不等式這一判據(jù)并不能有效地解決這些問題，葉輪葉片入口附近低壓區(qū)位置難以確定，且其壓力無法直接測(cè)量得出。為此，需要轉(zhuǎn)移研究對(duì)象，引入伯努利方程將上述判據(jù)轉(zhuǎn)化為有效汽蝕余量和必需汽蝕余量的關(guān)系，前者與泵前裝置及其安裝位置有關(guān)，即用戶參數(shù)，后者與泵本身的結(jié)構(gòu)形式有關(guān)，即廠家參數(shù)，進(jìn)而得到提高離心泵抗汽蝕性能的措施并用于指導(dǎo)離心泵的安裝和運(yùn)行，如圖4所示。由此可見，離心泵汽蝕余量分析過程體現(xiàn)了研究對(duì)象轉(zhuǎn)移的巧妙方法，從汽蝕發(fā)生的本質(zhì)原因這一理論基礎(chǔ)出發(fā)，實(shí)現(xiàn)了理論知識(shí)向工程實(shí)踐的轉(zhuǎn)換，以此解決實(shí)際的復(fù)雜工程問題，讓同學(xué)們更加真切地感受到理論聯(lián)系實(shí)踐的內(nèi)涵。

2 教學(xué)措施及存在問題

在科學(xué)研究方法案例的教學(xué)實(shí)施過程中，僅靠課堂上老師的理論講述仍然顯得不夠充分，為此需要以學(xué)生為主體，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，挖掘問題中的科學(xué)內(nèi)涵，最終解決問題。具體的教學(xué)措施可從以下兩個(gè)方面入手：

2.1 案例分析與專業(yè)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合

往復(fù)式壓縮機(jī)實(shí)際循環(huán)的分析過程中，體現(xiàn)了模型修正科學(xué)研究的方法和工程應(yīng)用價(jià)值，這些能夠在壓縮機(jī)功率及排氣量實(shí)驗(yàn)中得到完美展示。通過比較電機(jī)輸入功率，實(shí)際測(cè)量的壓縮機(jī)消耗功率，以及由以上理論模型修正后得到的功率，能夠加深學(xué)生對(duì)該知識(shí)點(diǎn)的掌握和對(duì)科學(xué)研究方法準(zhǔn)確性的理解。

2.2 案例分析與虛擬仿真相結(jié)合

對(duì)離心壓縮機(jī)和離心泵等動(dòng)力式流體機(jī)械來說，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是具有高速旋轉(zhuǎn)的葉輪，以此來建立離心力場(chǎng)，這就導(dǎo)致內(nèi)部流動(dòng)復(fù)雜，體現(xiàn)在流場(chǎng)的非穩(wěn)態(tài)性和非均勻性上。對(duì)葉輪機(jī)械的虛擬仿真能夠以較低的成本獲得極其豐富的流場(chǎng)細(xì)節(jié)，特別是主流與二次流的摻混，分析流動(dòng)損失的來源和流體壓力增加的具體過程。

目前以上案例教學(xué)的主要問題在于沒有合理的量化考核方法，其效果主要體現(xiàn)在學(xué)生綜合素養(yǎng)特別是科研素養(yǎng)的培養(yǎng)上。因此，如何合理對(duì)學(xué)生進(jìn)行分組，完成對(duì)科學(xué)研究方法案例的解析，突出科研素養(yǎng)的實(shí)際效果，是過程流體機(jī)械課程進(jìn)一步教學(xué)改革和持續(xù)改進(jìn)的方向。

3 結(jié)語

本文從三個(gè)案例出發(fā)討論了過程流體機(jī)械課程中蘊(yùn)含的科學(xué)研究內(nèi)涵，通過具體案例的詳細(xì)闡述和課程內(nèi)容的精心設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的全局把控和核心知識(shí)點(diǎn)的掌握，培養(yǎng)學(xué)生的科研素養(yǎng)，以及運(yùn)用理論知識(shí)解決相關(guān)復(fù)雜工程問題的能力，為專業(yè)畢業(yè)要求的達(dá)成提供有力支撐。