基于CAD與CFD軟件的泵和壓縮機課程教學(xué)改革實踐軟件技術(shù)

1、基于cad與cfd軟件的泵和壓縮機課程教學(xué)改革實踐-軟件技術(shù)基于cad與cfd軟件的泵和壓縮機課程教學(xué)改革實踐 張金亞 （中國石油大學(xué)（北京）機械與儲運工程學(xué)院，北京102249） 摘要：泵和壓縮機課程是很多專業(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難題。論文提出將計算機輔助設(shè)計（computer aideddesign，cad）和計算流體力學(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

2、的能量轉(zhuǎn)換原理及其運行過程中的能量變化過程。通過課堂實踐，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；教學(xué)改革；cad；cfd 中圖分類號：g642.0 文獻標(biāo)志碼：a 文章編號：1674-9324（2016）12-0105-03 教改項目：中國石油大學(xué)（北京）2014年”本科教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程”重點項目 作者簡介：張金亞（1980-），男（漢族），河南汝南人，博士，講師，研究方向為流體機械的水力設(shè)計、優(yōu)化和數(shù)值模擬。 泵和壓縮機是將原動機所做的功轉(zhuǎn)換成被輸送流體壓力能和動能的流體機械，其中輸送液體介質(zhì)并提高其能頭的機械

3、稱為泵；輸送氣體介質(zhì)并提高其能頭的機械按輸出壓力的大小又可分為通風(fēng)機、鼓風(fēng)機和壓縮機1。泵和壓縮機的用途廣泛，幾乎遍及工業(yè)和農(nóng)業(yè)各個生產(chǎn)領(lǐng)域，如礦山、冶金、石油化工、電力、國防、水利等，所以說泵和壓縮機又是通用機械。石油化工生產(chǎn)過程中的原料、半成品和成品大多是流體，因此泵和壓縮機在其生產(chǎn)中占有非常重要的地位。泵和壓縮機課程是我校能源與動力工程、油氣儲運工程等專業(yè)的必修課，設(shè)置在本科三年級第一學(xué)期，主要講解各種類型泵和壓縮機的結(jié)構(gòu)特點、工作原理、工作特性以及選用原則等知識內(nèi)容。該課程知識點多，教學(xué)任務(wù)重，同時，課程內(nèi)容抽象，因此，出現(xiàn)了教師教學(xué)累，學(xué)生學(xué)不會等諸多問題。 一、泵和壓縮機教學(xué)過程中

4、存在的問題及對策 泵和壓縮機課程教學(xué)涉及到離心泵、往復(fù)泵、螺桿泵、射流泵、離心式壓縮機、往復(fù)式壓縮機、螺桿壓縮機等多種機械類型，每種類型的泵和壓縮機工作原理、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)改革理念的進行，泵和壓縮機課程的教學(xué)學(xué)時被不斷壓縮。如何將復(fù)雜、抽象的眾多知識點以清晰、簡潔的方式講授給學(xué)生成為擺在泵和壓縮機任課教師面前的一個難題。 姬忠禮2提出泵和壓縮機教材內(nèi)容的及時更新和與時俱進，既要順應(yīng)我國石油天然氣儲運行業(yè)的工程發(fā)展需求，又要及時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，同時滿足厚基礎(chǔ)、寬

5、口徑和強能力的本科拔尖創(chuàng)新人才和卓越工程技術(shù)人才的培養(yǎng)要求。同時，姬忠禮3提出了面向工程實際需求的油氣儲運工程專業(yè)泵和壓縮機課程教學(xué)改革理念，他認為泵和壓縮機的教學(xué)要做到綜合性，加強理論與實踐的結(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)生帶到實驗室，將講解與設(shè)計設(shè)備演示操作相結(jié)合，同時讓學(xué)生自己動手操作，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)，刪減泵和壓縮機的水力設(shè)計等方面的內(nèi)容，同時與學(xué)

6、生畢業(yè)后的應(yīng)用相結(jié)合，突出泵和壓縮機的基本原理、基本結(jié)構(gòu)、選型和運行等方面的內(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軟件為泵和壓縮機的教學(xué)提供了更加豐富的教學(xué)手段。泵和壓縮機的教學(xué)過程中涉及到大量的設(shè)備及其零部件結(jié)構(gòu)組成等知識點，僅僅依靠語言描述或投影圖片等形式會顯得枯燥、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并進行拆裝教學(xué)也不現(xiàn)實。如果能夠結(jié)合solidworks、pro/e等cad軟件制作各類泵和壓縮機零部件及其裝配圖，在教學(xué)時展示各種零部件的三維結(jié)構(gòu)，并讓學(xué)生自己動手旋

7、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，還涉及到機械密封、迷宮密封等輔助部件的工作原理，這部分知識是泵和壓縮機課程教學(xué)的重點。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的流場特性，展示各種類型泵和壓縮機工作過程

8、中內(nèi)部流體的運動規(guī)律，全面展示流體速度、壓力、溫度等參數(shù)的變化特點，再結(jié)合理論分析進行教學(xué)，就能幫助學(xué)生理解理論知識，掌握各類泵和壓縮機的工作原理、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、翔實、對比鮮明的圖片和動畫，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軟件在泵和壓縮機教學(xué)中的應(yīng)用 葉輪是葉片式流體機械的能量轉(zhuǎn)換部件，是葉片式泵和壓縮機的核心零部件。在泵和壓縮機的教學(xué)中，葉片式泵和壓縮機是教學(xué)的重點，也是工業(yè)生產(chǎn)中常見的泵和壓縮機類型。然而，學(xué)生們對于離心式、軸流式、混流式等三種形式的葉輪特點不好理解。為此，作者采用ansys-bladegen

9、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。流體機械葉片表面一般是空間曲面，為了研究流體質(zhì)點在葉輪中的運動規(guī)律，必須描述葉片。葉片在柱坐標(biāo)下是一個曲面方程，工程上借助兩個投影面來研究：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)生對于平面投影還能理解，但是對于軸面投影大多數(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)們可以自己動手旋轉(zhuǎn)葉輪，從各個角度觀察葉輪結(jié)構(gòu)，并理解軸面投影的旋轉(zhuǎn)投影過程。 三、cfd軟件在泵和壓縮機教學(xué)中的應(yīng)用 葉

10、片進出口速度三角形、入口沖擊損失、有限葉片數(shù)時葉輪內(nèi)部的速度滑移、軸向旋渦、空化與空蝕等知識點是泵和壓縮機課程的教學(xué)重點，也是學(xué)生們普遍反映不好理解的部分。如果能夠采用cfd軟件進行葉片式泵和壓縮機內(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點，使同學(xué)們更容易理解和掌握相關(guān)知識點。cfd方法的中心思想是，將原來在時間域或者空間域連續(xù)的物理量的場，用一系列離散點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)于這些離散點的代數(shù)方程組，然后通過求解迭代獲得離散點的場變量的近似值6。自20世紀80年代

11、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，各有優(yōu)缺點。其中以fluent功能最為全面，適用性最廣。只要涉及流動、傳熱及化學(xué)反應(yīng)等工程問題，都可以用fluent進行解算。具有豐富的物理模型、先進的數(shù)值方法以及強大的前后處理功能，在航空航天、汽車設(shè)計、石油天然氣、渦輪機械水力設(shè)計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存、管道流動規(guī)律、多相流動、相變等內(nèi)容研究。 圖3顯示了采用fluent軟件計算得到的一臺離心泵內(nèi)部流線圖，該圖中顯示了離心葉輪前面防止了一個

12、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)于空化和空蝕的機理學(xué)生們比較好理解，但是對于空化現(xiàn)象及其危害只能停留在想象之中，如果能夠采用cfd軟件模擬一個真實的葉輪流場空化，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的教學(xué)，便于學(xué)生們理解和掌握。圖4顯示了一個誘導(dǎo)輪內(nèi)部的不同空化情況，結(jié)合cfd計算的

13、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)實踐效果 泵和壓縮機課程的任課教師在科研過程中經(jīng)常會采用cad軟件建立各種類型泵和壓縮機的三維模型，采用cfd軟件進行內(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，并進行裝配，在課堂上讓學(xué)生們自由地進行裝配、拆卸、旋轉(zhuǎn)、剖分等操作，提高了學(xué)生的課堂參與度，調(diào)動了學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣，改善了學(xué)習(xí)效果。同時，學(xué)習(xí)能力強的同學(xué)還對cad和cfd軟件產(chǎn)生了濃厚的興趣，在課余時間學(xué)習(xí)了solidworks、fluent等軟件，制作了泵和壓縮機

14、課程相關(guān)的多個零部件和流場計算結(jié)果動畫，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 泵和壓縮機課程是能源與動力工程、油氣儲運工程、電廠熱能及其自動化等專業(yè)的必修課，該門課程理論知識

15、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。針對這種情況，論文提出將cad和cfd軟件引入到泵和壓縮機的課堂教學(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的內(nèi)部流場，將理論知識與cfd計算結(jié)果相結(jié)合，幫助學(xué)生們理解各種理論、機理的含義。通過課堂實踐反映了這種教學(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： 1姬忠禮，鄧志安，趙會軍.泵和壓縮機m.第二版.石油工業(yè)出版社，2015. 2姬忠禮，張永學(xué).國外相關(guān)專著和教材對泵