基于CAD與CFD軟件的泵和壓縮機課程教學改革實踐

張金亞

摘要：泵和壓縮機課程是很多專業的必修課，該課程教學任務繁重，教學內容抽象，如何將復雜的問題簡單化，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計（Computer Aided Design，CAD）和計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）軟件引入到課堂教學中，通過旋轉、拆卸和組裝各種零部件講授泵和壓縮機的結構組成，通過內流場數值模擬結果講授泵和壓縮機的能量轉換原理及其運行過程中的能量變化過程。通過課堂實踐，反映了這種教學方式的優勢，明顯提高了學生的課堂參與度，增強了學生的理解能力，提升了教學效果。

關鍵詞：泵和壓縮機；教學改革；CAD；CFD

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）12-0105-03

泵和壓縮機是將原動機所做的功轉換成被輸送流體壓力能和動能的流體機械，其中輸送液體介質并提高其能頭的機械稱為泵；輸送氣體介質并提高其能頭的機械按輸出壓力的大小又可分為通風機、鼓風機和壓縮機[1]。泵和壓縮機的用途廣泛，幾乎遍及工業和農業各個生產領域，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的必修課，設置在本科三年級第一學期，主要講解各種類型泵和壓縮機的結構特點、工作原理、工作特性以及選用原則等知識內容。該課程知識點多，教學任務重，同時，課程內容抽象，因此，出現了教師教學累，學生學不會等諸多問題。

一、泵和壓縮機教學過程中存在的問題及對策

泵和壓縮機課程教學涉及到離心泵、往復泵、螺桿泵、射流泵、離心式壓縮機、往復式壓縮機、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、結構組成、能量轉換理論等均不相同，教學任務繁重，教學內容抽象。然而，隨著寬口徑、應用型人才培養等教學改革理念的進行，泵和壓縮機課程的教學學時被不斷壓縮。如何將復雜、抽象的眾多知識點以清晰、簡潔的方式講授給學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容的及時更新和與時俱進，既要順應我國石油天然氣儲運行業的工程發展需求，又要及時滿足先修課程和后續工程專業課程的調整，以適應工程專業教育發展趨勢，同時滿足厚基礎、寬口徑和強能力的本科拔尖創新人才和卓越工程技術人才的培養要求。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泵和壓縮機課程教學改革理念，他認為泵和壓縮機的教學要做到綜合性，加強理論與實踐的結合，注重工程綜合能力的培養，為后續輸氣管道設計與管理、油氣集輸等專業課程的學習打好基礎，培養學生的工程實踐能力和創新精神。王海瑛[4]提出開展一體化教學改革的思想，即是將理論教學與實踐技能教學融為一體，建立寬基礎復合型智力體系。建議將學生帶到實驗室，將講解與設計設備演示操作相結合，同時讓學生自己動手操作，提高課堂教學的直觀性。黃輝等[5]提出弱化公式和方程的推導，刪減泵和壓縮機的水力設計等方面的內容，同時與學生畢業后的應用相結合，突出泵和壓縮機的基本原理、基本結構、選型和運行等方面的內容。

除了以上教學措施之外，近年來普遍應用的CAD軟件和CFD軟件為泵和壓縮機的教學提供了更加豐富的教學手段。泵和壓縮機的教學過程中涉及到大量的設備及其零部件結構組成等知識點，僅僅依靠語言描述或投影圖片等形式會顯得枯燥、乏味，學生不容易理解。造成的后果就是老師講的口干舌燥，學生聽得云里霧里、不知所云、無精打采，教學效果一般。全部找到各種類型的泵和壓縮機并進行拆裝教學也不現實。如果能夠結合SolidWorks、Pro/E等CAD軟件制作各類泵和壓縮機零部件及其裝配圖，在教學時展示各種零部件的三維結構，并讓學生自己動手旋轉、縮放、剖分等操作，既能幫助學生理解抽象的結構圖，看清零件的內部流道，又能激發學生的學習興趣，為理論教學提供很好的支撐，提高教學效果。另外，泵和壓縮機教學過程中涉及到葉輪、導葉、活塞、螺桿等能量轉換部件的工作原理、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的重點。然而，如果課堂教學僅僅通過各種公式推導和應用、圖文結合的理論講解，并不能吸引學生的學習興趣，反而會讓大部分學生覺得課堂教學中規中矩、枯燥乏味、理論多、公式推導多、難以理解和吸收。如果能結合Fluent、CFX等CFD軟件數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中內部流體的運動規律，全面展示流體速度、壓力、溫度等參數的變化特點，再結合理論分析進行教學，就能幫助學生理解理論知識，掌握各類泵和壓縮機的工作原理、能量轉換原理和規律，將抽象、晦澀的文字語言，轉化為生動、翔實、對比鮮明的圖片和動畫，充分激發學生的學習興趣，提高學生的課堂參與度，提升教學效果。

二、CAD軟件在泵和壓縮機教學中的應用

葉輪是葉片式流體機械的能量轉換部件，是葉片式泵和壓縮機的核心零部件。在泵和壓縮機的教學中，葉片式泵和壓縮機是教學的重點，也是工業生產中常見的泵和壓縮機類型。然而，學生們對于離心式、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軟件繪制了三種類型的葉輪及其軸面流道，輔助教學，如圖1和圖2所示。流體機械葉片表面一般是空間曲面，為了研究流體質點在葉輪中的運動規律，必須描述葉片。葉片在柱坐標下是一個曲面方程，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軸垂直的面上，軸面投影是將葉片上每一點繞軸線旋轉一定角度投影到同一軸面上的投影。學生對于平面投影還能理解，但是對于軸面投影大多數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構聯系起來。通過三維模型，同學們可以自己動手旋轉葉輪，從各個角度觀察葉輪結構，并理解軸面投影的旋轉投影過程。

三、CFD軟件在泵和壓縮機教學中的應用

葉片進出口速度三角形、入口沖擊損失、有限葉片數時葉輪內部的速度滑移、軸向旋渦、空化與空蝕等知識點是泵和壓縮機課程的教學重點，也是學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部流場的數值模擬，就能夠很直觀地觀察到這些抽象的現象，將抽象的文字和公式與CFD軟件流場計算結果配合使用可以讓學生們直觀地分析這些抽象的知識點，使同學們更容易理解和掌握相關知識點。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于這些離散點的代數方程組，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年代以來，出現了各式各樣的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、傳熱及化學反應等工程問題，都可以用FLUENT進行解算。具有豐富的物理模型、先進的數值方法以及強大的前后處理功能，在航空航天、汽車設計、石油天然氣、渦輪機械水力設計等方面都有著廣泛的應用。例如，在石油化工行業中的應用就包括井下分析、石油天然氣輸送與儲存、管道流動規律、多相流動、相變等內容研究。

圖3顯示了采用FLUENT軟件計算得到的一臺離心泵內部流線圖，該圖中顯示了離心葉輪前面防止了一個前置導葉，圖中流線清晰地顯示了流體經過前置導葉后產生了預旋，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部的常見現象，空化是由于流場中壓力的降低而產生的空泡發生、發展和潰滅過程，關于空化和空蝕的機理學生們比較好理解，但是對于空化現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，便于學生們理解和掌握。圖4顯示了一個誘導輪內部的不同空化情況，結合CFD計算的結果，清晰地顯示了空化現象、空化發生的程度，以及空泡在葉片表面的分布位置。

四、教學實踐效果

泵和壓縮機課程的任課教師在科研過程中經常會采用CAD軟件建立各種類型泵和壓縮機的三維模型，采用CFD軟件進行內流場數值模擬，將這些科研成果引入到泵和壓縮機的課堂教學起到了意想不到的作用。將空間的設備結構用SolidWorks軟件建立模型，并進行裝配，在課堂上讓學生們自由地進行裝配、拆卸、旋轉、剖分等操作，提高了學生的課堂參與度，調動了學生們的學習興趣，改善了學習效果。同時，學習能力強的同學還對CAD和CFD軟件產生了濃厚的興趣，在課余時間學習了SolidWorks、FLUENT等軟件，制作了泵和壓縮機課程相關的多個零部件和流場計算結果動畫，培養了學生們的軟件操作水平，極大地培養了學生們的學習興趣。在課程結束后與學生們開展了座談，學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方式提高了學生的課堂參與度，激發了學生們學習該門課程的興趣，獲得了較好的學習效果。期末考試中出了較多的思考題，學生們大都能用自己的語言進行分析和描述，通過期末考試的學生答題情況也說明了學生們很好地理解了泵和壓縮機的各種工作原理和能量轉換方式，肯定了這種教學方式能夠將復雜、抽象的問題簡單化、具體化。

五、結論

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的必修課，該門課程理論知識多，設備結構復雜、抽象，常規的教學方式枯燥無味，學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中，采用CAD軟件制作各種葉輪、導葉、螺桿等零部件，在課堂上讓學生們自己動手旋轉、剖分、拆卸和組裝，便于學生們理解抽象的空間三維結構；采用CFD軟件數值模擬各種類型泵和壓縮機的內部流場，將理論知識與CFD計算結果相結合，幫助學生們理解各種理論、機理的含義。通過課堂實踐反映了這種教學方式將抽象的問題具體化，激發了學生們的學習興趣，提高了學生的課堂參與度，提升了教學效果，只得將這種教學方式推廣。

參考文獻：

[1]姬忠禮，鄧志安，趙會軍.泵和壓縮機[M].第二版.石油工業出版社，2015.

[2]姬忠禮，張永學.國外相關專著和教材對《泵和壓縮機》編寫的啟發與思考[J].化工高等教育，2012，（6）：99-103.

[3]姬忠禮.面向工程實際需求改革油氣儲運工程專業泵和壓縮機課程教學[J].化工高等教育，2009，（6）：36-39.

[4]王海瑛.《泵與風機》課程一體化教學改革初探[J].中國電力教育，2006，（S4）：329-330.

[5]黃輝，金向紅.關于泵和壓縮機課程教學改革的思考[J].寧波工程學院學報，2012，24（3）：78-80.

[6]王福軍.計算流體動力學分析：CFD軟件原理與應用[M].清華大學出版社，2004.