新工科背景下智慧能源專業教學探索

［摘 要］為提升智慧能源專業本科生培養質量、提高學生在工程實踐中的知識應用能力，文章針對當下“雙碳”政策的發展和新工科背景下的能源人才需求，探討通過線上線下相結合、輔以理論應用案例的教學方法，基于數值模擬方法和有限元仿真專業軟件，在課程中開展動力設備全生命周期管理工程實例研究，引導學生主動學習、提高實踐能力，通過重新整合教學內容和專業知識，提升學生的專業知識應用能力，促進學生對行業發展的理解。

［關鍵詞］動力設備全生命周期；教學改革；新工科；智慧能源；數值模擬

［中圖分類號］G642 ［文獻標識碼］A ［文章編號］2095-3437（2024）20-0013-04

能源是工業的糧食、國民經濟的命脈，能源問題是制約工業發展和科技進步的瓶頸。能源行業經歷了原先的野蠻發展和快速擴張的發展，在新的歷史時期逐漸轉向高效、清潔的發展趨勢[1]。“碳達峰、碳中和”戰略作為我國實現高質量發展的必由之路，將引領我國實施低碳轉型，以低碳、智慧創新推動可持續發展，實現社會文明形態逐步由工業文明向生態文明轉變。因此，智慧能源專業的發展也亟須進行調整和革新[2]。智慧能源專業課程體系包括傳熱學、流體力學等專業基礎課程，也包括流體機械、動力設備全生命周期管理等專業應用課程，涉及從機理研究到裝備設計再到產業應用的全過程教學和培養。其中，動力設備全生命周期管理課程作為引導學生認識、學習全生命周期管理的基本知識和技能的一門課程，有助于培養學生的實踐和動手能力，引導學生結合所學的能源專業知識，掌握工程實踐相關技能，具有創新性、實踐性和通識性等特點。

本文著眼于理論與實踐相結合的教學目標，基于數值模擬方法和有限元仿真專業軟件進行教學設計，打通專業基礎理論和行業應用實例的壁壘，使學生深刻理解專業知識在工程實際中的應用，引導他們結合自身知識來對工程中的具體案例進行計算、分析和總結，加深對專業知識的理解，并進一步探索仿真軟件在實踐教學中的效果。

一、智慧能源專業在新時代的課程發展

筆者基于“雙碳”背景下智慧能源拔尖創新人才培養目標，從高質量人才特征、培養過程、實踐效果等方面，綜合剖析“雙碳”背景下的新工科人才培養思路與實踐效果[3]，力求通過創新應用一系列卓有成效的措施，提高智慧能源專業人才培養質量。

智慧能源專業需要通過對接國家重大戰略和行業產業創新發展需求，以問題為導向，強化校企、校地產學研深度合作，通過實習實訓等項目實現科教融合，提高學生的實踐能力，緊跟能源行業發展步伐，為實現“雙碳”目標提供高質量新鮮血液。

目前能源行業的發展主要呈現出兩大趨勢。其一，能源行業更注重高效節能的發展模式，無論是能源的高效利用還是能源裝備的設計與維護，都需要更加精準的考量。這離不開對專業理論機理的深刻理解，需要從業人員不斷學習主流能源裝備設計方案和理念。其二，隨著計算機、新能源等學科的快速發展和數字化、智能化在全行業的普及，數值模擬由于其安全性、經濟性、高效性的特點，將獲得極大的發展。在計算機技術高速發展的背景下，仿真與數值計算將在智慧能源領域的研究過程中發揮越來越大的作用，而這無論是對機理研究還是對應用設計均有著極大的促進作用。

目前智慧能源專業的教學基本都是采用基于多媒體課件和書本教材的線下授課模式，考核方式大多是通過線下筆試對傳統教材上的知識點和理論計算方法進行考查，無論是傳統的發電過程還是傳統能源設備的換熱與壽命分析，都與實際的工業生產差距較大，也未能讓學生接觸到最新的研究方向和未來就業后的主要工作。而學生對數學知識的掌握程度和應用能力參差不齊，遇到煩瑣的計算過程和較長的公式，容易產生畏難情緒，久而久之就會失去學習興趣。通過引入行業內通用的有限元仿真軟件，以工程實例為背景，建立基于模型、數值計算、結果分析的全流程，可以激發學生的學習興趣，加深學生對理論知識和機理的理解，提高學生對專業相關知識的應用能力。

教學團隊以智慧能源專業國家級一流本科課程（汽輪機原理課程）以及國家級虛擬仿真實驗一流課程（超超臨界火電機組冷態啟動及停機運行仿真實驗課程）為依托，圍繞“卓越工程師”專業平臺，獲得了包括教育部高等學校能源動力類教學研究與實踐項目“基于綜合能源服務平臺的能動專業實踐教學創新研究”、“大工科背景下的能源與動力工程寬口徑人才培養模式研究”，湖北省高等學校省級教學研究項目“《汽輪機原理》線上線下混合式一流課程”，武漢大學本科教育質量建設綜合改革項目“雙碳背景下智慧能源拔尖創新人才培養的研究與實踐”等多個省部級教學研究項目的支持。教學團隊通過多門專業課程線上線下結合、理論實驗交互、科研應用相依托的教育新模式開展了一系列教學探索，拓展教學內容，使學生專業理論基礎和實踐能力得到了顯著增強。

二、ANSYS軟件在智慧能源領域的應用

ANSYS軟件是融結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用軟件，廣泛應用于智慧能源領域，可用于熱能設備的熱力學分析、流體機械中的流體流動性能研究、發電過程的效率計算、能源系統的仿真和優化設計等等。Workbench是ANSYS內的協同仿真環境平臺，可以調用不同模塊的功能，實現復雜機械系統的結構靜力學、結構動力學、剛體動力學、流體動力學、結構熱、電磁場以及耦合場等的綜合分析，具有操作方便、求解快速以及計算結果可靠等一系列特性，在國內外的研究教學和工程實踐中應用廣泛。

以動力設備全生命周期管理課程為例，該課程的研究對象囊括了能源裝備設計、建造、運維、退役等各個階段。通過對裝備各階段的數據進行分析計算，規范管理手段，實現能源裝備在完整生命周期中的收益最大化是全生命周期管理的主要目的。動力設備全生命周期管理課程作為一門以認知和實踐為主的課程，如何引導學生將所學知識、技能與實踐過程相結合，深入掌握扎實的工程技能是教學的重點。然而，模型試驗和實地考察具有一定的危險性，且成本高昂。在適當的課程周期內，學生需要通過更加泛化和可行的學習手段擴展認知。因此，模擬仿真以高效、安全、門檻低等優點被采納為主要的教學手段，以幫助學生認識原理、掌握實踐技能。

在本文的仿真案例中，將調用Workbench的以下功能模塊進行計算求解。

一是穩態傳熱分析模塊。通過實驗數據確定傳熱的邊界條件，加載仿真計算，得到模型達到穩態后的溫度。

二是瞬態傳熱分析模塊。以穩態分析作為參考，加載仿真計算，得到模型溫度隨時間變化的規律。

三是瞬態結構分析模塊。導入瞬態的溫度載荷作為邊界條件，對模型施加固定約束，加載仿真計算后可得到模型應力隨時間變化的規律，并計算加熱對模型產生的熱損傷，評估模型壽命。

三、ANSYS軟件在動力設備全生命周期管理中的應用案例

蒸汽發生器是核電站最大的換熱設備，承擔著一次側與二次側的熱交換任務。該設備將一回路主冷卻劑從反應堆堆芯帶出的熱量傳給二回路給水系統，使之產生蒸汽，推動汽輪機做功。蒸汽發生器二次側水壓試驗需將管板加熱到要求的溫度，并在整個試驗期間內監測溫度保持在一定范圍內，其主要目的是防止蒸汽發生器管板發生脆性破壞，并保持足夠的安全余量[4]。

因此，為了有效地在生命周期中對蒸汽發生器管板的性能進行評估，從而更好地管理設備的工作狀態，需要對管板在加熱和冷卻過程中的熱應力變化和熱疲勞性能進行仿真計算分析。

核電蒸汽發生器管板的傳熱過程滿足能量守恒和傅里葉熱傳導定律，即導熱微分方程。在直角坐標系下，根據傳熱學基本理論，三維熱傳導方程為：

[ρc?T?t=??xλ?T?x+??yλ?T?y+??zλ?T?z+Φ] （1）

式中，T為物體溫度，ρ為物體密度，c為物體比熱，λ為導熱系數，[Φ]為單位體積中熱源的生熱率，t為時間。求解上述偏微分方程，需要給定邊界條件。針對不同對象，熱分析過程中的邊界條件可以分為三類。

第一類邊界條件為給定物體邊界上任意時刻的溫度分布，方程為：

[Tboundary=f1x， y， z] ?; （2）

式中，Tboundary為物體邊界上的溫度，f1（x，y，z）為溫度值直角坐標函數。

第二類邊界條件為給定物體邊界上任意時刻的熱流密度，方程為：

[-λ?T?nboundary=fx， y， z] （3）

式中，[-λ?T?nboundary]為物體邊界上的熱流密度，[?T?n]為溫度T在表面法線n方向的梯度。[fx， y， z]為熱流密度直角坐標函數。

第三類邊界條件為給定物體邊界與周圍環境流體間的對流換熱系數及流體溫度，方程為：

[-λ?T?nboundary=h（tw-tf）] （4）

式中，h為對流換熱系數，tw為物體表面溫度，tf為周圍環境溫度。

（一）計算模型建立

管板裝置的計算模型如圖1所示，管板上開設有孔洞，加熱區域設在管板外周，環形加熱帶與管板幾何中心處于同一高度。其中，筒體壁厚為100 mm，筒體內腔高度和寬度分別為7000 mm和3500 mm，加熱帶的厚度為30 mm，高度為320 mm。管板的厚度為560 mm，管孔直徑為20 mm，而相鄰管孔圓心距則為60 mm。

為了進行有限元分析，需要將整個求解域離散成有限多個節點與控制單元，從而構建網格劃分模型。利用Workbench的Meshing模塊可以將網格劃分所需的物理環境選擇為Mechanical（結構分析），并采用自動劃分法對模型進行網格劃分。由于管板分布大量管孔，因此對管板部分進行網格加密，保證仿真計算的準確性，同時兼顧計算成本。經過上述操作，生成了數量合適且質量良好的網格，網格總量為747009，網格平均質量為0.79，網格劃分結果如圖2所示。

（二）加熱計算分析

結合實際試驗環境，將模型求解的邊界條件設置為：筒體外表面暴露在空氣環境中，與空氣存在著自然對流換熱；模型所有表面均存在輻射換熱；加熱帶與筒體外壁面無縫接觸，加熱方式設置為恒溫。根據已知的蒸汽發生器管板加熱試驗數據，將環境溫度設置為22 ℃，加熱帶溫度設置為150 ℃。

隨著時間的推移，加熱帶熱量向周圍筒體壁面和管板不斷擴散，管板溫度沿著指向圓心的方向逐漸降低，大約80000 s后，傳熱過程趨于穩定。最大熱應力分布在加熱帶區域，可達到287 MPa。沿著指向圓心的方向，管板的熱應力先減小后增大。工程上通常認為106次為結構的無限壽命，大部分區域處于無限壽命區，最小壽命為79864次，發生在加熱區域上，因為該區域的溫度最高，熱應力最高。在同一循環特征下，應力越大，設備經歷的循環次數越少，壽命越短。

根據Miner線性損傷累積理論，每次加熱試驗對蒸汽發生器的損傷度D可以表示為：

[D=1Nmin=179864=1.25×10-5] （5）

（三）冷卻計算分析

在加熱過程中，穩態下筒體內壁面最高溫度可達約108 ℃，此時通入約40 ℃的水與筒體內部接觸，溫差將會導致熱應力的產生。因此，應當對該冷卻過程中的溫度和熱應力變化進行分析，從而評估設備工作狀況。

以穩態溫度場作為此次分析的模型初始溫度，冷卻水溫度40 ℃作為溫度載荷施加在筒體內表面和管板表面，模擬時間設定為600 s。

由于管板和筒體內壁一開始就與冷卻水接觸，其表面與冷卻水溫度一致，遠離表面的區域隨著時間的推移不斷被冷卻，溫度逐漸下降。水冷卻的初始階段，管板外周的管孔區域存在應力集中的情況，最大應力分布在管板外周管孔區域。大部分區域處于無限壽命（106次）區，最小壽命為119464次，發生在加熱區和管板外周孔洞區域，因為該區域結構不平滑，易產生應力集中。

根據Miner線性損傷累計理論，每次冷卻試驗對蒸汽發生器的損傷度D可以表示為：

[D=1Nmin=1119464=0.84×10-5] （6）

四、結語

模擬仿真與理論教學相結合的教學方法，不僅能夠使學生掌握新型的學習手段和實踐方法，也能夠培養學生的研究和學習興趣，提高學生的創新和動手能力，培養其多元化的工程素養。ANSYS軟件具有上手快、功能多、精度高和應用廣泛等優點，非常適合應用于動力設備全生命周期管理課程教學。增加仿真教學環節，多維提升學生的綜合素質，擴展學生在專業領域的視野，對于學生工程實踐和創新創造能力的培養有著重要的意義。

教學團隊在教學和考核的過程中，注重師資隊伍的建設和學生綜合能力的培養和評估。近年來，團隊內多位教師獲批能源動力類教指委教改項目及武漢大學教改項目，指導的畢業生分別在2021年、2023年獲評全國能源動力類專業百篇優秀畢業論文（設計）；智慧能源專業學生在全國大學生節能減排社會實踐與科技競賽中獲得全國一等獎3項，其中在2021年推薦的15項作品全部獲獎；智慧能源專業作為組織單位連續獲得優秀組織獎，在專業競賽和課程應用方面都取得了較大的突破。

［ 參 考 文 獻 ］

[1］ 李蘇曉，余嶺.能源行業未來發展趨勢[J].世界石油工業，2022，29（6）：79-80.

[2］ 帥永，陳紹文.碳中和背景下能源動力類專業的改革思考與實踐：以哈爾濱工業大學為例[J].高等工程教育研究，2023（增刊1）：7-9.

[3］ 周艷，苗展麗，陳海龍，等.新工科背景下能源與動力工程專業創新創業教育體系的構建與實踐[J].高等工程教育研究，2023（增刊1）：79-81.

[4］ 王兆希.電站金屬材料性能評估與失效機理[M].北京：中國電力出版社，2018.

［責任編輯：周侯辰］