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1、基于CAD与CFD软件的泵和压缩机课程教学改革实践-软件技术基于CAD与CFD软件的泵和压缩机课程教学改革实践 张金亚 （中国石油大学（北京）机械与储运工程学院，北京102249） 摘要：泵和压缩机课程是很多专业的必修课，该课程教学任务繁重，教学内容抽象，如何将复杂的问题简单化，将抽象的问题具体化是摆在任课教师面前的一个难题。论文提出将计算机辅助设计（Computer AidedDesign，CAD）和计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）软件引入到课堂教学中，通过旋转、拆卸和组装各种零部件讲授泵和压缩机的结构组成，通过内流场数值模拟结果讲授泵和压缩机
2、的能量转换原理及其运行过程中的能量变化过程。通过课堂实践，反映了这种教学方式的优势，明显提高了学生的课堂参与度，增强了学生的理解能力，提升了教学效果。 关键词：泵和压缩机；教学改革；CAD；CFD 中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）12-0105-03 教改项目：中国石油大学（北京）2014年”本科教学质量与教学改革工程”重点项目 作者简介：张金亚（1980-），男（汉族），河南汝南人，博士，讲师，研究方向为流体机械的水力设计、优化和数值模拟。 泵和压缩机是将原动机所做的功转换成被输送流体压力能和动能的流体机械，其中输送液体介质并提高其能头的机械
3、称为泵；输送气体介质并提高其能头的机械按输出压力的大小又可分为通风机、鼓风机和压缩机1。泵和压缩机的用途广泛，几乎遍及工业和农业各个生产领域，如矿山、冶金、石油化工、电力、国防、水利等，所以说泵和压缩机又是通用机械。石油化工生产过程中的原料、半成品和成品大多是流体，因此泵和压缩机在其生产中占有非常重要的地位。泵和压缩机课程是我校能源与动力工程、油气储运工程等专业的必修课，设置在本科三年级第一学期，主要讲解各种类型泵和压缩机的结构特点、工作原理、工作特性以及选用原则等知识内容。该课程知识点多，教学任务重，同时，课程内容抽象，因此，出现了教师教学累，学生学不会等诸多问题。 一、泵和压缩机教学过程中
4、存在的问题及对策 泵和压缩机课程教学涉及到离心泵、往复泵、螺杆泵、射流泵、离心式压缩机、往复式压缩机、螺杆压缩机等多种机械类型，每种类型的泵和压缩机工作原理、结构组成、能量转换理论等均不相同，教学任务繁重，教学内容抽象。然而，随着宽口径、应用型人才培养等教学改革理念的进行，泵和压缩机课程的教学学时被不断压缩。如何将复杂、抽象的众多知识点以清晰、简洁的方式讲授给学生成为摆在泵和压缩机任课教师面前的一个难题。 姬忠礼2提出泵和压缩机教材内容的及时更新和与时俱进，既要顺应我国石油天然气储运行业的工程发展需求，又要及时满足先修课程和后续工程专业课程的调整，以适应工程专业教育发展趋势，同时满足厚基础、宽
5、口径和强能力的本科拔尖创新人才和卓越工程技术人才的培养要求。同时，姬忠礼3提出了面向工程实际需求的油气储运工程专业泵和压缩机课程教学改革理念，他认为泵和压缩机的教学要做到综合性，加强理论与实践的结合，注重工程综合能力的培养，为后续输气管道设计与管理、油气集输等专业课程的学习打好基础，培养学生的工程实践能力和创新精神。王海瑛4提出开展一体化教学改革的思想，即是将理论教学与实践技能教学融为一体，建立宽基础复合型智力体系。建议将学生带到实验室，将讲解与设计设备演示操作相结合，同时让学生自己动手操作，提高课堂教学的直观性。黄辉等5提出弱化公式和方程的推导，删减泵和压缩机的水力设计等方面的内容，同时与学
6、生毕业后的应用相结合，突出泵和压缩机的基本原理、基本结构、选型和运行等方面的内容。 除了以上教学措施之外，近年来普遍应用的CAD软件和CFD软件为泵和压缩机的教学提供了更加丰富的教学手段。泵和压缩机的教学过程中涉及到大量的设备及其零部件结构组成等知识点，仅仅依靠语言描述或投影图片等形式会显得枯燥、乏味，学生不容易理解。造成的后果就是老师讲的口干舌燥，学生听得云里雾里、不知所云、无精打采，教学效果一般。全部找到各种类型的泵和压缩机并进行拆装教学也不现实。如果能够结合SolidWorks、Pro/E等CAD软件制作各类泵和压缩机零部件及其装配图，在教学时展示各种零部件的三维结构，并让学生自己动手旋
7、转、缩放、剖分等操作，既能帮助学生理解抽象的结构图，看清零件的内部流道，又能激发学生的学习兴趣，为理论教学提供很好的支撑，提高教学效果。另外，泵和压缩机教学过程中涉及到叶轮、导叶、活塞、螺杆等能量转换部件的工作原理、工作特性，还涉及到机械密封、迷宫密封等辅助部件的工作原理，这部分知识是泵和压缩机课程教学的重点。然而，如果课堂教学仅仅通过各种公式推导和应用、图文结合的理论讲解，并不能吸引学生的学习兴趣，反而会让大部分学生觉得课堂教学中规中矩、枯燥乏味、理论多、公式推导多、难以理解和吸收。如果能结合Fluent、CFX等CFD软件数值模拟各种类型泵和压缩机的流场特性，展示各种类型泵和压缩机工作过程
8、中内部流体的运动规律，全面展示流体速度、压力、温度等参数的变化特点，再结合理论分析进行教学，就能帮助学生理解理论知识，掌握各类泵和压缩机的工作原理、能量转换原理和规律，将抽象、晦涩的文字语言，转化为生动、翔实、对比鲜明的图片和动画，充分激发学生的学习兴趣，提高学生的课堂参与度，提升教学效果。 二、CAD软件在泵和压缩机教学中的应用 叶轮是叶片式流体机械的能量转换部件，是叶片式泵和压缩机的核心零部件。在泵和压缩机的教学中，叶片式泵和压缩机是教学的重点，也是工业生产中常见的泵和压缩机类型。然而，学生们对于离心式、轴流式、混流式等三种形式的叶轮特点不好理解。为此，作者采用Ansys-BladeGen
9、软件绘制了三种类型的叶轮及其轴面流道，辅助教学，如图1和图2所示。流体机械叶片表面一般是空间曲面，为了研究流体质点在叶轮中的运动规律，必须描述叶片。叶片在柱坐标下是一个曲面方程，工程上借助两个投影面来研究：平面投影和轴面投影。平面投影是将叶片按工程图的做法投影到与转轴垂直的面上，轴面投影是将叶片上每一点绕轴线旋转一定角度投影到同一轴面上的投影。学生对于平面投影还能理解，但是对于轴面投影大多数很难想象出来是怎么投影的，很难将轴面投影图与叶轮实体结构联系起来。通过三维模型，同学们可以自己动手旋转叶轮，从各个角度观察叶轮结构，并理解轴面投影的旋转投影过程。 三、CFD软件在泵和压缩机教学中的应用 叶
10、片进出口速度三角形、入口冲击损失、有限叶片数时叶轮内部的速度滑移、轴向旋涡、空化与空蚀等知识点是泵和压缩机课程的教学重点，也是学生们普遍反映不好理解的部分。如果能够采用CFD软件进行叶片式泵和压缩机内部流场的数值模拟，就能够很直观地观察到这些抽象的现象，将抽象的文字和公式与CFD软件流场计算结果配合使用可以让学生们直观地分析这些抽象的知识点，使同学们更容易理解和掌握相关知识点。CFD方法的中心思想是，将原来在时间域或者空间域连续的物理量的场，用一系列离散点上的变量集合来代替，再通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点的代数方程组，然后通过求解迭代获得离散点的场变量的近似值6。自20世纪80年代
11、以来，出现了各式各样的CFD软件，如PHOENICS、CFX、STAR-CD、FIDIP、FLUENT等，它们的功能较为全面，适用性也强，各有优缺点。其中以FLUENT功能最为全面，适用性最广。只要涉及流动、传热及化学反应等工程问题，都可以用FLUENT进行解算。具有丰富的物理模型、先进的数值方法以及强大的前后处理功能，在航空航天、汽车设计、石油天然气、涡轮机械水力设计等方面都有着广泛的应用。例如，在石油化工行业中的应用就包括井下分析、石油天然气输送与储存、管道流动规律、多相流动、相变等内容研究。 图3显示了采用FLUENT软件计算得到的一台离心泵内部流线图，该图中显示了离心叶轮前面防止了一个
12、前置导叶，图中流线清晰地显示了流体经过前置导叶后产生了预旋，为后面的离心叶轮提供了有旋的入口条件，缓解了偏离设计工况下的入口冲击影响和冲击损失。图3还显示了离心叶片表面压力从入口到出口逐渐增加的变化规律，显示了叶片的对流体的做功情况。 空化和空蚀是叶片泵内部的常见现象，空化是由于流场中压力的降低而产生的空泡发生、发展和溃灭过程，关于空化和空蚀的机理学生们比较好理解，但是对于空化现象及其危害只能停留在想象之中，如果能够采用CFD软件模拟一个真实的叶轮流场空化，显示空化程度及其空泡位置，就能够更好地开展该部分知识的教学，便于学生们理解和掌握。图4显示了一个诱导轮内部的不同空化情况，结合CFD计算的
13、结果，清晰地显示了空化现象、空化发生的程度，以及空泡在叶片表面的分布位置。 四、教学实践效果 泵和压缩机课程的任课教师在科研过程中经常会采用CAD软件建立各种类型泵和压缩机的三维模型，采用CFD软件进行内流场数值模拟，将这些科研成果引入到泵和压缩机的课堂教学起到了意想不到的作用。将空间的设备结构用SolidWorks软件建立模型，并进行装配，在课堂上让学生们自由地进行装配、拆卸、旋转、剖分等操作，提高了学生的课堂参与度，调动了学生们的学习兴趣，改善了学习效果。同时，学习能力强的同学还对CAD和CFD软件产生了浓厚的兴趣，在课余时间学习了SolidWorks、FLUENT等软件，制作了泵和压缩机
14、课程相关的多个零部件和流场计算结果动画，培养了学生们的软件操作水平，极大地培养了学生们的学习兴趣。在课程结束后与学生们开展了座谈，学生们普遍反映这种将CAD和CFD软件引入到泵和压缩机课堂的教学方式提高了学生的课堂参与度，激发了学生们学习该门课程的兴趣，获得了较好的学习效果。期末考试中出了较多的思考题，学生们大都能用自己的语言进行分析和描述，通过期末考试的学生答题情况也说明了学生们很好地理解了泵和压缩机的各种工作原理和能量转换方式，肯定了这种教学方式能够将复杂、抽象的问题简单化、具体化。 五、结论 泵和压缩机课程是能源与动力工程、油气储运工程、电厂热能及其自动化等专业的必修课，该门课程理论知识
15、多，设备结构复杂、抽象，常规的教学方式枯燥无味，学生们普遍反映听不懂、不理解。针对这种情况，论文提出将CAD和CFD软件引入到泵和压缩机的课堂教学中，采用CAD软件制作各种叶轮、导叶、螺杆等零部件，在课堂上让学生们自己动手旋转、剖分、拆卸和组装，便于学生们理解抽象的空间三维结构；采用CFD软件数值模拟各种类型泵和压缩机的内部流场，将理论知识与CFD计算结果相结合，帮助学生们理解各种理论、机理的含义。通过课堂实践反映了这种教学方式将抽象的问题具体化，激发了学生们的学习兴趣，提高了学生的课堂参与度，提升了教学效果，只得将这种教学方式推广。 参考文献： 1姬忠礼，邓志安，赵会军.泵和压缩机M.第二版.石油工业出版社，2015. 2姬忠礼，张永学.国外相关专著和教材对泵和压缩机编写的启发与思考J.化工高等教育，2012，（6 ）：99-103. 3姬忠礼.面向工程实际需求改革油气储运工程专业泵和压缩机课程教学J.化工高等教育，2009，（6 ）：36-39. 4王海瑛.泵与风机课程一体化教学改革初探J.中国电力教育，2006，（S4）：329-330. 5黄辉，金向红.关于泵和压缩机课程教学改革的思考J.宁波工程学院学报，2012，24（3）：78-80. 6王福军.计算流体动力学分析：CFD软件原理与应用M.清华大学出版社，2004.