楊帆 周濟人 朱紅耕 成立

摘要：結(jié)合當前水泵及水泵站課程教學現(xiàn)狀，提出將CFD（Computational Fluid Dynamics）技術(shù)應用于水泵及水泵站理論課程教學中的構(gòu)想，分析了CFD技術(shù)應用于水泵及水泵站理論課程教學的可行性及其優(yōu)點，并就CFD技術(shù)如何應用于水泵及水泵站理論課程教學進行了案例分析，實踐表明：將CFD技術(shù)應用于水泵及水泵站課堂教學可達到激發(fā)學生學習熱情，增強課堂教學表現(xiàn)力和教學效果，有利于科研與教學的相互促進。

關(guān)鍵詞：水泵及水泵站；CFD；課程教學；應用

中圖分類號：G642.0；TV1 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2018）03-0116-05

計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，簡稱“CFD”）是20世紀60年代伴隨計算機技術(shù)和數(shù)值計算技術(shù)的發(fā)展而迅速崛起的學科，CFD技術(shù)具有成本低、周期短、速度快等特點。通過CFD技術(shù)，利用計算機分析并顯示流場中的現(xiàn)象，可達到在較短時間內(nèi)預測流場的目的。目前，學術(shù)界、工業(yè)界都已公認CFD技術(shù)是解決流動和傳熱相關(guān)問題強有力的工具。在當前高校的課程教學中，以CFD技術(shù)為代表的數(shù)值模擬技術(shù)已被部分教學工作者引入到本科生的理論教學和實踐教學中，如：將TopoDrive、Flownet and Matlab數(shù)值模擬技術(shù)應用于水文地質(zhì)學基礎(chǔ)課程中[1]；將CFD技術(shù)引入到數(shù)值傳熱學的基礎(chǔ)理論教學中[2]；將ANSYS軟件應用于材料力學的理論教學中[3-4]；將數(shù)值模擬技術(shù)應用于工程流體力學課程和焊接技術(shù)實驗課程的教學中[5-6]。通過調(diào)研實際教學效果可知：將CFD等數(shù)值模擬技術(shù)引入課程教學對于提高教學質(zhì)量、增強學生學習興趣、改善教學效果有積極作用。

水泵及水泵站課程是揚州大學水利水電工程、農(nóng)業(yè)水利工程專業(yè)的一門重要專業(yè)核心課。通過學習該課程，學生應掌握水泵的基本理論、基本性能和水泵的選型配套原則與方法，掌握泵裝置內(nèi)部流動的特點及流態(tài)改善方法，掌握泵房設(shè)計的基本原則與方法，為泵站工程的設(shè)計與管理奠定堅實基礎(chǔ)。水泵及水泵站課程教學中涉及大量的流體動力學問題，恰當采用CFD技術(shù)結(jié)合課程理論教學開展水泵及水泵站工程流體動力學問題的分析，通過CFD技術(shù)仿真泵站水流運動，可將水泵及泵裝置內(nèi)部流場的細部流動信息形象直觀地展現(xiàn)出來，并能逼真地再現(xiàn)泵站實際流動過程，以此激發(fā)學生的學習熱情，提高學習效率，增強學習的主動性和積極性，提升自主學習能力，深化對課程知識點的理解。為此筆者就CFD技術(shù)應用于水泵及水泵站理論課程教學進行了實踐探討，以期為同行教學提供參考和啟發(fā)。

一、水泵及水泵站課程教學現(xiàn)狀

水泵及水泵站課程共分為基礎(chǔ)理論、工程應用及實踐技能三大模塊。課程理論教學共40個學時，基礎(chǔ)理論教學主要內(nèi)容包括泵的構(gòu)造、泵的能量性能、泵的氣蝕性能、水泵的工況調(diào)節(jié)及水泵的選型配套。工程應用主要包括泵站工程規(guī)劃、泵房、進水建筑物和出水建筑物等。實踐技能分為兩部分：一是課程實驗，包括水泵拆裝、水泵的能量性能試驗、水泵的汽蝕性能試驗、水泵進出水結(jié)構(gòu)的流動演示與測試；二是課程設(shè)計，在給定流量、水位組合的前提下完成水泵的選型配套和建筑物設(shè)計。

課程內(nèi)容廣、理論性及應用性強。通過日常的教學發(fā)現(xiàn)，學生對于水泵的基本性能，特別是水泵的汽蝕性能難以掌握，泵裝置內(nèi)部流動情況較為抽象，學生理解困難。

針對這些教學難點，在現(xiàn)有條件下，教師采用視頻播放、PPT圖片展示結(jié)合課堂講解進行教學。但有的視頻內(nèi)容過于陳舊，未能及時更新且更新難度較大，為解決上述問題，筆者嘗試在教學過程中將CFD技術(shù)應用于水泵及水泵站的理論課程教學中，并對此做分析討論，以供借鑒。

二、CFD技術(shù)應用于課程教學的益處

CFD技術(shù)就是利用計算機求解描述流體流動，具有模擬各種不同工況泵站水流運動特性等優(yōu)點。結(jié)合當前學生的思維特點、學習習慣和CFD數(shù)值模擬技術(shù)的優(yōu)勢，將CFD技術(shù)應用于水泵及水泵站課程教學的益處主要有以下5個方面。

（一）有利于培養(yǎng)學生的探索求知欲

學生通過大二春季的認識實習已了解水泵及水泵站的作用，但水泵及水泵站課程在大三春季開設(shè)，認識實習和理論教學之間間隔約1年，水泵及水泵站的結(jié)構(gòu)及其理論對于學生來說依然是陌生、新鮮且神秘的，通過采用CFD技術(shù)給出各種典型泵裝置內(nèi)流場、泵站進水建筑物、泵站出水建筑物的三維動畫，達到吸引學生，啟發(fā)學生思考，培養(yǎng)學生的探索精神及獨立思考解決問題的能力，激發(fā)學生的自主學習熱情。

（二）有助于培養(yǎng)學生的自學能力

基于泵站實際工程問題，采用CFD技術(shù)模擬現(xiàn)有泵站流場結(jié)構(gòu)存在的問題，通過CFD動畫展示讓學生明白不良流態(tài)對泵站運行的實際影響，闡述改善泵站不良流態(tài)的基本思想，通過學生課后自主學習，查找資料給出合理解決改善不良流態(tài)的措施，并通過CFD技術(shù)模擬評判自己所提出的改善措施能否起到作用，以此培養(yǎng)學生的自學能力。這不僅要求學生自學CFD軟件，還需要通過知網(wǎng)、萬方等數(shù)據(jù)庫查找相關(guān)文獻資料給出解決問題的理論依據(jù)。通過這樣的鍛煉，增強學生自主查找文獻，獨立發(fā)現(xiàn)、研究及解決問題的能力。

（三）有助于培養(yǎng)學生的計算機應用能力

通過介紹CFD技術(shù)優(yōu)勢、CFD技術(shù)在水泵及水泵站內(nèi)流場的模擬形態(tài)、實際工程應用案例，以及設(shè)計院對CFD技術(shù)人員的需求，激發(fā)學生學習計算機的興趣。掌握CFD軟件是完成水泵及水泵站課程作業(yè)的前提之一，掌握CFD軟件就需要學生自主安裝CFD軟件，學習建模等基本操作，在軟件的安裝、學習及應用過程中，學生的計算機應用能力得到顯著提升。

（四）有助于提高學生的學習興趣

水泵及水泵站課程涉及概念多、公式推導多，理論分析多，尤其是講授到水泵的基本方程時，學生往往對課程失去了興趣。采用CFD技術(shù)模擬水泵內(nèi)部水流運行狀態(tài)，并結(jié)合葉槽中液流瞬時變化情況及作用力，給出三維非定常動畫，吸引學生，從而提高學生對課程的學習興趣。在觀看CFD模擬動畫的過程中，結(jié)合教師的講解，學生可較好地理解和掌握知識點，達到寓教于樂的目的。

（五）有益于教師將科研與教學相統(tǒng)一

CFD數(shù)值模擬技術(shù)是當前學術(shù)界開展科學研究的主要工具之一，也是工程界輔助工程項目預研的重要手段，CFD數(shù)值模擬技術(shù)已成為該領(lǐng)域?qū)I(yè)教師必備的技能，教師通過將CFD技術(shù)在科研中的應用案例引入理論課堂教學，讓學生了解當前研究的熱點及難點，激發(fā)學習熱情，同時也避免了理論課程教學無延伸拓展內(nèi)容的尷尬，有利于在理論教學中發(fā)現(xiàn)新問題，達到科研與教學的相互促進、相互統(tǒng)一。

三、CFD技術(shù)應用于課程教學的可行性

（一）商用CFD軟件為理論教學提供了基礎(chǔ)條件

CFD數(shù)值模擬技術(shù)已發(fā)展近70年，以往CFD數(shù)值模擬需要用戶根據(jù)求解問題自己編程寫計算程序，耗時長，且程序的通用性較差，較難精準求解復雜的三維流動問題。隨著商用CFD軟件的問世及快速發(fā)展，CFD數(shù)值模擬技術(shù)應用于本科課程教學已成為可能。當前一些高水平研究型高校已將CFD商用軟件的應用列入到本科實踐教學課程安排中，如：武漢大學水利水電工程本科專業(yè)的實踐教學中增加了水利水電工程專業(yè)軟件的專業(yè)選修課，工程力學本科專業(yè)中設(shè)置了大型有限元軟件應用實踐的專業(yè)課程[7]，這些都表明了在水泵及水泵站的本科教學中應用CFD技術(shù)是可行的。以學校本科教學使用的ANSYS CFX商用軟件為例，CFX軟件是全球第一個通過ISO9001質(zhì)量認證的大型商業(yè)CFD軟件，該軟件具有精確的數(shù)值算法，快速穩(wěn)健的求解技術(shù)和豐富的物理模型，可滿足水泵及水泵站日常本科教學需求。

（二）軟硬件設(shè)施為CFD技術(shù)的應用提供了保障

學校現(xiàn)已購入ANSYS CFX、Fluent、X-flow等專業(yè)的商用CFD軟件，為本科教學應用CFD技術(shù)提供了支撐。學院設(shè)有計算機房，擁有眾多服務器和工作站，計算機房可同時容納80余名學生，為CFD技術(shù)的輔助教學實踐提供了場地及計算機硬件條件保障。學院還增設(shè)了計算機中心，為快速求解教學內(nèi)容中常規(guī)工程流動問題提供了保障，可滿足CFD技術(shù)應用于水泵及水泵站課程理論教學的實際需求，便于學生自主探索與學習。

（三）學生的計算機應用水平為學生自主學習提供了智力保障

計算機現(xiàn)已成為大學生的標配之一，水泵及水泵站課程于大三下學期開設(shè)，所有學生均已通過國家或江蘇省的計算機二級考試，每年有約30%的學生通過國家計算機三級或江蘇省計算機三級考試，這些數(shù)據(jù)均表明了當前學生擁有較好的計算機應用水平和編程能力，為學生自主學習CFD軟件提供了智力保障。學生通過自學，在任課教師的幫助指導下能較快地掌握CFD軟件的基本功能，具備解決常規(guī)流動問題的能力。對于求解常規(guī)的流動問題，商用ANSYS CFX軟件已將網(wǎng)格處理ICEM CFD、前處理CFX-Pre、求解CFX-Slover和后處理CFX-Post設(shè)置為4個獨立的功能模塊，學生通過自學結(jié)合教師輔導便可掌握該軟件的使用方法和基本的邊界條件設(shè)置。

（四）教師的專業(yè)技能為CFD技術(shù)應用于理論教學提供了智力支撐

水泵及水泵站的任課教師均能熟練應用CFD軟件，每位任課教師均發(fā)表過采用CFD軟件求解分析泵及泵裝置內(nèi)流的學術(shù)論文[8-10]，教師具有豐富的使用CFD軟件的經(jīng)驗，并可針對特殊工程流動問題進行二次開發(fā)。任課教師均有主持泵及泵裝置水力性能等方面研究課題的經(jīng)歷，這些研究經(jīng)驗為CFD技術(shù)應用于水泵及水泵站理論教學提供了足夠的智力支撐。

四、CFD技術(shù)在課程教學的應用案例

目前，CFD數(shù)值模擬常用的商用軟件有ANSYS Fluent，ANSYS CFX，F(xiàn)low-3D，Star-CD以及Phoenics等，每款軟件的操作流程基本相同，為便于理論課程教學統(tǒng)一和CFD軟件的問題討論，規(guī)定學生選擇ANSYS CFX軟件作為自學對象。

（一）水泵汽蝕性能的教學

當講授水泵汽蝕性能時，水泵產(chǎn)生汽蝕時葉輪和液體間的能量交換受到干擾和破壞，在外特性上表現(xiàn)為流量、揚程和效率的迅速下降，甚至斷流，教師往往通過語言描述這一現(xiàn)象，學生無法達到真正理解。為了讓學生理解水泵受汽蝕影響特性曲線下降的來龍去脈，以及氣泡體積的變化過程，加深學生對水泵汽蝕特征的理解和記憶，利用CFD技術(shù)對水泵汽蝕現(xiàn)象進行流場三維仿真，模擬混流泵葉輪表面氣泡的變化過程，如圖1所示。通過觀察氣泡體積的變化，用豐富的色彩、形象的圖像和動態(tài)的畫面，逼真地演示水泵汽蝕變化過程，再結(jié)合教師的課程講解加深學生對水泵汽蝕原理的理解和掌握。

（二）泵站前池流態(tài)及改善措施

當教師講授到泵站前池流態(tài)時，側(cè)向進水前池的水流與進水池水流方向正交或斜交，易形成回流或旋渦，流態(tài)分布不均勻，應盡量避免，僅在地形條件比較狹窄、正向進水難以布置的情況下才考慮采用。選擇側(cè)向進水前池就需要對側(cè)向進水前池內(nèi)部流態(tài)進行分析，這時教師往往通過“側(cè)向進水前池宜設(shè)分水導流設(shè)施，并應通過水工模型進行驗證”以此帶過，因側(cè)向進水流態(tài)的整流措施及效果很難通過口述讓學生明白，結(jié)合CFD技術(shù)進行分析和闡述，教學效果顯而易見。教師可結(jié)合工程實際構(gòu)建三維模型，如圖2所示，采用CFD技術(shù)對其流場進行數(shù)值計算，并將計算結(jié)果展示給學生，讓學生觀察哪些區(qū)域存在旋渦等不良流態(tài)，并通過查找資料找到改善不良流態(tài)的方法。

經(jīng)過教學實踐，學生提出了菱形導流墩、弧形導流墻、Y形整流墩、非等高底坎及直立墻等多種措施，并對各種措施開展了流場分析工作，評估各種整流措施對流態(tài)的改善效果。在分析整流措施效果的同時，可將前池、進水池性能的評判指標相結(jié)合，學生自主計算評判指標函數(shù)，并對此進行分析，以充分發(fā)揮學生的主觀能動性，增強自主學習的能力。

（三）進水池基本流態(tài)教學

當講授第10章第3節(jié)進水池基本流態(tài)時，教師往往結(jié)合課本中已有的進水池內(nèi)部流態(tài)圖進行文字闡述，此時大多數(shù)學生會將書上的這段描述文字用筆做出標記，采用了死記硬背的方式記住進水池內(nèi)部流動特征，可當進水池幾何尺寸變化時進水池內(nèi)部流態(tài)是否相同，至今尚未有學生對此提出問題，但當講授到進水池內(nèi)旋渦分類時，依據(jù)進水池旋渦發(fā)生的位置分為附底渦、附壁渦和水面渦三種類型，此時學生往往對前面進水池基本流態(tài)的表述和課本中提供的進水池內(nèi)部流態(tài)圖產(chǎn)生疑問，為何在進水池基本流態(tài)的描述文字中未提及旋渦問題，那么在何種條件下進水池內(nèi)部才不會產(chǎn)生旋渦？為此，教師往往復述課本中的文字表述，學生并不能做到真正理解。面對這樣的教學問題，可采用CFD技術(shù)對進水池的內(nèi)流場進行數(shù)值模擬，探討進水池的幾何參數(shù)的變化對進水池內(nèi)流場及旋渦產(chǎn)生的影響規(guī)律，教師可通過分組，讓學生采用CFD技術(shù)分析幾何參數(shù)變化對進水池內(nèi)流場的影響，并通過PPT匯報分析研究結(jié)果，圖3所示為課堂教學中采用CFD技術(shù)研究分析不同喇叭管懸空高時封閉式進水池內(nèi)部流態(tài)。通過直觀展示，學生對進水池內(nèi)部流態(tài)的差異有了認識和理解，在實際的操作和分析過程中，會對進水池基本流態(tài)和進水池的控制參數(shù)有清晰的理解，拋棄了以往單一口述的授課方式，讓學生在探索中掌握進水池基本流動規(guī)律。

（四）出水流道水力性能教學

在講授出水流道時，出水流道的水力損失在水泵總揚程中所占的比例較大，對泵裝置能量性能的影響較為明顯，內(nèi)容的講授往往至此結(jié)束，學生在腦海中可能僅保存了“影響大”的印象，至于原因卻未能詳細闡述分析。結(jié)合CFD技術(shù)對泵裝置出水流道進行數(shù)值模擬，通過細部流場的展示和水力損失的計算讓學生明白原因，通過CFD技術(shù)將出水流道進口處流線圖展示給學生，如圖4所示，讓學生通過觀察判別哪張圖是泵站出水流道的進口流線圖，哪張圖是非泵站出水流道的進口流線圖，啟發(fā)學生思考為何相同的出水流道有進口流場及壓力分布的差異。

通過CFD技術(shù)結(jié)合水泵及水泵站課程的教學內(nèi)容，設(shè)置特定的背景問題，讓學生應用ANSYS CFX軟件建模求解分析，提高了學生解決問題的能力，激發(fā)了學生自主學習的興趣，對水泵及水泵站課程中知識點的認識更加清晰。任課教師通過CFD技術(shù)可將水泵及水泵站流態(tài)的講授內(nèi)容形象地呈現(xiàn)給學生，讓學生直觀地感受到水泵及水泵站內(nèi)部流態(tài)的特征，提高了學生對水泵及水泵站課程的喜愛程度和自主學習的興趣，有益于促進任課教師對水泵及水泵站前沿問題及工程問題的思考。

五、結(jié)語

在分析CFD技術(shù)應用于水泵及水泵站課程教學的可行性及優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，嘗試將CFD技術(shù)應用于理論教學中，結(jié)合實際教學工作進行了舉例分析。通過教學實踐表明，利用CFD技術(shù)將水泵及水泵站進出水建筑物內(nèi)部水流運動狀態(tài)直觀展示，將理論性強的內(nèi)容形象化和動態(tài)化，該方法不僅開闊了學生的視野，激發(fā)了學生對該課程的學習熱情，加深了學生對理論知識的理解，達到了增強課堂教學表現(xiàn)力和教學效果的目的，有利于教學與科研相互促進，共同提高。

參考文獻：

[1]施小清，吳劍鋒. 水文地質(zhì)學基礎(chǔ)課程的數(shù)值模擬可視化教學探討[J]. 中國地質(zhì)教學，2014（4）：75-79.

[2]杜敏，王助良. CFD技術(shù)在數(shù)值傳熱學教學中的應用[J]. 中國電力教育，2012（33）：58-59.

[3]考四明，盧小雨，宮能平. 數(shù)值模擬在材料力學教學中的應用[J]. 西南師范大學學報：自然科學版，2014，39（12）：209-211.

[4]祝捷，劉京紅，張曉天，等. 基于數(shù)值模擬的材料力學教學導入法[J]. 河北農(nóng)業(yè)大學學報，2011（4）：468-470.

[5]蔣光彪，殷水平，陳勝銘，等. CFD軟件及源程序輔助工程流體力學課程教學的探索與實踐[J]. 高等建筑教育，2015，24（5）：154-157.

[6]李美艷，韓濤，韓彬，等. 數(shù)值模擬在焊接技術(shù)實驗課教學中的應用[J]. 實驗技術(shù)與管理，2015，32（10）：52-55，59.

[7]武漢大學本科人才培養(yǎng)方案[Z]. 武漢大學本科生院編，2013.

[8]楊帆，趙浩儒，劉超，等. 渦帶工況下軸流泵裝置內(nèi)部流動特性數(shù)值分析[J]. 應用基礎(chǔ)與工程科學學報，2017，25（4）：670-678.

[9]周濟人，仲召偉，梁金棟，等. 側(cè)向進水泵站前池整流三維數(shù)值模擬[J]. 灌溉排水學報，2015，24（10）：53-54.

[10]朱紅耕，戴龍洋，張仁田，等. 新型豎井貫流泵裝置研發(fā)與數(shù)值分析[J]. 排灌機械工程學報，2011，29（5）：418-422.