水力過渡過程及水錘防護(hù)課程教學(xué)改革探索

蔣勁++劉亞萌++陳英強(qiáng)

摘要：隨著教學(xué)條件、科研水平的提高以及商業(yè)軟件的發(fā)展，傳統(tǒng)的水錘防護(hù)教學(xué)不能滿足現(xiàn)代水力過渡過程及水錘防護(hù)課程教學(xué)的要求。引入雙語教學(xué)，利用商業(yè)通用軟件與自主研發(fā)相關(guān)水錘軟件相結(jié)合，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證水錘計(jì)算等諸多方面進(jìn)行教學(xué)改革探索。通過幾年的教學(xué)改革實(shí)踐，我們發(fā)現(xiàn)表明這種改革不僅使學(xué)生及時(shí)了解和掌握該領(lǐng)域的研究和發(fā)展動(dòng)態(tài)和最新研究成果，還可提高學(xué)生的相關(guān)專業(yè)知識(shí)水平和專業(yè)英語的素養(yǎng)、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和開闊學(xué)生的視野，能夠使學(xué)生在掌握基本理論的同時(shí)提高其解決問題的能力，滿足社會(huì)的需求。

關(guān)鍵詞：水力過渡過程；水錘防護(hù)；雙語教學(xué)；商業(yè)通用軟件

管道系統(tǒng)的瞬變流，由于系統(tǒng)元件的突然改變，如閘或閥的誤操作、泵機(jī)組意外斷電、進(jìn)出水池水位的大突變等意外事件以及水泵機(jī)組的非正常啟停等[1]，都會(huì)導(dǎo)致管道系統(tǒng)的流動(dòng)參數(shù)如壓力發(fā)生急劇變化。瞬變流也被稱為水擊或水錘，水錘不但損壞管道系統(tǒng)里的水力元件，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成管道破裂或變形[2]，而且當(dāng)瞬變壓力過高時(shí)使管道發(fā)生破裂，瞬變壓力過低時(shí)使管道壓癟。當(dāng)管道內(nèi)流體壓力降低到飽和壓力以下時(shí)，管道內(nèi)流體所溶解的空氣或其他氣體就會(huì)析出，在流體內(nèi)部形成大量氣泡。當(dāng)管道內(nèi)流體壓力降低到液體蒸汽壓力時(shí)，液體發(fā)生汽化，在流體內(nèi)部形成蒸汽穴。水錘給管道系統(tǒng)的安全運(yùn)行帶來隱患，有時(shí)會(huì)造成較大的事故，給工業(yè)生產(chǎn)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。例如我國西柏坡電廠的補(bǔ)給水系統(tǒng)，本身管路很長又加之水錘防護(hù)措施設(shè)計(jì)不合理，致使一年時(shí)間內(nèi)發(fā)生十幾次水錘事故，造成管道破壞，給電廠的安全生產(chǎn)運(yùn)行帶來了嚴(yán)重的威脅；我國陽邏電廠循環(huán)水系統(tǒng)，由于水錘事故造成冷凝器、閥門等水力元件破壞，甚至泵房被淹沒等重大事故。因此，正確認(rèn)識(shí)水錘的流動(dòng)機(jī)理，培養(yǎng)出具有專業(yè)知識(shí)的符合時(shí)代發(fā)展的人才是十分有必要的。

武漢大學(xué)動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院的水力機(jī)械過渡過程實(shí)驗(yàn)室作為教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，多年來在水力過渡過程及水錘防護(hù)課程教學(xué)中不斷探索和改進(jìn)，培育了一大批相關(guān)領(lǐng)域的新型人才，并在行業(yè)內(nèi)做出了突出的貢獻(xiàn)。

1 傳統(tǒng)教學(xué)模式

傳統(tǒng)水錘防護(hù)教學(xué)中以《停泵水錘及防護(hù)》教材為主，書中介紹了水錘產(chǎn)生的機(jī)理及相關(guān)的停泵防護(hù)措施，并且夾雜了很多工程實(shí)例，對(duì)這些工程實(shí)例書中還介紹了相關(guān)的電算法，對(duì)于停泵水錘的研究及防護(hù)方面的新技術(shù)，該書也做出了詳細(xì)的介紹。

傳統(tǒng)教學(xué)的理論相當(dāng)經(jīng)典，但是在教學(xué)中遇到不少問題，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中理論知識(shí)比較多，水錘現(xiàn)象不夠直接，學(xué)生更多的是靠想象理解，即便是經(jīng)驗(yàn)豐富的老師配以相關(guān)的插圖，學(xué)生依然不能提起學(xué)習(xí)興趣，這種與工程實(shí)際脫節(jié)的教學(xué)方式效果不是很好，在經(jīng)過大量的教學(xué)實(shí)踐，課題組的老師提出了符合時(shí)代發(fā)展的教學(xué)改革。

2.教學(xué)改革舉措

2.1 雙語教學(xué)

在經(jīng)濟(jì)全球化和文化國際化背景下，每個(gè)國家都應(yīng)加強(qiáng)除本國語以外的其他國家語言的學(xué)習(xí)[3]，作為一種培養(yǎng)國際化人才的有效手段，雙語教學(xué)勢(shì)在必行。本課題組也實(shí)行了雙語教學(xué)，《FLUID TRANSIENTS》就是水錘防護(hù)引進(jìn)的外語語教材，作者[美]E.B.懷利，本書主要討論瞬變流的發(fā)生、發(fā)展的機(jī)理以及如何減少和防止由于瞬變流動(dòng)造成的不利影響?！锻１盟N及防護(hù)》依然作為本課題組教學(xué)的中文教材。

雙語教學(xué)的采用，開闊了學(xué)生的視野，同時(shí)為學(xué)生提供了新的學(xué)習(xí)平臺(tái)，學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中提高了專業(yè)詞匯，為繼續(xù)教育做了良好的鋪墊，同時(shí)老師也能夠?qū)Ρ葌鹘y(tǒng)教學(xué)及雙語教學(xué)，提高教學(xué)質(zhì)量。但是，對(duì)于FORTRAN來講，專業(yè)性依然比較強(qiáng)，且學(xué)習(xí)起來需要過程，對(duì)于一個(gè)簡單的算例也需要一定的時(shí)間來消化，對(duì)于復(fù)雜的工程需要的時(shí)間更久，隨著商業(yè)軟件的發(fā)展，我們?cè)谒N防護(hù)的教學(xué)中也引進(jìn)了商業(yè)軟件，這樣使得教學(xué)的效率發(fā)生了質(zhì)的變化。

2.2 水錘防護(hù)的商業(yè)軟件

在工程實(shí)踐中對(duì)于水錘防護(hù)的預(yù)防計(jì)算，往往是工作量大、時(shí)間短且工程參數(shù)的變化不確定，像傳統(tǒng)教學(xué)中一樣通過編程來計(jì)算，這樣耗費(fèi)的資源比較多而且效率還不高，針對(duì)于這種情況，很多用于水錘防護(hù)計(jì)算的商用軟件就出現(xiàn)了，例如Pipenet，F(xiàn)lowmaster，Bentley HAMMER，AFT Impulse以及最新推出的三維計(jì)算軟件XFlow，這些商用軟件的推出很大程度上提高了工程計(jì)算，當(dāng)然對(duì)于教學(xué)效率的提高也是不言而喻的。

2.2.1 Pipenet

Pipenet軟件分為三大模塊，它們可以獨(dú)立運(yùn)行，三大模塊指標(biāo)準(zhǔn)模塊、消防模塊以及瞬態(tài)模塊。目前本課題組及部分設(shè)計(jì)院均采用瞬態(tài)模塊進(jìn)行水錘防護(hù)計(jì)算，在工程實(shí)際中占有一定比例。瞬態(tài)模塊不僅可以用來計(jì)算水錘、氣錘、閥門及泵的啟停，還能夠模擬調(diào)壓井、箱體、安全閥等的動(dòng)作，并且可以對(duì)其經(jīng)行選型。在進(jìn)行數(shù)值模擬之后，用戶可以輕松調(diào)取數(shù)值計(jì)算報(bào)告、動(dòng)態(tài)力的計(jì)算結(jié)果等。軟件還提供了相應(yīng)的壓力、流量、轉(zhuǎn)速等基本參量的波形圖供用戶查看，此外瞬態(tài)模塊也可以用于分析普通管網(wǎng)和消防管網(wǎng)。該軟件還具有操作簡便，上手快，建模周期短等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于工程實(shí)際中。

武漢大學(xué)動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院的水力機(jī)械過渡過程實(shí)驗(yàn)室做為Pipenet軟件的培訓(xùn)基地，每年3月份會(huì)舉行Pipenet軟件培訓(xùn)課程，主要針對(duì)在讀的碩士研究生以及即將升學(xué)的本科生，此外還會(huì)有大量的工程人員前來注冊(cè)課程學(xué)習(xí)，目前這門培訓(xùn)已經(jīng)發(fā)展成了以理論為基礎(chǔ)，工程實(shí)際為依托的實(shí)用工程課程培訓(xùn)。

2.2.2 Flowmaster

Flowmaster也可以用于錘的防護(hù)計(jì)算中，但是該軟件在實(shí)際工程計(jì)算中應(yīng)用的程度并不高，相比PIPENET在工程中的應(yīng)用Flowmaster要弱很多，建模周期及便捷性也不如前。但是其高效的計(jì)算效率、精確的求解能力、便捷快速建模方式，而被許多全球著名的熱分析的研究院所采用[4]，F(xiàn)lowmaster軟件液體的仿真可以分為兩大塊穩(wěn)態(tài)分析和瞬態(tài)分析，也可以對(duì)液體進(jìn)行熱傳導(dǎo)分析，并且可以和三維的CFD對(duì)接，除了液體也可以應(yīng)用于氣體分析，其動(dòng)態(tài)色彩顯示和強(qiáng)大的圖表功能可以實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬系統(tǒng)中元部件的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和評(píng)估。

2.2.3 Bentley HAMMER

Bentley Hammer在北美市場占有率超過45% [5]，國內(nèi)也有一定的市場，國內(nèi)大多涉及院對(duì)該軟件的應(yīng)用也比較熟練。對(duì)水錘計(jì)算Hammer采用特征線法，用戶可以使用內(nèi)置穩(wěn)態(tài)引擎來自動(dòng)計(jì)算初始條件和輸入穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)，并可以集成AutoCAD、ArcGIS和MicroStation與平臺(tái)界面，從而實(shí)現(xiàn)多平臺(tái)的特點(diǎn)。軟件可以提供毫秒級(jí)時(shí)間序列的變化過程，使用戶能夠更好的觀察壓力的發(fā)展和延續(xù)過程，從而更好的分析整個(gè)系統(tǒng)的瞬態(tài)過程。

2.2.4 AFT Impulse

AFT Impulse代理商分布于13個(gè)國家，客戶遍布于50多個(gè)國家[6]，國內(nèi)不少大中型水力設(shè)計(jì)院都用到該軟件進(jìn)行過渡過程的數(shù)值模擬。這款流體動(dòng)態(tài)分析軟件，可用于管網(wǎng)中的瞬態(tài)計(jì)算，包括常見的輸水、石油化工、電廠熱分析等，并且可以模擬儲(chǔ)水器、分支、泵、切斷閥、單向閥、安全閥、調(diào)節(jié)閥、氣體緩沖器、液體緩沖器、壓力吸收罐、噴嘴、真空切斷閥、盲端管網(wǎng)等管路元件，用戶可十分方便的建模并模擬過渡過程中的停泵、關(guān)閥等工況。

2.3 編程計(jì)算

除了應(yīng)用商業(yè)軟件進(jìn)行教學(xué)以外，本課題組也很注重編程計(jì)算，課題組以項(xiàng)目和科研課題為依托，編寫一些實(shí)用的教學(xué)算例及計(jì)算軟件，學(xué)生通過程序編寫提高了編程能力，同時(shí)鍛煉了學(xué)生的建模能力。對(duì)于編程計(jì)算在工程實(shí)際中可以解決一些特殊邊界條件問題的瞬態(tài)計(jì)算，比如兩相流的計(jì)算，這方面以本課題組老師做了不少研究；自編程序有一定的局限性，通用型不強(qiáng)，目前本課題組正在著手開發(fā)一套通用性比較強(qiáng)的水錘計(jì)算軟件。

2.4 實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)

為提高水錘防護(hù)的教學(xué)質(zhì)量，本課題組建立了過渡過程實(shí)驗(yàn)室，本實(shí)驗(yàn)室可以對(duì)長距離輸水水平管道系統(tǒng)的不同管道運(yùn)行流量、不同關(guān)閥方式等工況下進(jìn)行停泵過渡過程實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中感受到水錘產(chǎn)生的機(jī)理，在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上加以理論分析，并用商業(yè)軟件加以模擬，綜合分析水錘產(chǎn)生的原因及防護(hù)方法，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)的過程中加強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的認(rèn)識(shí)。

2.5 考核方式

為強(qiáng)化學(xué)生對(duì)本門課程的掌握，我們?cè)O(shè)立了特定的考核方式，本門考試的考核方式分為三個(gè)板塊，第一塊，理論知識(shí)考察即試卷考察，占總比的50%；第二塊，學(xué)生自選塊，自選塊主要是建?？己?，針對(duì)特定的工程，學(xué)生自行去建模，根據(jù)建模的程度為學(xué)生評(píng)分，占總比的25%；第三板塊，上機(jī)板塊，這部分主要考察學(xué)生對(duì)知識(shí)應(yīng)用的綜合能力，本課題組主要考核學(xué)生對(duì)于Pipenet軟件的應(yīng)用能力，占25%。

3 總結(jié)

在水力過渡過程及水錘防護(hù)課程教學(xué)的改革及探索中，本課題做出了一系列的改進(jìn)措施。從傳統(tǒng)的理論教學(xué)，再到目前對(duì)于教學(xué)改革的種種探索，課題組培養(yǎng)了不少具有專業(yè)知識(shí)的、能熟練應(yīng)用商業(yè)軟件、并能夠進(jìn)行編程計(jì)算的優(yōu)秀畢業(yè)生。在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)以理論教學(xué)為基礎(chǔ)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)，并用商業(yè)軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行補(bǔ)充，最后再升華理論知識(shí)，以此提高學(xué)生解決工程問題的能力，這種教學(xué)方式受到廣大師生的一致好評(píng)，對(duì)于本課程教學(xué)，本課題組會(huì)繼續(xù)探索改進(jìn)，不斷完善。

參考文獻(xiàn)：

[1]李良庚，雷冬梅，泵站水錘防護(hù)[J]. 機(jī)電設(shè)備，2005，22（1）：37-40.

[2]AWWA .MANUAL OF WATER SUPPLY PRACTICES-M51：air release，air/vacuum，and combination air valves[M].Denver：AWWA，2001.

[3]俞理明，袁篤平，雙語教學(xué)與大學(xué)英語教學(xué)改革[J]. 《高等教育研究》，2005（3）：74-78.

[4]付鍇，馬立，李洪鳳，利用Flowmaster對(duì)水錘現(xiàn)象的研究[J]. 《制冷與空調(diào)：四川》，2015（5）：597-600.

[5]田文軍，利用Hammer分析水錘計(jì)算過程中的數(shù)據(jù)[J]. 《給水排水動(dòng)態(tài)》，2012（4）：28-29.

[6]李克先，葛小玲，賁岳，馬新紅，淺談AFTImpulse～（TM）4.0分析軟件在電廠設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]. 《中國工程咨詢》，2011（2）：45-47.

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金 51279145