新工科背景下智慧能源專(zhuān)業(yè)教學(xué)探索

［摘 要］為提升智慧能源專(zhuān)業(yè)本科生培養(yǎng)質(zhì)量、提高學(xué)生在工程實(shí)踐中的知識(shí)應(yīng)用能力，文章針對(duì)當(dāng)下“雙碳”政策的發(fā)展和新工科背景下的能源人才需求，探討通過(guò)線上線下相結(jié)合、輔以理論應(yīng)用案例的教學(xué)方法，基于數(shù)值模擬方法和有限元仿真專(zhuān)業(yè)軟件，在課程中開(kāi)展動(dòng)力設(shè)備全生命周期管理工程實(shí)例研究，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、提高實(shí)踐能力，通過(guò)重新整合教學(xué)內(nèi)容和專(zhuān)業(yè)知識(shí)，提升學(xué)生的專(zhuān)業(yè)知識(shí)應(yīng)用能力，促進(jìn)學(xué)生對(duì)行業(yè)發(fā)展的理解。

［關(guān)鍵詞］動(dòng)力設(shè)備全生命周期；教學(xué)改革；新工科；智慧能源；數(shù)值模擬

［中圖分類(lèi)號(hào)］G642 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］A ［文章編號(hào)］2095-3437（2024）20-0013-04

能源是工業(yè)的糧食、國(guó)民經(jīng)濟(jì)的命脈，能源問(wèn)題是制約工業(yè)發(fā)展和科技進(jìn)步的瓶頸。能源行業(yè)經(jīng)歷了原先的野蠻發(fā)展和快速擴(kuò)張的發(fā)展，在新的歷史時(shí)期逐漸轉(zhuǎn)向高效、清潔的發(fā)展趨勢(shì)[1]?！疤歼_(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略作為我國(guó)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的必由之路，將引領(lǐng)我國(guó)實(shí)施低碳轉(zhuǎn)型，以低碳、智慧創(chuàng)新推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)社會(huì)文明形態(tài)逐步由工業(yè)文明向生態(tài)文明轉(zhuǎn)變。因此，智慧能源專(zhuān)業(yè)的發(fā)展也亟須進(jìn)行調(diào)整和革新[2]。智慧能源專(zhuān)業(yè)課程體系包括傳熱學(xué)、流體力學(xué)等專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，也包括流體機(jī)械、動(dòng)力設(shè)備全生命周期管理等專(zhuān)業(yè)應(yīng)用課程，涉及從機(jī)理研究到裝備設(shè)計(jì)再到產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的全過(guò)程教學(xué)和培養(yǎng)。其中，動(dòng)力設(shè)備全生命周期管理課程作為引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)、學(xué)習(xí)全生命周期管理的基本知識(shí)和技能的一門(mén)課程，有助于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐和動(dòng)手能力，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合所學(xué)的能源專(zhuān)業(yè)知識(shí)，掌握工程實(shí)踐相關(guān)技能，具有創(chuàng)新性、實(shí)踐性和通識(shí)性等特點(diǎn)。

本文著眼于理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)目標(biāo)，基于數(shù)值模擬方法和有限元仿真專(zhuān)業(yè)軟件進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，打通專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)理論和行業(yè)應(yīng)用實(shí)例的壁壘，使學(xué)生深刻理解專(zhuān)業(yè)知識(shí)在工程實(shí)際中的應(yīng)用，引導(dǎo)他們結(jié)合自身知識(shí)來(lái)對(duì)工程中的具體案例進(jìn)行計(jì)算、分析和總結(jié)，加深對(duì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的理解，并進(jìn)一步探索仿真軟件在實(shí)踐教學(xué)中的效果。

一、智慧能源專(zhuān)業(yè)在新時(shí)代的課程發(fā)展

筆者基于“雙碳”背景下智慧能源拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)目標(biāo)，從高質(zhì)量人才特征、培養(yǎng)過(guò)程、實(shí)踐效果等方面，綜合剖析“雙碳”背景下的新工科人才培養(yǎng)思路與實(shí)踐效果[3]，力求通過(guò)創(chuàng)新應(yīng)用一系列卓有成效的措施，提高智慧能源專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量。

智慧能源專(zhuān)業(yè)需要通過(guò)對(duì)接國(guó)家重大戰(zhàn)略和行業(yè)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展需求，以問(wèn)題為導(dǎo)向，強(qiáng)化校企、校地產(chǎn)學(xué)研深度合作，通過(guò)實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)等項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)科教融合，提高學(xué)生的實(shí)踐能力，緊跟能源行業(yè)發(fā)展步伐，為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)提供高質(zhì)量新鮮血液。

目前能源行業(yè)的發(fā)展主要呈現(xiàn)出兩大趨勢(shì)。其一，能源行業(yè)更注重高效節(jié)能的發(fā)展模式，無(wú)論是能源的高效利用還是能源裝備的設(shè)計(jì)與維護(hù)，都需要更加精準(zhǔn)的考量。這離不開(kāi)對(duì)專(zhuān)業(yè)理論機(jī)理的深刻理解，需要從業(yè)人員不斷學(xué)習(xí)主流能源裝備設(shè)計(jì)方案和理念。其二，隨著計(jì)算機(jī)、新能源等學(xué)科的快速發(fā)展和數(shù)字化、智能化在全行業(yè)的普及，數(shù)值模擬由于其安全性、經(jīng)濟(jì)性、高效性的特點(diǎn)，將獲得極大的發(fā)展。在計(jì)算機(jī)技術(shù)高速發(fā)展的背景下，仿真與數(shù)值計(jì)算將在智慧能源領(lǐng)域的研究過(guò)程中發(fā)揮越來(lái)越大的作用，而這無(wú)論是對(duì)機(jī)理研究還是對(duì)應(yīng)用設(shè)計(jì)均有著極大的促進(jìn)作用。

目前智慧能源專(zhuān)業(yè)的教學(xué)基本都是采用基于多媒體課件和書(shū)本教材的線下授課模式，考核方式大多是通過(guò)線下筆試對(duì)傳統(tǒng)教材上的知識(shí)點(diǎn)和理論計(jì)算方法進(jìn)行考查，無(wú)論是傳統(tǒng)的發(fā)電過(guò)程還是傳統(tǒng)能源設(shè)備的換熱與壽命分析，都與實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)差距較大，也未能讓學(xué)生接觸到最新的研究方向和未來(lái)就業(yè)后的主要工作。而學(xué)生對(duì)數(shù)學(xué)知識(shí)的掌握程度和應(yīng)用能力參差不齊，遇到煩瑣的計(jì)算過(guò)程和較長(zhǎng)的公式，容易產(chǎn)生畏難情緒，久而久之就會(huì)失去學(xué)習(xí)興趣。通過(guò)引入行業(yè)內(nèi)通用的有限元仿真軟件，以工程實(shí)例為背景，建立基于模型、數(shù)值計(jì)算、結(jié)果分析的全流程，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)和機(jī)理的理解，提高學(xué)生對(duì)專(zhuān)業(yè)相關(guān)知識(shí)的應(yīng)用能力。

教學(xué)團(tuán)隊(duì)以智慧能源專(zhuān)業(yè)國(guó)家級(jí)一流本科課程（汽輪機(jī)原理課程）以及國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)一流課程（超超臨界火電機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)及停機(jī)運(yùn)行仿真實(shí)驗(yàn)課程）為依托，圍繞“卓越工程師”專(zhuān)業(yè)平臺(tái)，獲得了包括教育部高等學(xué)校能源動(dòng)力類(lèi)教學(xué)研究與實(shí)踐項(xiàng)目“基于綜合能源服務(wù)平臺(tái)的能動(dòng)專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)創(chuàng)新研究”、“大工科背景下的能源與動(dòng)力工程寬口徑人才培養(yǎng)模式研究”，湖北省高等學(xué)校省級(jí)教學(xué)研究項(xiàng)目“《汽輪機(jī)原理》線上線下混合式一流課程”，武漢大學(xué)本科教育質(zhì)量建設(shè)綜合改革項(xiàng)目“雙碳背景下智慧能源拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)的研究與實(shí)踐”等多個(gè)省部級(jí)教學(xué)研究項(xiàng)目的支持。教學(xué)團(tuán)隊(duì)通過(guò)多門(mén)專(zhuān)業(yè)課程線上線下結(jié)合、理論實(shí)驗(yàn)交互、科研應(yīng)用相依托的教育新模式開(kāi)展了一系列教學(xué)探索，拓展教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生專(zhuān)業(yè)理論基礎(chǔ)和實(shí)踐能力得到了顯著增強(qiáng)。

二、ANSYS軟件在智慧能源領(lǐng)域的應(yīng)用

ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體的大型通用軟件，廣泛應(yīng)用于智慧能源領(lǐng)域，可用于熱能設(shè)備的熱力學(xué)分析、流體機(jī)械中的流體流動(dòng)性能研究、發(fā)電過(guò)程的效率計(jì)算、能源系統(tǒng)的仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)等等。Workbench是ANSYS內(nèi)的協(xié)同仿真環(huán)境平臺(tái)，可以調(diào)用不同模塊的功能，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)靜力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、剛體動(dòng)力學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)熱、電磁場(chǎng)以及耦合場(chǎng)等的綜合分析，具有操作方便、求解快速以及計(jì)算結(jié)果可靠等一系列特性，在國(guó)內(nèi)外的研究教學(xué)和工程實(shí)踐中應(yīng)用廣泛。

以動(dòng)力設(shè)備全生命周期管理課程為例，該課程的研究對(duì)象囊括了能源裝備設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)維、退役等各個(gè)階段。通過(guò)對(duì)裝備各階段的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，規(guī)范管理手段，實(shí)現(xiàn)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(dòng)力設(shè)備全生命周期管理課程作為一門(mén)以認(rèn)知和實(shí)踐為主的課程，如何引導(dǎo)學(xué)生將所學(xué)知識(shí)、技能與實(shí)踐過(guò)程相結(jié)合，深入掌握扎實(shí)的工程技能是教學(xué)的重點(diǎn)。然而，模型試驗(yàn)和實(shí)地考察具有一定的危險(xiǎn)性，且成本高昂。在適當(dāng)?shù)恼n程周期內(nèi)，學(xué)生需要通過(guò)更加泛化和可行的學(xué)習(xí)手段擴(kuò)展認(rèn)知。因此，模擬仿真以高效、安全、門(mén)檻低等優(yōu)點(diǎn)被采納為主要的教學(xué)手段，以幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)原理、掌握實(shí)踐技能。

在本文的仿真案例中，將調(diào)用Workbench的以下功能模塊進(jìn)行計(jì)算求解。

一是穩(wěn)態(tài)傳熱分析模塊。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定傳熱的邊界條件，加載仿真計(jì)算，得到模型達(dá)到穩(wěn)態(tài)后的溫度。

二是瞬態(tài)傳熱分析模塊。以穩(wěn)態(tài)分析作為參考，加載仿真計(jì)算，得到模型溫度隨時(shí)間變化的規(guī)律。

三是瞬態(tài)結(jié)構(gòu)分析模塊。導(dǎo)入瞬態(tài)的溫度載荷作為邊界條件，對(duì)模型施加固定約束，加載仿真計(jì)算后可得到模型應(yīng)力隨時(shí)間變化的規(guī)律，并計(jì)算加熱對(duì)模型產(chǎn)生的熱損傷，評(píng)估模型壽命。

三、ANSYS軟件在動(dòng)力設(shè)備全生命周期管理中的應(yīng)用案例

蒸汽發(fā)生器是核電站最大的換熱設(shè)備，承擔(dān)著一次側(cè)與二次側(cè)的熱交換任務(wù)。該設(shè)備將一回路主冷卻劑從反應(yīng)堆堆芯帶出的熱量傳給二回路給水系統(tǒng)，使之產(chǎn)生蒸汽，推動(dòng)汽輪機(jī)做功。蒸汽發(fā)生器二次側(cè)水壓試驗(yàn)需將管板加熱到要求的溫度，并在整個(gè)試驗(yàn)期間內(nèi)監(jiān)測(cè)溫度保持在一定范圍內(nèi)，其主要目的是防止蒸汽發(fā)生器管板發(fā)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(duì)蒸汽發(fā)生器管板的性能進(jìn)行評(píng)估，從而更好地管理設(shè)備的工作狀態(tài)，需要對(duì)管板在加熱和冷卻過(guò)程中的熱應(yīng)力變化和熱疲勞性能進(jìn)行仿真計(jì)算分析。

核電蒸汽發(fā)生器管板的傳熱過(guò)程滿足能量守恒和傅里葉熱傳導(dǎo)定律，即導(dǎo)熱微分方程。在直角坐標(biāo)系下，根據(jù)傳熱學(xué)基本理論，三維熱傳導(dǎo)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(dǎo)熱系數(shù)，[Φ]為單位體積中熱源的生熱率，t為時(shí)間。求解上述偏微分方程，需要給定邊界條件。針對(duì)不同對(duì)象，熱分析過(guò)程中的邊界條件可以分為三類(lèi)。

第一類(lèi)邊界條件為給定物體邊界上任意時(shí)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(biāo)函數(shù)。

第二類(lèi)邊界條件為給定物體邊界上任意時(shí)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(biāo)函數(shù)。

第三類(lèi)邊界條件為給定物體邊界與周?chē)h(huán)境流體間的對(duì)流換熱系數(shù)及流體溫度，方程為：

[-λ?T?nboundary=h（tw-tf）] （4）

式中，h為對(duì)流換熱系數(shù)，tw為物體表面溫度，tf為周?chē)h(huán)境溫度。

（一）計(jì)算模型建立

管板裝置的計(jì)算模型如圖1所示，管板上開(kāi)設(shè)有孔洞，加熱區(qū)域設(shè)在管板外周，環(huán)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(nèi)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(jìn)行有限元分析，需要將整個(gè)求解域離散成有限多個(gè)節(jié)點(diǎn)與控制單元，從而構(gòu)建網(wǎng)格劃分模型。利用Workbench的Meshing模塊可以將網(wǎng)格劃分所需的物理環(huán)境選擇為Mechanical（結(jié)構(gòu)分析），并采用自動(dòng)劃分法對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于管板分布大量管孔，因此對(duì)管板部分進(jìn)行網(wǎng)格加密，保證仿真計(jì)算的準(zhǔn)確性，同時(shí)兼顧計(jì)算成本。經(jīng)過(guò)上述操作，生成了數(shù)量合適且質(zhì)量良好的網(wǎng)格，網(wǎng)格總量為747009，網(wǎng)格平均質(zhì)量為0.79，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。

（二）加熱計(jì)算分析

結(jié)合實(shí)際試驗(yàn)環(huán)境，將模型求解的邊界條件設(shè)置為：筒體外表面暴露在空氣環(huán)境中，與空氣存在著自然對(duì)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(wú)縫接觸，加熱方式設(shè)置為恒溫。根據(jù)已知的蒸汽發(fā)生器管板加熱試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將環(huán)境溫度設(shè)置為22 ℃，加熱帶溫度設(shè)置為150 ℃。

隨著時(shí)間的推移，加熱帶熱量向周?chē)搀w壁面和管板不斷擴(kuò)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(guò)程趨于穩(wěn)定。最大熱應(yīng)力分布在加熱帶區(qū)域，可達(dá)到287 MPa。沿著指向圓心的方向，管板的熱應(yīng)力先減小后增大。工程上通常認(rèn)為106次為結(jié)構(gòu)的無(wú)限壽命，大部分區(qū)域處于無(wú)限壽命區(qū)，最小壽命為79864次，發(fā)生在加熱區(qū)域上，因?yàn)樵搮^(qū)域的溫度最高，熱應(yīng)力最高。在同一循環(huán)特征下，應(yīng)力越大，設(shè)備經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)越少，壽命越短。

根據(jù)Miner線性損傷累積理論，每次加熱試驗(yàn)對(duì)蒸汽發(fā)生器的損傷度D可以表示為：

[D=1Nmin=179864=1.25×10-5] （5）

（三）冷卻計(jì)算分析

在加熱過(guò)程中，穩(wěn)態(tài)下筒體內(nèi)壁面最高溫度可達(dá)約108 ℃，此時(shí)通入約40 ℃的水與筒體內(nèi)部接觸，溫差將會(huì)導(dǎo)致熱應(yīng)力的產(chǎn)生。因此，應(yīng)當(dāng)對(duì)該冷卻過(guò)程中的溫度和熱應(yīng)力變化進(jìn)行分析，從而評(píng)估設(shè)備工作狀況。

以穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)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(nèi)表面和管板表面，模擬時(shí)間設(shè)定為600 s。

由于管板和筒體內(nèi)壁一開(kāi)始就與冷卻水接觸，其表面與冷卻水溫度一致，遠(yuǎn)離表面的區(qū)域隨著時(shí)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(qū)域存在應(yīng)力集中的情況，最大應(yīng)力分布在管板外周管孔區(qū)域。大部分區(qū)域處于無(wú)限壽命（106次）區(qū)，最小壽命為119464次，發(fā)生在加熱區(qū)和管板外周孔洞區(qū)域，因?yàn)樵搮^(qū)域結(jié)構(gòu)不平滑，易產(chǎn)生應(yīng)力集中。

根據(jù)Miner線性損傷累計(jì)理論，每次冷卻試驗(yàn)對(duì)蒸汽發(fā)生器的損傷度D可以表示為：

[D=1Nmin=1119464=0.84×10-5] （6）

四、結(jié)語(yǔ)

模擬仿真與理論教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)方法，不僅能夠使學(xué)生掌握新型的學(xué)習(xí)手段和實(shí)踐方法，也能夠培養(yǎng)學(xué)生的研究和學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的創(chuàng)新和動(dòng)手能力，培養(yǎng)其多元化的工程素養(yǎng)。ANSYS軟件具有上手快、功能多、精度高和應(yīng)用廣泛等優(yōu)點(diǎn)，非常適合應(yīng)用于動(dòng)力設(shè)備全生命周期管理課程教學(xué)。增加仿真教學(xué)環(huán)節(jié)，多維提升學(xué)生的綜合素質(zhì)，擴(kuò)展學(xué)生在專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的視野，對(duì)于學(xué)生工程實(shí)踐和創(chuàng)新創(chuàng)造能力的培養(yǎng)有著重要的意義。

教學(xué)團(tuán)隊(duì)在教學(xué)和考核的過(guò)程中，注重師資隊(duì)伍的建設(shè)和學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)和評(píng)估。近年來(lái)，團(tuán)隊(duì)內(nèi)多位教師獲批能源動(dòng)力類(lèi)教指委教改項(xiàng)目及武漢大學(xué)教改項(xiàng)目，指導(dǎo)的畢業(yè)生分別在2021年、2023年獲評(píng)全國(guó)能源動(dòng)力類(lèi)專(zhuān)業(yè)百篇優(yōu)秀畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）；智慧能源專(zhuān)業(yè)學(xué)生在全國(guó)大學(xué)生節(jié)能減排社會(huì)實(shí)踐與科技競(jìng)賽中獲得全國(guó)一等獎(jiǎng)3項(xiàng)，其中在2021年推薦的15項(xiàng)作品全部獲獎(jiǎng)；智慧能源專(zhuān)業(yè)作為組織單位連續(xù)獲得優(yōu)秀組織獎(jiǎng)，在專(zhuān)業(yè)競(jìng)賽和課程應(yīng)用方面都取得了較大的突破。

［ 參 考 文 獻(xiàn) ］

[1］ 李蘇曉，余嶺.能源行業(yè)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)[J].世界石油工業(yè)，2022，29（6）：79-80.

[2］ 帥永，陳紹文.碳中和背景下能源動(dòng)力類(lèi)專(zhuān)業(yè)的改革思考與實(shí)踐：以哈爾濱工業(yè)大學(xué)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(dòng)力工程專(zhuān)業(yè)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育體系的構(gòu)建與實(shí)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(píng)估與失效機(jī)理[M].北京：中國(guó)電力出版社，2018.

［責(zé)任編輯：周侯辰］