水力过渡过程及水锤防护课程教学改革探索

蒋劲++刘亚萌++陈英强

摘要：随着教学条件、科研水平的提高以及商业软件的发展，传统的水锤防护教学不能满足现代水力过渡过程及水锤防护课程教学的要求。引入双语教学，利用商业通用软件与自主研发相关水锤软件相结合，并通过实验验证水锤计算等诸多方面进行教学改革探索。通过几年的教学改革实践，我们发现表明这种改革不仅使学生及时了解和掌握该领域的研究和发展动态和最新研究成果，还可提高学生的相关专业知识水平和专业英语的素养、激发学生学习兴趣和开阔学生的视野，能够使学生在掌握基本理论的同时提高其解决问题的能力，满足社会的需求。

关键词：水力过渡过程；水锤防护；双语教学；商业通用软件

管道系统的瞬变流，由于系统元件的突然改变，如闸或阀的误操作、泵机组意外断电、进出水池水位的大突变等意外事件以及水泵机组的非正常启停等[1]，都会导致管道系统的流动参数如压力发生急剧变化。瞬变流也被称为水击或水锤，水锤不但损坏管道系统里的水力元件，严重时会造成管道破裂或变形[2]，而且当瞬变压力过高时使管道发生破裂，瞬变压力过低时使管道压瘪。当管道内流体压力降低到饱和压力以下时，管道内流体所溶解的空气或其他气体就会析出，在流体内部形成大量气泡。当管道内流体压力降低到液体蒸汽压力时，液体发生汽化，在流体内部形成蒸汽穴。水锤给管道系统的安全运行带来隐患，有时会造成较大的事故，给工业生产带来巨大的经济损失。例如我国西柏坡电厂的补给水系统，本身管路很长又加之水锤防护措施设计不合理，致使一年时间内发生十几次水锤事故，造成管道破坏，给电厂的安全生产运行带来了严重的威胁；我国阳逻电厂循环水系统，由于水锤事故造成冷凝器、阀门等水力元件破坏，甚至泵房被淹没等重大事故。因此，正确认识水锤的流动机理，培养出具有专业知识的符合时代发展的人才是十分有必要的。

武汉大学动力与机械学院的水力机械过渡过程实验室作为教育部重点实验室，多年来在水力过渡过程及水锤防护课程教学中不断探索和改进，培育了一大批相关领域的新型人才，并在行业内做出了突出的贡献。

1 传统教学模式

传统水锤防护教学中以《停泵水锤及防护》教材为主，书中介绍了水锤产生的机理及相关的停泵防护措施，并且夹杂了很多工程实例，对这些工程实例书中还介绍了相关的电算法，对于停泵水锤的研究及防护方面的新技术，该书也做出了详细的介绍。

传统教学的理论相当经典，但是在教学中遇到不少问题，学生在学习过程中理论知识比较多，水锤现象不够直接，学生更多的是靠想象理解，即便是经验丰富的老师配以相关的插图，学生依然不能提起学习兴趣，这种与工程实际脱节的教学方式效果不是很好，在经过大量的教学实践，课题组的老师提出了符合时代发展的教学改革。

2.教学改革举措

2.1 双语教学

在经济全球化和文化国际化背景下，每个国家都应加强除本国语以外的其他国家语言的学习[3]，作为一种培养国际化人才的有效手段，双语教学势在必行。本课题组也实行了双语教学，《FLUID TRANSIENTS》就是水锤防护引进的外语语教材，作者[美]E.B.怀利，本书主要讨论瞬变流的发生、发展的机理以及如何减少和防止由于瞬变流动造成的不利影响。《停泵水锤及防护》依然作为本课题组教学的中文教材。

双语教学的采用，开阔了学生的视野，同时为学生提供了新的学习平台，学生在学习的过程中提高了专业词汇，为继续教育做了良好的铺垫，同时老师也能够对比传统教学及双语教学，提高教学质量。但是，对于FORTRAN来讲，专业性依然比较强，且学习起来需要过程，对于一个简单的算例也需要一定的时间来消化，对于复杂的工程需要的时间更久，随着商业软件的发展，我们在水锤防护的教学中也引进了商业软件，这样使得教学的效率发生了质的变化。

2.2 水锤防护的商业软件

在工程实践中对于水锤防护的预防计算，往往是工作量大、时间短且工程参数的变化不确定，像传统教学中一样通过编程来计算，这样耗费的资源比较多而且效率还不高，针对于这种情况，很多用于水锤防护计算的商用软件就出现了，例如Pipenet，Flowmaster，Bentley HAMMER，AFT Impulse以及最新推出的三维计算软件XFlow，这些商用软件的推出很大程度上提高了工程计算，当然对于教学效率的提高也是不言而喻的。

2.2.1 Pipenet

Pipenet软件分为三大模块，它们可以独立运行，三大模块指标准模块、消防模块以及瞬态模块。目前本课题组及部分设计院均采用瞬态模块进行水锤防护计算，在工程实际中占有一定比例。瞬态模块不仅可以用来计算水锤、气锤、阀门及泵的启停，还能够模拟调压井、箱体、安全阀等的动作，并且可以对其经行选型。在进行数值模拟之后，用户可以轻松调取数值计算报告、动态力的计算结果等。软件还提供了相应的压力、流量、转速等基本参量的波形图供用户查看，此外瞬态模块也可以用于分析普通管网和消防管网。该软件还具有操作简便，上手快，建模周期短等优点，因此被广泛应用于工程实际中。

武汉大学动力与机械学院的水力机械过渡过程实验室做为Pipenet软件的培训基地，每年3月份会举行Pipenet软件培训课程，主要针对在读的硕士研究生以及即将升学的本科生，此外还会有大量的工程人员前来注册课程学习，目前这门培训已经发展成了以理论为基础，工程实际为依托的实用工程课程培训。

2.2.2 Flowmaster

Flowmaster也可以用于锤的防护计算中，但是该软件在实际工程计算中应用的程度并不高，相比PIPENET在工程中的应用Flowmaster要弱很多，建模周期及便捷性也不如前。但是其高效的计算效率、精确的求解能力、便捷快速建模方式，而被许多全球著名的热分析的研究院所采用[4]，Flowmaster软件液体的仿真可以分为两大块稳态分析和瞬态分析，也可以对液体进行热传导分析，并且可以和三维的CFD对接，除了液体也可以应用于气体分析，其动态色彩显示和强大的图表功能可以实现对模拟系统中元部件的实时监测和评估。

2.2.3 Bentley HAMMER

Bentley Hammer在北美市场占有率超过45% [5]，国内也有一定的市场，国内大多涉及院对该软件的应用也比较熟练。对水锤计算Hammer采用特征线法，用户可以使用内置稳态引擎来自动计算初始条件和输入稳态数据，并可以集成AutoCAD、ArcGIS和MicroStation与平台界面，从而实现多平台的特点。软件可以提供毫秒级时间序列的变化过程，使用户能够更好的观察压力的发展和延续过程，从而更好的分析整个系统的瞬态过程。

2.2.4 AFT Impulse

AFT Impulse代理商分布于13个国家，客户遍布于50多个国家[6]，国内不少大中型水力设计院都用到该软件进行过渡过程的数值模拟。这款流体动态分析软件，可用于管网中的瞬态计算，包括常见的输水、石油化工、电厂热分析等，并且可以模拟储水器、分支、泵、切断阀、单向阀、安全阀、调节阀、气体缓冲器、液体缓冲器、压力吸收罐、喷嘴、真空切断阀、盲端管网等管路元件，用户可十分方便的建模并模拟过渡过程中的停泵、关阀等工况。

2.3 编程计算

除了应用商业软件进行教学以外，本课题组也很注重编程计算，课题组以项目和科研课题为依托，编写一些实用的教学算例及计算软件，学生通过程序编写提高了编程能力，同时锻炼了学生的建模能力。对于编程计算在工程实际中可以解决一些特殊边界条件问题的瞬态计算，比如两相流的计算，这方面以本课题组老师做了不少研究；自编程序有一定的局限性，通用型不强，目前本课题组正在着手开发一套通用性比较强的水锤计算软件。

2.4 实验教学环节

为提高水锤防护的教学质量，本课题组建立了过渡过程实验室，本实验室可以对长距离输水水平管道系统的不同管道运行流量、不同关阀方式等工况下进行停泵过渡过程实验，让学生在实验中感受到水锤产生的机理，在实验的基础上加以理论分析，并用商业软件加以模拟，综合分析水锤产生的原因及防护方法，同时在实验的过程中加强学生的动手能力，激发学生的学习兴趣，提高学生对理论知识的认识。

2.5 考核方式

为强化学生对本门课程的掌握，我们设立了特定的考核方式，本门考试的考核方式分为三个板块，第一块，理论知识考察即试卷考察，占总比的50%；第二块，学生自选块，自选块主要是建模考核，针对特定的工程，学生自行去建模，根据建模的程度为学生评分，占总比的25%；第三板块，上机板块，这部分主要考察学生对知识应用的综合能力，本课题组主要考核学生对于Pipenet软件的应用能力，占25%。

3 总结

在水力过渡过程及水锤防护课程教学的改革及探索中，本课题做出了一系列的改进措施。从传统的理论教学，再到目前对于教学改革的种种探索，课题组培养了不少具有专业知识的、能熟练应用商业软件、并能够进行编程计算的优秀毕业生。在教学中发现以理论教学为基础，结合实验，并用商业软件对实验进行补充，最后再升华理论知识，以此提高学生解决工程问题的能力，这种教学方式受到广大师生的一致好评，对于本课程教学，本课题组会继续探索改进，不断完善。

参考文献：

[1]李良庚，雷冬梅，泵站水锤防护[J]. 机电设备，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，袁笃平，双语教学与大学英语教学改革[J]. 《高等教育研究》，2005（3）：74-78.

[4]付锴，马立，李洪凤，利用Flowmaster对水锤现象的研究[J]. 《制冷与空调：四川》，2015（5）：597-600.

[5]田文军，利用Hammer分析水锤计算过程中的数据[J]. 《给水排水动态》，2012（4）：28-29.

[6]李克先，葛小玲，贲岳，马新红，浅谈AFTImpulse～（TM）4.0分析软件在电厂设计中的应用[J]. 《中国工程咨询》，2011（2）：45-47.

基金项目：国家自然科学基金 51279145