流体输配管网课程实验教学的创新尝试

刘伟军 胡伟平 吴 杰

上海工程技术大学机械工程学院 上海 201620

流体输配管网是建筑设备与环境、能源与环境系统工程等专业的重要学科基础课程，也是从事能源动力及环保行业的人员必须学习的课程之一。 它集中阐述通风空调、采暖供热、城市燃气、建筑给排水、消防工程、工厂动力等典型工程中各种流体管网的基本原理、计算分析方法、设备选型与设计及调控方法。

针对流体输配管网的课程研究更多集中在教学方式[1]、教学体系[2]、课程教学(包括内容、模式、考核等)[3]以及计算机编程技术在流体输配管网中的应用[4]等方面。在本课程传统教学过程中，存在重视理论教学，轻视实践教学的问题。“流体阻力系数测定实验”“水泵性能实验”“管网性能实验”是建筑环境与设备工程专业在流体力学、流体输配管网、供热工程课程教学中常做的实验[5]，但是这些实验多为演示和体验性实验，不但数量少，而且学生很难得到能力锻炼。近几年，少数大学在实验教学中尝试创新，如中国矿业大学在流体输配管网综合实验台研制和开设方面有所突破[6,7]。实际上，学生上流体输配管网理论课之前对工程流体输配没有概念，对课程内容缺乏感性认识和兴趣，理论教学过程中结合工程实际也较少，更谈不上实践动手能力、设计能力及创新能力的训练与提高了，所以很有必要提供更多的实践机会，开发更多能提高能力的实验，以促进流体输配管网教学效果和学生相关能力的提高。

笔者对流体输配管网实践教学环节做出了一些尝试，开发出生活给排水可拆装综合实验系统，由学生参考设计，并按自己的设计方案进行组装和实验，克服传统教学中学生只看不练、只想不做的状况，增强学生对所学基理论的理解和应用能力，培养学生设计、动手能力及创新意识，达到提高学生综合素质的目的。

1 系统创新构想

1.1 理论性

本系统的设计以流体输配管网的理论知识为基础，其中着重体现“流体输配管网基础知识”“泵与风机”“单相流体输配管网水力特征与水力计算”与“泵、风机与管网系统的匹配”4个方面的知识点运用。学生在设计生活给排水可拆装综合实验系统的过程中，通过对所提供实验组件的不断熟悉与研究，寻求解决问题的方法，进而有助于学生深入体会流体输配管网的相关理论和方法的实用性。同时，学生对于管网设计所涉及的理论计算及计算公式将有进一步的理解，而不是浮于表面的“死记硬背”。

1.2 实践性

流体输配管网是一门理论与实践性都较强的课程，由于课程教学课时少(48学时)，如果仅仅靠课堂教学难以获得好的教学效果，必须将实验教学和理论教学有机结合。本系统的设计宗旨就是可以充分锻炼学生的实践能力尤其是动手能力，实验系统的可拆装性就是具体体现。在系统的拆装过程中，学生会面临很多实际问题，而在解决这些问题时，能够将理论知识理解得更加透彻，更体现所学宽泛知识的随机应用。同时，学生动手能力也将得到锻炼。

1.3 思维发散性

书本上的理论是死的，而实际的问题却是千变万化的，如何运用死板的理论知识解决实际的问题，发散性思维是关键。传统的实践教学环节，主要包括验证性实验(即验证某个理论或公式的正确性)和探究性实验(即按照既定的实验说明书进行实验)。本系统设计的目标是打破传统实践教学的狭隘性，拓宽学生思路，提高思维的发散性。学生在实验的设计和实施过程中，可以自由发挥想象，利用现有的工具与配件进行装配，只要最终组装完成的给排水系统能正常工作与实验即可。

1.4 可操作性

由于本实验系统设计与实施要由学生多次重复完成，所以在实验系统组成的零部件设计以及材料选择上都要符合耐久性、通用性和易于拆卸的准则。同时，为了确保学生在实验过程中的安全，系统的设计也要考虑到种种安全措施，如所有尖角都需打磨成圆角、插座需远离水源等。

2 典型拆装实验系统的设计与实现

2.1 实验系统的总体构成

本系统设计是以流体输配管网以及给排水工程所涉及的实际装置为参考依据。实验系统的总体构成示意图如图1所示，组装好的一种典型实验系统照片如图2所示。其主要包括以下部件：热源(热水器)、高位水箱、循环泵、排放水箱、阀门、水龙头、厨盆、支架、连接管道(包括金属软管、胶管、PVC管、塑料管)及电源插座等。

图1 实验系统的总体构成示意图

图2 典型实验系统照片

2.2 实验系统关键部件设计与选择

(1)支架。为一体式结构，为整个系统的支撑与固定，在支架的设计过程中，须要满足功能性需求同时兼顾力学强度和稳定性要求，最终由40×40角铁焊接搭建而成。

(2)热水器。选择普遍应用的家庭用电热水器，既能体现热源作用，又能满足热水供应，同时更加贴近真实生活中的实际应用系统。

(3)高位水箱。为了尽可能满足系统需求水量，其设计容量为60 L(带有液位计)，设有排水、给水和溢流管接头，为了防锈选用不锈钢304材料。

(4)循环水泵。它可以用于系统的水循环或者增加给水压力等，可以根据实验设计需要连接于系统的不同位置。

(5)排放水箱。由于排放水箱位于支架的底部，根据支架的设计尺寸选择亚克力浴缸更为合适，既贴近应用实际又方便维护。

(6)厨盆。作为排水末端设备，选择整套不锈钢厨盆，配有可拆卸落水配件及塑料软管，容易实现排水“水封”实验，方便实验台维护。

(7)阀门和水龙头。作为系统的调节与安全拆装配件，选择便于拆装的角阀。为了模拟给水用水端部设备，配置与厨盆相配的厨房水龙头和与热水器相配的花洒喷头。

(8)连接管道及变换接头。由实验室水龙头给上位水箱供水可通过硅胶管连接实现；排水立管提供PVC硬管；给水与排水管道均可由金属软管实现连接；另外配备多个铜制弯头、三通等变化连接件，以备管路连接变化所用。

2.3 实验原理、方法与实施

2.3.1 实验原理

包括给水和排水实验原理：要实现给终端设备供水，管道内的水必须在压力作用下克服流动阻力，而压力来源通常为重力压头、水泵产生的压头或其他介质传递的压头(压气罐)。本实验热水器给水可以采用重力水箱和水箱结合循环增压泵两种方式，厨盆水龙头给水是靠水箱重力实现。实验中涉及排水均为重力作用，即实现排污水从高处流向低处。水箱溢水排出和厨盆废水排出均经过同一个立管排到排放水箱中，而其排水由塑料软管接入室内地漏。此外，厨盆排水能够体现水封作用。

2.3.2 实验方法

实验以学生为主导，教师辅助指导，依据实验条件和要求，精心设计，互助合作完成实验系统搭建与测试，最终完成实验总结与分析报告。实验分五个过程：实验系统与实验方案设计→预约与熟悉实验环境及器材→完善设计系统与方案→具体装配与调试及实验→总结。

2.3.3 实施步骤

第一步，根据实验主题和具体要求以及所能提供的配件与工具，预先设计实验系统及实验方案。第二步，预约熟悉实验时间，在教师指导下，按时到实验室熟悉实验准备情况，包括准备好实验安装用配件和工具。第三步，根据实验熟悉情况修缮原设计方案，并做好实验小组具体人员分工合作准备。第四步，按自己所设计方案，到实验室正式搭建实验系统。第五步，指导教师检查系统是否符合实验测试及安全性要求。第六步，按预先设计实验方案进行具体测试，并记录实验数据等。第七步，拆卸已搭建系统，使部件和工具及实验环境恢复原状。第八步，课后撰写实验总结与分析报告并上交指导教师。

3 结束语

在师生共同努力下开发出的生活给排水可拆装综合实验系统，可以形象模拟家庭给排水系统，既使参与学生得到多方面能力培养与锻炼，同时又为后续学生学习流体输配管网创建了自主实验条件，并提出一整套实验实施方法。本课程实验教学尝试以学生兴趣和学识应用为主导，将理论与实践紧密结合，切实实现培养和锻炼大学生的创新思维能力、设计与动手能力。实践证明，本实验教学模式深受学生欢迎，并取得了良好的应用效果。

[1]王子云.流体输配管网教学方式探讨[J].制冷与空调,2010,24(2):71-73.

[2]李风雷.建设流体输配管网教学体系的探索[J].太原理工大学学报:社会科学版,2005,23(S):168-169.

[3]全贞花,王伟,肖婧.流体输配管网课程教学研究[J].高等建筑教育,2009,18(3):94-96.

[4]肖益民,付祥钊.用MATLAB分析流体输配管网的初步研究[J].重庆大学学报:自然科学版,2002,25(8):14-17.

[5]高等学校土建学科教学指导委员会建筑环境与设备工程专业指导委员会.全国高等学校土建类专业本科教育培养目标扣培养方案及主干课程教学基本要求—建筑环境与设备工程专业[M].北京:中国建筑工业出版社,2004.

[6]张建功,黄炜,张东海.流体输配管网综合实验台的研制[J].实验室研究与探索,2008,27(4):39-41.

[7]张东海,黄炜,张建功.流体输配管网课程实验创新探讨[J].高等建筑教育,2009,18(3):124-127.