科研平台在实验教学中的应用实例

王文蓉，莫政宇，谢 果，孙立成

(四川大学 水利水电学院,四川 成都 610065)

如何在本科实验教学过程中，最大限度地提高学生动手实践能力，培养专业知识扎实、实践能力强的创新型人才，一直是各个高校实验教学改革的核心。基于此，不同于传统实验教学内容的一些综合性实验教学项目得到了迅猛发展，几乎涵盖每个学科领域[1-6]。与此同时，高校、特别是一些重点高校，丰富的科学研究活动积累了大量先进的科研综合试验平台和贵重的实验设备，这是一笔庞大和极其重要的资源。如何依托这些高校的科研资源和人才资源优势，促进教学发展，特别是直接提高实验教学的质量、深化实验教学改革，也逐渐得到了诸多高校的重视与关注。以清华大学、武汉大学及南开大学等为代表的一批顶尖院校，自20世纪90年代就开始了有益的尝试，但由于那时我国的经济实力比较弱，并未取得实质性的进展[7-8]。进入到21世纪，尤其是近十年来，国家在科研上的大量投入，彻底改变了我国高校在科研方面的落后面貌。

一方面是大量科研资源的不断积累；另一方面，实验教学改革需要大量的资金投入。如何能将这些科研资源和实验教学改革有机结合起来，已经成为各个高校、特别是重点高校面临的一个重要课题[9-12]。

四川大学能动系依托水电学院和水力学与山区河流开发保护国家重点实验室多年的科研积累，拥有完备的大型试验平台及设备。本文主要介绍能动系利用热工水力综合科研试验平台开展本科实验综合项目的实施情况和取得的效果。

1 热工水力综合试验平台介绍

1.1 试验平台组成

热工水力综合试验平台，主要用于多种形式的换热设备传热及流动性能的测试，系统布置如图1所示。系统包括冷水回路、热水回路、供气系统和数据采集及控制系统。冷水回路主要部件包含水箱、冷却塔、冷却水循环泵、过滤装置、连接管路、阀门及传感器等。热水回路包含热水水箱(含加热器)、热水循环泵、过滤器、连接管路、阀门及传感器等。测试系统包括不同量程的压力传感器、流量计、热电偶和高速数据采集系统等。热水水箱的加热器配备了一个电源控制柜，以对加热功率进行调节和控制。另外还配备了一套供气系统，包括空气压缩机、储气罐、减压阀及流量调节阀等，可以为系统提供一定参数的空气。

图1 热工水力综合试验平台

1.2 试验平台的功能及主要设计参数

该试验平台可以实现对于多种类型的换热设备流动阻力及传热性能测试，包括传统的管壳式换热器、板式换热器及新型的小型紧凑式换热设备等。循环水泵为不锈钢多级泵，提供的流量范围为0～100m3/h，扬程可达45m；加热功率最高可达100kW；供气回路可提供0.8MPa、60m3/h稳定的空气流量。

2 科研平台用于本科实验教学综合项目的设计

2.1 项目设计目的

能源与动力工程专业最重要的专业基础课程包括热力学、流体力学和传热学等。另外，换热器设计、动力工程测试技术等也都是非常重要的专业课程。本科生教学实践中，这些课程大多只有单一的课程实验，学生仅能掌握某一课程的单一实验基本技能，缺少综合类实验训练，对一些先进的综合数据采集系统的仪器很少有使用机会。如何通过实验项目设计，使本科阶段的学生把这些重要课程所学的基础知识串联起来，并明白所学专业基础知识的重要性及在实际中的应用过程，是项目设计的最终目的。

2.2 项目设计内容及要求

项目设计的内容要具有综合性，并能对能源与动力工程专业的本科学生起到综合训练的作用，由于换热器是能源动力工程中最常见和重要的设备之一，也是专业课程中必须要学习的核心内容之一，这一综合实验项目与相关课程的联系如图2所示。

图2 综合项目与相关课程的关联图

为达到以上的设计目的，以换热器的设计和性能测试为出发点，联合相关课程教学及实验教学老师设计了一个综合的实验项目。项目要求参与实验设计的同学从换热器的设计开始，完成设计、校核、测试设计及性能评估4个主要阶段。项目涉及的主要5个课程环节如下。

1)换热器的设计原理。

设计以最传统的管壳式换热器为对象，要求同学设计一符合使用要求的换热器，明确设计要求，包括换热功率、安装要求等。涉及的专业基础知识包括传热学中的复合导热及换热器设计部分及流体力学中的流体流动阻力计算等基本环节。

2)测试样机设计原则。

要求同学利用流体力学中非常重要的相似原理，为所设计的换热器设计测试样机。通过对样机的传热性能及流动阻力性能的测试，能够反映出所设计原型换热器的工作性能。由于相似原理是在工程设计中极为重要的基础知识，对于这一原理的掌握和运用在很大程度上决定了工程项目在研发和测试过程的成本，因此要求学生能通过这一项目理解相似原理的重要性和使用原则。

由于换热器内外的换热方式，主要是通过对流方式进行。因此在设计过程中需要着重考虑原型换热器与测试样机之间流动和传热过程的相似。以换热功率1000kW设计要求，给出的原型换热器和测试样机的参考设计方案如图3所示。

图3 原型换热器与测试样机的对比示意图

3)原型换热器及测试样机设计。

由于换热器设计有标准的设计程序和原则，要求学生在设计过程中严格按照标准的设计程序进行，期间要了解和掌握换热器的主要设计标准。如承压元件的受力分析及设计依照标准《GB150压力容器》执行；换热性能设计依据《GB151管壳式换热器》及《化工设备设计手册》执行；接管部分根据《汽水管道设计手册》执行等。要给出原型换热器及测试样机的热工设计过程、标准的设计图纸。鉴于目前很多产品设计全部采用立体化设计，还要求部分学生能够运用三维软件，如ProE、UG、AutoCAD等进行三维立体化设计。如图4所示，给出的是一个测试样机的三维设计示意图。

图4 样机三维模型示意图

4)样机测试系统设计。

动力工程测试技术是能源与动力工程专业的一门重要专业课程，有很强的实用性，在项目设计中需要做专门的考虑和安排。换热器样机的传热和流动阻力特性测试，需要获得的参数包括温度、流量、压力和压差等。因此在项目设计过程中，传感器量程、精度、响应特性要求等，都需要学生在选型过程中自行考虑，同时还要兼顾仪表的经济成本。

传感器选型等工作完成后，学生还要设计实验的参数范围、实验步骤及实验方法等，并在系统调试过程中，不断修正和完善测试方法。通过这一设计环节，可以使学生明白多种传感器的工作原理、特性和优缺点，并深刻理解仪表静态特性、动态特性等性能与测量要求之间的关系，可以加深对于这门专业课程重要性和实用性的理解。如图5所示，为换热器样机及传感器的布置实物照片。

图5 测试样机及传感器布置

5)样机测试和数据分析。

样机性能的测试过程，需要学生按照预先的实验步骤和要求进行，获取不同流量下换热器进出口温度、压降等数据，以对样机的换热及流动阻力特性进行分析，并根据相似原理分析原型换热器的工作特性是否满足设计要求。

数据采集和转化全部通过虚拟仪器软件LabVIEW平台实现。学生需要基本了解虚拟仪器的概念及LabVIEW这种开放式、图形化编程语言的基本原理，并能够根据测量需要，修改测试程序。另外，对于获得的实验数据，学生能够根据实验数据的处理和分析方法，对实验数据进行处理，并对测量误差进行评估。

3 实验教学实践过程

3.1 实验指导书编写

对于一个综合性实验项目，具有一定的复杂性，为达到设计目标要求，需要编写详细的实验指导书，以使学生能较快掌握实验项目的主要脉络，了解涉及的专业知识及完成整个实验过程所需要的时间。项目的实施可以多个同学合作集中完成，也可以按照课程学习的进度分阶段进行。因此，指导书在编写过程中，兼顾了渐进性及灵活性的要求。

3.2 实施过程及效果

在四川大学能动专业本科三年级和四年级的学生中，分别进行了本实验项目的实施工作，主要占用传热学及动力工程测试技术两门课程的实验学时来完成，参与学生人数共计170人。鉴于实验学时限制，实验采取分组合作方式完成，主要集中在换热器设计、测试和性能分析环节，学生实验测试的一组数据如表1所示，学生实验照片如图6所示。

表1 学生换热器实验的一组数据

图6 学生实验照片

由于实验项目的自主性、新颖性和挑战性比较强，且传感器、测试系统等全部需要购置，测量精度、响应特性等都比较高；大多数设计参数和要求都按照科研项目要求设置，尽量让实验项目接近实际的工程项目要求。

实验项目的实施效果良好，参与的同学主要在以下3个方面获得了较大收获：

1)换热器设计原理和工程应用换热器设计之间的区别与联系，进一步加深了对于理论指导实际生产过程重要性的感性认识；

2)对测试技术在科学实践和工业生产过程中作用的理解进一步加深，熟悉了测量仪表的选型过程、使用原则，进一步掌握了数据分析及误差处理的原理及过程；

3)实验项目的完成过程帮助学生进一步理解了专业知识在实际应用过程中的重要作用，提高了学生对于专业知识学习的兴趣。

通过上述管壳式换热器的设计和性能测试综合实验项目，学生将多门课程的专业知识进行了综合应用，既熟悉了科研工作的过程和需要解决的工程问题，又提升了本科实验教学的质量和效果，特别是增加了本科生从事科研工作的兴趣，为教师科学研究后备人才的招生和培养打下了基础，教学和科研互相服务和受益，值得借鉴和参考。

4 结束语

四川大学能源与动力工程系整合科研资源，利用热工水力综合试验平台，设计了针对本科生专业课程的管壳式换热器设计及性能测试综合性实验项目，经过两个教学轮次的教学实践，取得了良好的教学效果。一方面，提高了科研资源利用效率。另一方面，也可以直接让本科学生接触最为实际和最新的科研活动，增加对于专业学习的兴趣。也进一步证明，“利用科研带动和促进教学模式”应该在高等教育教学改革过程中进一步深化和推广。