新工科背景下智慧能源专业教学探索

［摘 要］为提升智慧能源专业本科生培养质量、提高学生在工程实践中的知识应用能力，文章针对当下“双碳”政策的发展和新工科背景下的能源人才需求，探讨通过线上线下相结合、辅以理论应用案例的教学方法，基于数值模拟方法和有限元仿真专业软件，在课程中开展动力设备全生命周期管理工程实例研究，引导学生主动学习、提高实践能力，通过重新整合教学内容和专业知识，提升学生的专业知识应用能力，促进学生对行业发展的理解。

［关键词］动力设备全生命周期；教学改革；新工科；智慧能源；数值模拟

［中图分类号］G642 ［文献标识码］A ［文章编号］2095-3437（2024）20-0013-04

能源是工业的粮食、国民经济的命脉，能源问题是制约工业发展和科技进步的瓶颈。能源行业经历了原先的野蛮发展和快速扩张的发展，在新的历史时期逐渐转向高效、清洁的发展趋势[1]。“碳达峰、碳中和”战略作为我国实现高质量发展的必由之路，将引领我国实施低碳转型，以低碳、智慧创新推动可持续发展，实现社会文明形态逐步由工业文明向生态文明转变。因此，智慧能源专业的发展也亟须进行调整和革新[2]。智慧能源专业课程体系包括传热学、流体力学等专业基础课程，也包括流体机械、动力设备全生命周期管理等专业应用课程，涉及从机理研究到装备设计再到产业应用的全过程教学和培养。其中，动力设备全生命周期管理课程作为引导学生认识、学习全生命周期管理的基本知识和技能的一门课程，有助于培养学生的实践和动手能力，引导学生结合所学的能源专业知识，掌握工程实践相关技能，具有创新性、实践性和通识性等特点。

本文着眼于理论与实践相结合的教学目标，基于数值模拟方法和有限元仿真专业软件进行教学设计，打通专业基础理论和行业应用实例的壁垒，使学生深刻理解专业知识在工程实际中的应用，引导他们结合自身知识来对工程中的具体案例进行计算、分析和总结，加深对专业知识的理解，并进一步探索仿真软件在实践教学中的效果。

一、智慧能源专业在新时代的课程发展

笔者基于“双碳”背景下智慧能源拔尖创新人才培养目标，从高质量人才特征、培养过程、实践效果等方面，综合剖析“双碳”背景下的新工科人才培养思路与实践效果[3]，力求通过创新应用一系列卓有成效的措施，提高智慧能源专业人才培养质量。

智慧能源专业需要通过对接国家重大战略和行业产业创新发展需求，以问题为导向，强化校企、校地产学研深度合作，通过实习实训等项目实现科教融合，提高学生的实践能力，紧跟能源行业发展步伐，为实现“双碳”目标提供高质量新鲜血液。

目前能源行业的发展主要呈现出两大趋势。其一，能源行业更注重高效节能的发展模式，无论是能源的高效利用还是能源装备的设计与维护，都需要更加精准的考量。这离不开对专业理论机理的深刻理解，需要从业人员不断学习主流能源装备设计方案和理念。其二，随着计算机、新能源等学科的快速发展和数字化、智能化在全行业的普及，数值模拟由于其安全性、经济性、高效性的特点，将获得极大的发展。在计算机技术高速发展的背景下，仿真与数值计算将在智慧能源领域的研究过程中发挥越来越大的作用，而这无论是对机理研究还是对应用设计均有着极大的促进作用。

目前智慧能源专业的教学基本都是采用基于多媒体课件和书本教材的线下授课模式，考核方式大多是通过线下笔试对传统教材上的知识点和理论计算方法进行考查，无论是传统的发电过程还是传统能源设备的换热与寿命分析，都与实际的工业生产差距较大，也未能让学生接触到最新的研究方向和未来就业后的主要工作。而学生对数学知识的掌握程度和应用能力参差不齐，遇到烦琐的计算过程和较长的公式，容易产生畏难情绪，久而久之就会失去学习兴趣。通过引入行业内通用的有限元仿真软件，以工程实例为背景，建立基于模型、数值计算、结果分析的全流程，可以激发学生的学习兴趣，加深学生对理论知识和机理的理解，提高学生对专业相关知识的应用能力。

教学团队以智慧能源专业国家级一流本科课程（汽轮机原理课程）以及国家级虚拟仿真实验一流课程（超超临界火电机组冷态启动及停机运行仿真实验课程）为依托，围绕“卓越工程师”专业平台，获得了包括教育部高等学校能源动力类教学研究与实践项目“基于综合能源服务平台的能动专业实践教学创新研究”、“大工科背景下的能源与动力工程宽口径人才培养模式研究”，湖北省高等学校省级教学研究项目“《汽轮机原理》线上线下混合式一流课程”，武汉大学本科教育质量建设综合改革项目“双碳背景下智慧能源拔尖创新人才培养的研究与实践”等多个省部级教学研究项目的支持。教学团队通过多门专业课程线上线下结合、理论实验交互、科研应用相依托的教育新模式开展了一系列教学探索，拓展教学内容，使学生专业理论基础和实践能力得到了显著增强。

二、ANSYS软件在智慧能源领域的应用

ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用软件，广泛应用于智慧能源领域，可用于热能设备的热力学分析、流体机械中的流体流动性能研究、发电过程的效率计算、能源系统的仿真和优化设计等等。Workbench是ANSYS内的协同仿真环境平台，可以调用不同模块的功能，实现复杂机械系统的结构静力学、结构动力学、刚体动力学、流体动力学、结构热、电磁场以及耦合场等的综合分析，具有操作方便、求解快速以及计算结果可靠等一系列特性，在国内外的研究教学和工程实践中应用广泛。

以动力设备全生命周期管理课程为例，该课程的研究对象囊括了能源装备设计、建造、运维、退役等各个阶段。通过对装备各阶段的数据进行分析计算，规范管理手段，实现能源装备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。动力设备全生命周期管理课程作为一门以认知和实践为主的课程，如何引导学生将所学知识、技能与实践过程相结合，深入掌握扎实的工程技能是教学的重点。然而，模型试验和实地考察具有一定的危险性，且成本高昂。在适当的课程周期内，学生需要通过更加泛化和可行的学习手段扩展认知。因此，模拟仿真以高效、安全、门槛低等优点被采纳为主要的教学手段，以帮助学生认识原理、掌握实践技能。

在本文的仿真案例中，将调用Workbench的以下功能模块进行计算求解。

一是稳态传热分析模块。通过实验数据确定传热的边界条件，加载仿真计算，得到模型达到稳态后的温度。

二是瞬态传热分析模块。以稳态分析作为参考，加载仿真计算，得到模型温度随时间变化的规律。

三是瞬态结构分析模块。导入瞬态的温度载荷作为边界条件，对模型施加固定约束，加载仿真计算后可得到模型应力随时间变化的规律，并计算加热对模型产生的热损伤，评估模型寿命。

三、ANSYS软件在动力设备全生命周期管理中的应用案例

蒸汽发生器是核电站最大的换热设备，承担着一次侧与二次侧的热交换任务。该设备将一回路主冷却剂从反应堆堆芯带出的热量传给二回路给水系统，使之产生蒸汽，推动汽轮机做功。蒸汽发生器二次侧水压试验需将管板加热到要求的温度，并在整个试验期间内监测温度保持在一定范围内，其主要目的是防止蒸汽发生器管板发生脆性破坏，并保持足够的安全余量[4]。

因此，为了有效地在生命周期中对蒸汽发生器管板的性能进行评估，从而更好地管理设备的工作状态，需要对管板在加热和冷却过程中的热应力变化和热疲劳性能进行仿真计算分析。

核电蒸汽发生器管板的传热过程满足能量守恒和傅里叶热传导定律，即导热微分方程。在直角坐标系下，根据传热学基本理论，三维热传导方程为：

[ρc∂T∂t=∂∂xλ∂T∂x+∂∂yλ∂T∂y+∂∂zλ∂T∂z+Φ] （1）

式中，T为物体温度，ρ为物体密度，c为物体比热，λ为导热系数，[Φ]为单位体积中热源的生热率，t为时间。求解上述偏微分方程，需要给定边界条件。针对不同对象，热分析过程中的边界条件可以分为三类。

第一类边界条件为给定物体边界上任意时刻的温度分布，方程为：

[Tboundary=f1x， y， z]  ; （2）

式中，Tboundary为物体边界上的温度，f1（x，y，z）为温度值直角坐标函数。

第二类边界条件为给定物体边界上任意时刻的热流密度，方程为：

[-λ∂T∂nboundary=fx， y， z] （3）

式中，[-λ∂T∂nboundary]为物体边界上的热流密度，[∂T∂n]为温度T在表面法线n方向的梯度。[fx， y， z]为热流密度直角坐标函数。

第三类边界条件为给定物体边界与周围环境流体间的对流换热系数及流体温度，方程为：

[-λ∂T∂nboundary=h（tw-tf）] （4）

式中，h为对流换热系数，tw为物体表面温度，tf为周围环境温度。

（一）计算模型建立

管板装置的计算模型如图1所示，管板上开设有孔洞，加热区域设在管板外周，环形加热带与管板几何中心处于同一高度。其中，筒体壁厚为100 mm，筒体内腔高度和宽度分别为7000 mm和3500 mm，加热带的厚度为30 mm，高度为320 mm。管板的厚度为560 mm，管孔直径为20 mm，而相邻管孔圆心距则为60 mm。

为了进行有限元分析，需要将整个求解域离散成有限多个节点与控制单元，从而构建网格划分模型。利用Workbench的Meshing模块可以将网格划分所需的物理环境选择为Mechanical（结构分析），并采用自动划分法对模型进行网格划分。由于管板分布大量管孔，因此对管板部分进行网格加密，保证仿真计算的准确性，同时兼顾计算成本。经过上述操作，生成了数量合适且质量良好的网格，网格总量为747009，网格平均质量为0.79，网格划分结果如图2所示。

（二）加热计算分析

结合实际试验环境，将模型求解的边界条件设置为：筒体外表面暴露在空气环境中，与空气存在着自然对流换热；模型所有表面均存在辐射换热；加热带与筒体外壁面无缝接触，加热方式设置为恒温。根据已知的蒸汽发生器管板加热试验数据，将环境温度设置为22 ℃，加热带温度设置为150 ℃。

随着时间的推移，加热带热量向周围筒体壁面和管板不断扩散，管板温度沿着指向圆心的方向逐渐降低，大约80000 s后，传热过程趋于稳定。最大热应力分布在加热带区域，可达到287 MPa。沿着指向圆心的方向，管板的热应力先减小后增大。工程上通常认为106次为结构的无限寿命，大部分区域处于无限寿命区，最小寿命为79864次，发生在加热区域上，因为该区域的温度最高，热应力最高。在同一循环特征下，应力越大，设备经历的循环次数越少，寿命越短。

根据Miner线性损伤累积理论，每次加热试验对蒸汽发生器的损伤度D可以表示为：

[D=1Nmin=179864=1.25×10-5] （5）

（三）冷却计算分析

在加热过程中，稳态下筒体内壁面最高温度可达约108 ℃，此时通入约40 ℃的水与筒体内部接触，温差将会导致热应力的产生。因此，应当对该冷却过程中的温度和热应力变化进行分析，从而评估设备工作状况。

以稳态温度场作为此次分析的模型初始温度，冷却水温度40 ℃作为温度载荷施加在筒体内表面和管板表面，模拟时间设定为600 s。

由于管板和筒体内壁一开始就与冷却水接触，其表面与冷却水温度一致，远离表面的区域随着时间的推移不断被冷却，温度逐渐下降。水冷却的初始阶段，管板外周的管孔区域存在应力集中的情况，最大应力分布在管板外周管孔区域。大部分区域处于无限寿命（106次）区，最小寿命为119464次，发生在加热区和管板外周孔洞区域，因为该区域结构不平滑，易产生应力集中。

根据Miner线性损伤累计理论，每次冷却试验对蒸汽发生器的损伤度D可以表示为：

[D=1Nmin=1119464=0.84×10-5] （6）

四、结语

模拟仿真与理论教学相结合的教学方法，不仅能够使学生掌握新型的学习手段和实践方法，也能够培养学生的研究和学习兴趣，提高学生的创新和动手能力，培养其多元化的工程素养。ANSYS软件具有上手快、功能多、精度高和应用广泛等优点，非常适合应用于动力设备全生命周期管理课程教学。增加仿真教学环节，多维提升学生的综合素质，扩展学生在专业领域的视野，对于学生工程实践和创新创造能力的培养有着重要的意义。

教学团队在教学和考核的过程中，注重师资队伍的建设和学生综合能力的培养和评估。近年来，团队内多位教师获批能源动力类教指委教改项目及武汉大学教改项目，指导的毕业生分别在2021年、2023年获评全国能源动力类专业百篇优秀毕业论文（设计）；智慧能源专业学生在全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛中获得全国一等奖3项，其中在2021年推荐的15项作品全部获奖；智慧能源专业作为组织单位连续获得优秀组织奖，在专业竞赛和课程应用方面都取得了较大的突破。

［ 参 考 文 献 ］

[1］ 李苏晓，余岭.能源行业未来发展趋势[J].世界石油工业，2022，29（6）：79-80.

[2］ 帅永，陈绍文.碳中和背景下能源动力类专业的改革思考与实践：以哈尔滨工业大学为例[J].高等工程教育研究，2023（增刊1）：7-9.

[3］ 周艳，苗展丽，陈海龙，等.新工科背景下能源与动力工程专业创新创业教育体系的构建与实践[J].高等工程教育研究，2023（增刊1）：79-81.

[4］ 王兆希.电站金属材料性能评估与失效机理[M].北京：中国电力出版社，2018.

［责任编辑：周侯辰］