摘要
作为建筑环境与设备工程专业的专业核心课程之一，流体输配管网课程是工科学生学习和掌握各种流体输配过程基本知识和基本设计方法的技术基础课。以大连理工大学持续深化本科教学改革和内涵建设，全面提升人才培养质量为契机，综合流体输配管网课程改进成效和教学方法的不足，对课程资源平台进行改革。结合首批国家级一流课程建设经验，以学生为中心，倡导“面向任务边做边学，基础知识讨论中学，工程案例分析中学”，提出虚实结合的互动教学方式，构建复杂流体网络实体平台，同时定制对应的模拟仿真平台，建立虚实结合的仿真、调节和数据采集互动平台。线上教学完成数据模型和部分仿真模块的定制；线下结合工程实验台，完成自建平台及调节的虚实过程，构建算法、软件仿真、工程试验一体的教学平台。激发学生主动学习的兴趣，调动学习的主观能动性，发展创新思维，培养创新与实践能力。践行科研反哺教学理念，将科研成果有效转化为教学内容，从实际工程和科研问题中精准提炼课程要点，显著提升了课程内容的广度与深度。这不仅有助于学生构建全面的管网系统概念，还融入了一定的复杂度，既充满挑战性，又有效锻炼了学生的自学能力和团队合作能力。虚实结合的教学设计模式，推动现代信息技术与教育教学的深度融合，持续优化教学质量监控与保障体系的改革，进一步完善实践教学体系的建设。
复杂流体网络分析是流体输配系统分析的重点和难点，传统教学方式以建模推导为主，比较抽象，很难激发学生的学习兴趣和潜能。国外高校没有对应的课程，但在讲授该部分内容时，较多采用软件进行模拟仿真。近年来，国内部分高校相继开展仿真教学工作，如北京工业大学建设的虚拟仿真一流课程“空调风系统管网设计与调试虚拟仿真互动式实验项目
综合课程教学情况的问卷调查分析结果，总结课程建设和教学方法的成效与不
国家虚拟仿真实验教学项目遵循“高阶性、创新性、挑战度”标准，是教育部推出的国家“金课”之
管网虚实仿真平台的建设与流体输配管网课程知识单元紧密结合（
图1 实验仿真和平台及课程相互关系
转变“灌输式”理论教学，采用实验教学和理论教学相结合的方式，引导学生将理论知识应用到专业实验中，帮助学生形成创新意识，提高实践能
图2 实验系统图
管网课程大作业已经初步培养了学生的设计及计算能力，在此基础上引导学生结合工程实例、书籍案例和规范手册，完成设计系统的水力计算，根据确定的管道参数和设备参数进行设备选型。综合供热管网物理实验的实验装置主要包括电锅炉、膨胀水箱、水泵（循环水泵、补水泵）、管网、测量仪表等。测量设备及控制仪表包括压力传感器、温度传感器、电磁流量计、超声波热量表、变频控制柜等，如
| 设备及仪表 | 图例 | 规格 | 型号 |
|---|---|---|---|
| 电锅炉 |
 | 功率：8 kW | |
| 控制柜 |
 | 功率：2.2 kW | MT500-7R5G/011PT4 |
| 循环水泵 |
 |
流量：6.9 扬程：12.2 m-19.8 m 功率：0.55 kW 转速：3380 r/min | CRE5-2 |
| 管道泵 |
 |
流量：1.5-3 扬程：5 m-8 m 功率0.37 kW 转速：2860 r/min | MAGNA3 32-60F |
| 压力传感器 |
 |
量程：0-1 MPa 精度：0.2% FS | MTPFU |
| 温度传感器 |
 |
量程：-200~600℃ 精度：0.5级 | |
| 智能数字压力表 |
 |
量程：0-1 MPa 精度：0.2% FS | JST-SY100 |
| 数据采集仪 |
 |
采样率：250 k S/s 分辨率：16 位 通道数：32 | RK-9205 |
| 分体式电磁流量计 |
 |
量程：0-4.5 精度：0.5级 | JST-LD-20F |
| 分体式超声波热量表 |
 | 精度：1% | TDS-100 |
综合学生的探讨方案和教学需求，培养学生的发散思维能力，实验系统设备前后均设置阀门和可拆卸部件，可根据实验需要改变泵的台数及电锅炉数量等，实现多种供热模式。前期实验主要关注压力和流量，后期可加装负荷模拟器和空调设备，全面监测负荷和参数。在完成设备及材料准备工作的基础上，引导学生了解实际工程的施工方式，完成实验台的搭建。
综合供热管网验台是多热源环状三维立体管网（
综合供热管网实验台能够通过改变热源的投入数量，进行单热源和多热源管网实验。实验管网由三个主环路组成，每个环路均配备特定的阀门开关。通过调节各环路阀门的开闭状态，可实现枝状、单环、多环管路的控制。学生可根据对课堂工程案例的理解程度，自由组合热源数量与管路类型，从单热源枝状管路逐步进阶到多热源多环管网，并对不同类型的管网进行水力和热力工况的模拟操作与调节。
（1）在管网系统设计时，预留多个临时压力测点；在故障工况时，可通过计算与实验测试结果，得到最优化测点布置方案，为管网设计提供普适性策略，并根据选定的压力测点数据，解决故障工况下的实际问题。
（2）在管网系统不同环路的不同位置（供回水干管、支管、节点等）设置可调节泄漏孔直径的泄漏管段，并在前方安装阀门控制泄漏量，通过数据采集系统实现泄漏数据的实时测量，得到泄漏发生时的水力特性参数（流量，压力等）的变化规律，并根据数据分析结果判断泄漏源位置。
（3）采用低强度瞬变流动激发器，可产生类似阀门关闭引起的瞬变水击波的效果，从而避免使用传统的方法（阀门快速关闭等）产生的不易控制等问题。用于管网系统泄漏瞬变检测，通过水击波变化的特征可对管网系统诊断，确定故障的产生与位置；管道因弯曲或机械压力会变形致使管道堵塞，通过管道堵塞后水力瞬态流动的变化与特性，分析并判断管道堵塞的位置；管网拓扑结构及规模对瞬变水击波有一定的影响，可研究实际水击压力波的波形畸变和衰减过程。
（1）研究不同工况下（单、双热源单环和双环等）多热源综合环状管网的水力和热力特性，分析热网运行过程中，调节泵的转速以及各处（热力站、用户、供回水干管）阀门开度时热网的非稳态水力响应特性。供水干管和回水干管调节不一致时（只改变一侧干管上的阀门），研究整个管网供热用户的负荷变化。
（2）针对热网的水力失调问题，实验热力系统一次热网采用分布式供热（一次侧：变频水泵+水力平衡管组合），二次热网采用可调节混水供热（二次侧：引射阀+变频水泵），达到水力平衡和节能的目的。
（3）针对热网系统的热力平衡问题，在管道多处设置了温度传感器，可根据在线采集系统采集的温度、压力和流量等数据，分析管道散热损失对热力失调问题和节能降耗的影响。
综合供热管网实验台具备多种功能模式，能够促进学生思维的发展。每种模式都与课程的核心知识点紧密对应，学生可以根据自己的能力水平选择感兴趣的实验模式，并以小组合作的方式参与实验。通过亲身参与整个测试和调试过程，加深对课程知识点和课堂大作业工程案例的理解。
带领学生认识和学习Flowmaster软件，根据复杂管网实验系统，建立基于Flowmaster软件平台的1∶1虚拟复杂管网仿真模型（
图3 仿真软件操作界面
Flowmaster软件可用于建立管网系统的仿真模型，它是一维流体系统仿真计算工具，可以快速有效地建立精确系统模型，完成管网系统的稳态和瞬态分析。Flowmaster对各种管网系统均可以进行精确的压力、流量、温度、流速分析，帮助用户快速评估并优化系统设计。该软件支持与多种仿真平台的联合仿真，已与Matlab、Star-CD、Ansys Fluent 和 Excel等主流软件实现了完备接口集成，支持COM、MpCCI、NET、XML等多种通讯协议接口，并可开拓展至PDM、SDM、TDM等平台。Flowmaster软件可以对求解器（稳态，瞬态等）和计算模型进行封装，可根据实验和模拟需求对管网系统工况、参数和模型进行快速更改，实现多种工况的自动求解；自动检查计算结果，使整个仿真模拟自动化，从而提高工作效率。此外，还方便对流体输配管网进行运行、故障工况模拟和水锤计算分析。总体而言，Flowmaster的功能完全满足流体输配管网教学中各种任务的定制需求，以及工程系统仿真模拟和数据分析需求。
仿真软件内含有许多种类组件，如管段类、阀门类、泵类、边界源类等。根据设计方案选择适合的类元件，通过节点和连接线连接，Flowmaster内置各种监测和自动控制器，可控制泵的转速、阀门开度等，监测元件代替传感器监测温度、流量、压力等变量。对模型管网系统进行仿真模拟时，用逻辑节点连接各个组件，用流量和压力组成的线性方程组来表征流体的流动特性。
Flowmaster软件通过对多各种元件进行线性化处理，将仿真管网系统的复杂问题转变为节点的压力流量设置等问题，克服了传统方法的繁琐计算，使流体输配管网中的瞬变问题更容易求解和分析。针对复杂流体仿真系统中的节点、管段和元件，仿真软件均配备了相应的网络模型视图。在视图中，用户可以直接设置组件数据、变量参数及求解方法。为确保参数的精确性，软件还设有可编辑模块，便于录入组件的曲线和方程。此外，用户亦可自行编写脚本，构建与流体系统相匹配的模型。该编辑模块兼容多种编程语言，包括C#、VB.NET、J#、VB Script和JavaScript等。
选择适当的模拟类型（如可压缩、不可压缩稳态或瞬态等），设定时间步长等运行参数。在仿真系统模型检测和编译成功后，启动计算。若运行结果不收敛，可根据错误报告调整输入数据参数和日志文件，直至成功运行。通过计算结果监视窗口，可实时观测变工况下管路各处的参数变化，并根据提示信息持续优化模型，确保其合理性和可靠性。
管网系统的各个元件通过逻辑节点相互连接。为了降低分析难度，将各元件进行线性化处理，进而求解出各节点及支路的压力和流量。利用流量和压力这两个关键因素，构建线性方程组，通过求解该方程组来实现管网系统的仿真模拟。在仿真系统中，阻力元件需分为正阻力元件（如管道及各类管件的流体阻力）和负阻力元件（如水泵的流体阻力）。整个系统的求解过程基于矩阵方法，在元件的使用和开发过程中，需满足以下几项方程条件。
有进出口的元件，进口和出口的压力差等于介质的流动损失系数与密度和速度平方乘积的一半：
 ， | （1） |
式中：p1、p2分别为元件的进、出口压力，单位bar；ρ为介质的密度，单位kg/
为元件中的介质在液体流动方向上的损失系数。
流经元件两个出口的流量相等，等于出口截面积与当前截面介质流速的乘积：
 ， | （2） |
式中：v1、v2分别为截面1、截面2介质流速，单位m/s；A1、A2分别为截面1、截面2的面积，单位
介质流经组件两点间的压力损失等于进、出口的总压差与高差水压头之和：
 ， | （3） |
式中：p1、p2分别为位置1、位置2的静压力，单位Pa；s1、s2分别为位置1、位置2的中心处标高，单位m；
、
为位置1和位置2的动压力，单位Pa。
元件的进出口温度差等于介质在此处的热交换值与质量流量和定压比热的商，即能量守恒定律：
 ， | （4） |
式中：T1、T2分别为元件的进、出口温度，单位℃；Q为元件处介质的吸热或放热功率，单位kW；m为介质的质量流量，单位kg/s；Cp为介质的定压比热，单位kJ/kg。
为模拟系统的求解过程，建立由三个两端口元件组成的模型，共含3个节点，如
图4 管网仿真系统模型
在三个两端口的元件组成管网仿真系统模型中，每个元件都可以建立线性方程组，如
元件1：
 。 | （5） |
元件2：
 。 | （6） |
元件3：
 。 | （7） |
利用三个元件的流量公式，对每个节点构建质量守恒方程
节点1：
 。 | （8） |
节点2：
| 。 | （9） |
节点3：
 。 | （10） |
节点4：
 。 | （11） |
各个节点的质量方程，可以用矩阵进行统一表示，如
 ， | （12） |
其分析矩阵为：
| 。 | （13） |
以上矩阵中包含的系数均可由相应的元件参数确定。在管网整体系统模型计算过程中，首先根据设定的初始流量进行首次求解，从而获得各个节点和元件的压力值。随后，依据这些压力值构建方程，推导出新的流量方程，原矩阵中对应的系数将自动更新。系统通过不断求解新方程，实现反复迭代。当最终结果满足预设的残差值时，迭代过程终止，从而获得模拟计算结果。
Flowmaster采用专业的数据库管理工具SQL Server来存储和读写各类数据，包括组件数据、系统参数、模型数据、性能数据、模块及脚本数据等。SQL Server凭借其强大的搜索和管理功能，确保了数据的开放性和共享性。多个用户终端能够安全地共享数据资源，并持续地整合多种工况数据信息，同时根据具体需求进行编辑和定义。然而，Flowmaster软件对计算结果中的mdf文件大小设定了10G的上限（适用于SQL 2010及以上版本），这在流体管网的瞬态分析计算过程中，经常导致内部存储不足，进而使迫使计算过程被迫终止。因此，对数据库进行完善和扩充显得尤为重要。
复杂流体管网系统是流体输配管网课程的重点和难点，学生普遍对环状管网的水力计算及水力工况分析感到陌生和枯燥，导致课堂参与度低，课后自学和完成大作业的积极性不高。基于多年的教学经验和相关科研项目的研究，我们构建了一个集复杂流体管网水力算法、软件仿真、工程实验平台于一体的教学平台和教学模式。目前，教学方式的设计已顺利完成，并尝试进入教学实践阶段。该平台旨在引导学生根据实际工程问题和流体网络分析的基本原理，从设计、仿真软件系统搭建、实例实验台测试、数据分析等多个环节入手，全面了解管网系统的设计、故障处理、计算应用等方面。
通过小组讨论、质疑、师生互动等方式，鼓励学生深入分析问题，设计多种方案并从中判定正确结果。倡导学生不拘泥于课本知识，激发其兴趣和创新意识，使教学过程既直观又可操作，从而培养学生的动手能力和自主创新能力。以任务为导向，学生可以结合课程所学，切实参与课程实践，利用已有知识和经验，自主尝试解决新问题，探求新知识。力求做到凡是学生能够自己解决的问题，鼓励主动参与。同时，这一过程将加深学生对流体输配管网课程基础知识的理解，发展创新思维，最终达到培养学生创新与实践能力的目标。
虚实结合的教学设计方式旨在推动教学发展，提升教学能力和手段，提高教学质量。复杂管网系统虚实仿真教学涵盖了实验系统的设计、搭建和仿真计算模型的创建。这种教学方式打破了传统教学模式的束缚，深化了学生对流体输配管网课程基础知识的理解，推动了创新思维的发展，提升了学生理论联系实际的能力，并引导学生掌握分析与解决问题的方法，培养了运用专业原理思考问题的良好习惯。遵从本专业提出的“转教为启，变教为导；促学强思，兼学重悟”专业教育核心理念，进一步巩固和提升了“做中学与学中做
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