ANSYS在船舶辅机课程教学中的应用研究

王飞显

（武汉船舶职业技术学院，湖北武汉 430050）

船舶辅助机械作为船舶的重要组成部分，在船舶日常运行与管理中起到关键作用。随着轮机工程技术的不断发展和船舶运营管理环境的日益复杂化，对船舶辅机的性能和可靠性要求更加严格。因此，培养学生掌握船舶辅机知识和技能，以满足行业需求与挑战，成为航海教育中的紧迫任务。为培养创新能力强、工程实践能力强的新工科人才[1]，有学者提出了基于超星学习通的船舶辅机拆装与操作实践教学[2]，采用“理实一体化”课堂教学模式[3]。然而，船舶辅机专业性强、内容难度大、实验条件有限，虚拟仿真技术在船舶辅机课程中也应用较少，导致学生兴趣不高、知识理解困难，难以将理论知识应用于实践。近年来，计算机仿真技术作为一种有效教学手段被广泛应用于各个领域。Fluent 软件是工程仿真综合软件ANSYS 的一个模块，有学者提出了将Fluent软件引入到专业课教学中[4]。ANSYS 功能强大，广泛应用于船舶工程领域，在船舶专业课程教学中的应用备受关注。本文探讨了ANSYS在船舶辅机课程教学中的应用，通过软件的虚拟仿真模拟帮助学生更好地理解和应用课堂知识，进而提升了学生的实践能力和工程应用水平，以提高船舶辅机课程教学质量，为船舶辅机课程教学提供有益参考，促进船舶工程领域教学的创新与发展。

1 船舶辅机课程教学现状

在船舶辅机课程教学中，部分内容比较抽象，导致学生学习兴趣不高，例如在讲解“离心泵的工作原理”内容时，学生在理解“离心泵吸排液体的过程”上，感到较为困难，原因在于学生对流体压力这种比较抽象的知识理解不清。船舶辅机课程内容丰富、覆盖广泛，与传热学、工程热力学、流体力学等专业基础课程密切相关，综合性要求更高。例如，学习船用泵的扬程计算前需要先掌握流体力学中的伯努利方程，学习船舶空调与制冷设备前要先掌握传热学中的热交换知识。但是，考虑到职业院校学制相对本科院校较短，课程安排上更紧凑，有些职业院校在轮机工程技术专业培养方案中并未设立这些专业基础课程。学生缺乏相关的专业基础知识，在学习船舶辅机课程时对很多抽象的知识点感到困惑。此外、教学模式相对单一，课堂主要以教师进行理论讲述，辅助以微课、动画和线上资源，学生对基本知识理解不够，难以将理论知识运用于实践。在实践教学方面，实训设备更新较慢，师资有限，大多数学生只是参观了操作流程或者简单观察了设备的基本结构，而没有完整地进行操作实践。导致学生对船舶辅机设备的工作原理及特点了解的不透彻，也无法通过实践加深对理论知识的掌握。

学习船舶辅机的目的是为了能够让学生应用所学知识进行船舶辅机设备的操纵、管理与维护。当课程在理论及实践的结合上不够完善时，学生就难以在工程实际中应用所学知识。如果将数值模拟技术应用到理论教学中，可以加强学生对理论知识的理解和掌握，并了解工程实际问题。然后再将理论知识应用到实践中去，形成“理”与“实”的良好结合，这样能提升课程的教学质量，满足社会对应用型人才的需求。

2 ANSYS 应用于船舶辅机课程教学的优势

ANSYS 是一款计算分析能力强大的工程仿真软件，可以用于结构力学、流体力学、热交换、电磁场的仿真分析，以及系统仿真、声学分析等多个领域的研究。ANSYS广泛应用于船舶工程领域，包括船舶流体力学分析、船体结构仿真、船舶性能优化等方面。ANSYS 在船舶辅机中也得到广泛应用，例如运用ANSYS对船舶起锚机的液压系统进行故障分析[5]等。

ANSYS 能通过色彩鲜明的云图清晰地展示机械设备内部流体的流态、换热温度的变化情况以及设备关键部位的受力变形等，将抽象的知识形象化，从而显著提高学生学习积极性。该软件可以模拟多个知识点，并将各门课程知识串联起来，使学生更深层次地掌握所学内容。在仿真过程中，通过人机交互，对计算结果进行分析，培养学生分析解决问题的能力，并与实际参数进行比较，能让学生更早地接触到工程问题。

3 ANSYS虚拟仿真教学过程

将ANSYS 虚拟仿真融入到船舶辅机课程教学中，以学生为教学主体，结合问题探究的教学方法，针对具体问题进行ANSYS案例教学[6]，教学模式如图1所示。

图1 ANSYS案例应用教学模式图

3.1 ANSYS应用案例内容的确定

传统教学中学生难以直接观察设备或内部流体的动态变化，例如速度、压力的分布情况，将ANSYS 应用于船舶辅机课程教学能让学生更直观地观察到流体参数的变化，更容易理解基础知识，这是与传统教学方式不同的地方。选择的ANSYS教学应用案例应具有一定的综合性，既要与理论教学中的重难点内容结合，又要能够通过软件实现建模和计算分析。因此，本文在船舶辅机课程的每一章节课题中挑选一个典型案例与ANSYS 结合教学，这些案例都是在理论教学中比较抽象、学生难以直接观测和理解的内容，具体教学应用案例如表1所示。

表1 ANSYS在船舶辅机教学中的应用案例

本文在船舶辅机课程的船用泵课题中挑选了离心泵作为典型案例展开应用研究，离心泵的理论教学内容中部分知识点比较抽象，如离心泵的工作原理、离心泵的空化现象，学生难以直接观测和理解。利用ANSYS 软件进行离心泵的数值仿真计算，可以分析离心泵在不同流量工况下的流体压力分布、速度分布等特性，针对理论教学中的重难点内容，结合云图等仿真结果分析总结规律以加强学生对基础理论知识的掌握。

3.2 ANSYS虚拟仿真教学实践

课前，由教师发布学习任务，学生利用线上课程资源自主完成离心泵章节内容学习；考虑到建模仿真专业性强、工作量大，学生也很难在短时间内掌握软件的使用，所以在课前由专业教师运用ANSYS 软件完成离心泵的建模、网格划分、边界条件设置及求解计算工作。

课中，教师针对离心泵的工作原理和空化现象等重难点内容展开理论知识教学。教师在讲解离心泵的工作原理时，学生难以理解离心泵中液体的吸入与排出过程，针对这部分内容教师进行理论分析讲解，例如由于叶轮高速转动，在叶轮中心处形成负压，在与外界气压的压差作用下液体被吸入；蜗壳的扩压管部分能降低液体流速、增加出口界面压力，有利于排出液体。在进行离心泵空化现象的教学中，教师讲解空化现象的形成是由于泵内部压力降低，易形成气泡，从而影响泵的工作性能和效率。

完成理论知识讲解后，教师向学生展示虚拟仿真结果，引导学生观察离心泵的流体分布云图，结合问题探究式的教学方法，提问学生“在仿真结果云图中，离心泵流体的压力和速度是如何变化的？“让学生带着问题与教师一同进行仿真结果的观察与分析，能促进学生主动参与思考，激发学习兴趣和动力[6]，最后将总结的规律用于解释提问，加强学生对理论知识的理解与掌握。

通过仿真计算得到了3种不同流量工况下离心泵中部截面的压力云图和速度云图，可以观察到在离心泵叶轮叶片、蜗壳部位流场的压力分布和速度分布情况。压力云图如图2所示，经观察发现在离心泵叶片根部流体压力最小、压力值为负值，在叶片顶部压力最大；蜗壳的涡室部分压力值比较接近，在扩压管部分压力逐渐增加，在液体出口处压力达到最大；随着流量的增加，离心泵内部扩压管部分压力值降低。速度云图如图3所示，经观察发现在离心泵叶片顶部流体流动速度最快，在叶片根部流体流动速度相对较低；在蜗壳扩压管部分流体流动速度有降低的趋势，出口处流体流动速度较小。学生讨论并回答提问后，教师结合理论教学内容总结归纳，例如云图中观察到叶轮根部出现了负压，液体能够被吸入，负压也容易导致离心泵的空化；云图中观察到扩压管中流速降低、压力增大，液体能够被排出。

图2 3种流量工况下的压力分布云图

图3 3种流量工况下的速度分布云图

课后，教师指导学生自主操作虚拟仿真软件，观察不同截面处的云图以及离心泵旋转时流体变化的动画，进一步分析总结更多规律，这样能提高学生工程软件的应用能力，为未来工作及科学研究打下坚实的基础，这是传统教学中缺少的内容。

3.3 ANSYS虚拟仿真教学展望

本文运用ANSYS软件的流体分析功能，对船用泵课题中的离心泵案例展开了虚拟仿真教学研究，通过观察分析云图，加深了学生对理论教学内容的理解。除了本文所采用的离心泵案例外，船舶辅机课程中的其他设备也可以运用ANSYS软件进行虚拟仿真辅助理论知识的教学，案例如表1所示。

在船用空气压缩机课题中，气阀阀片是主要的研究对象之一，气阀阀片在空压机运行过程中会反复的启闭，易发生撞击变形，需要学生掌握气阀阀片的结构、受力分析、使用要求等内容。ANSYS具备结构分析的功能，可虚拟仿真出不同状态下气阀阀片的受力状态，绘制出应力分布云图，让学生直观地了解阀片结构、受力变形情况，并总结出阀片的使用要求。船舶制冷与空调课题中的电子膨胀阀可运用ANSYS流体分析能力，观察设备内的流体状态，了解设备内部结构；船用海水淡化装置课题中的冷凝器可运用ANSYS热分析能力，仿真计算不同液体温度下的设备换热效果；船舶辅助锅炉课题中的喷油器可运用ANSYS流体分析能力，观察喷嘴内燃油雾化的状态，分析影响燃油雾化效果的因素。船用液压设备课题中的密封装置可运用ANSYS结构分析能力及热分析能力，观察到密封装置的磨损及热变形。

基于ANSYS软件强大的仿真计算功能，在这些案例的基础上还可以不断丰富案例内容，对辅机设备进行多角度、更全面的分析，如结构分析、热分析、流体分析、振动噪声分析等等，这些案例都能运用ANSYS软件进行虚拟仿真辅助理论知识的教学。

4 结语

本文旨在探索ANSYS 软件在船舶辅机课程教学中的应用研究，通过ANSYS 软件的虚拟仿真教学，能加强学生对理论知识的掌握，更好地将课程的理论教学与实践教学相结合，提升教学质量。融入探究式教学方法能让学生积极参与课堂互动，观察辅机设备内部的流体分布云图，帮助学生更深刻地理解所学知识，增强学生和教师之间的互动交流，激发学生的学习热情，并培养学生在实践中综合运用知识分析解决工程实际问题的能力，为船舶辅机教学提供了全新的教学思路和方法。