《管道瞬變流動理論與應用》課程教學大綱

《管道瞬變流動理論與應用》教學大綱一、課程基本信息課程名稱管道瞬變流動理論與應用TheoryandApplicationofPipelineTransientFlow課程編碼PLC221121020開課院部儲運與建筑工程學院課程團隊管道瞬變流動理論與應用課程團隊學分2.0課內學時34講授28實驗6上機0實踐0課外學時34適用專業(yè)油氣儲運工程授課語言中文先修課程工程流體力學、泵與壓縮機、輸油管道設計與管理課程簡介（限選）“管道瞬變流動分析”是儲運專業(yè)的限定選修課，也可作為相關專業(yè)的選修課程。該課程主要應用于密閉輸送液體管道的瞬變流動過程分析，為管道自動控制過程提供基礎數據。主要內容包括：管道瞬變流動理論，瞬變流動數值求解方法（特征線法），利用計算流體力學軟件模擬分析實際管道瞬變過程，管道基本邊界條件的處理和求解，長距離管道瞬變流動的特點，工程案例模擬分析，管道瞬變流動過程的控制與瞬變壓力保護，自動化控制系統(tǒng)簡介?！癆nalysisofHydraulicTransientsinPipelines”isarestrictedelectivecourseformajorintheOil&GasStorageandTransportation,whichcouldalsobeselectedaselectivecourseforothermajors.Itmainlyappliestoanalyzeflowprocessforhermeticliquidpipelineandsupplybasicdataforautomaticcontrolofpipelines.Thecoursemainlyincludes:thepipelinetransientflowtheory,thenumericalcalculationmethod(Characteristic-LineSolution),simulatingandanalyzingthetransientprocessofpracticalpipelinebycomputingfluiddynamicssoftware,treatmentandsolutionofbasicboundaryconditionofpipeline,thetransientflowcharacteristicsoflong-distancepipelines,simulationandanalysisofengineeringcase,thecontrolofthetransientflowprocessofpipelinesandtransientpressureprotection,introductiontoautomationcontrolsystem.負責人大綱執(zhí)筆人審核人二、課程目標序號代號課程目標OBE畢業(yè)要求指標點任務自選1M1目標1：能夠利用所學的基礎理論與知識，提出管道瞬變流動的防控方法。是1.31.32M2目標2：能夠基于所學的管道瞬變流動理論，分析泄漏、停泵、突然關閥等工況下管道內的壓力波傳遞規(guī)律。是2.12.13M3目標3：能夠根據管道特殊的水力現象，分析管道可能發(fā)生的事故工況。是4.14.14M4目標4：掌握特征線解法，并能夠利用計算機語言程序，實現管道瞬變流動過程的水力計算。是5.35.3三、課程內容序號章節(jié)號標題課程內容/重難點支撐課程目標課內學時教學方式課外學時課外環(huán)節(jié)1第1章第1章緒論介紹瞬變流動的基本現象、概念、管道瞬變流動的發(fā)展歷史。管道瞬變流動的基本分析方法。////21.11.1瞬變流理論的發(fā)展過程教學目的：該節(jié)內容是介紹性質的，主要向學生介紹瞬變流動理論的發(fā)展歷史。重點難點：本節(jié)為介紹性內容，無難點，學生只需了解瞬變流動的發(fā)展歷史。教學準備：國內外瞬變流理論發(fā)展歷史。練習設計：無。M10.5講授0.5自學資料31.21.2水流的不穩(wěn)定現象教學目的：介紹水流的不穩(wěn)定現象，并以水庫引水管線為典型案列，對末端閥門關閉的水擊過程進行分析，給出增壓波、減壓波、水擊壓力、管路周期等的概念；利用動量原理推導直接水擊壓力計算公式，并對關閥時間不同的過程進行分析；利用質量守恒推導得到壓力波速表達式；簡單介紹氣體逸出與液柱分離現象，并簡述水擊的破壞作用。重點難點：本節(jié)內容和難點較多，學生重點掌握水庫引水管線末端閥門關閉的水擊過程，直接水擊壓力計算公式及壓力波速表達式及其影響因素。教學準備：復習動量原理及質量守恒原理等相關流體力學知識及水擊現象描述。練習設計：簡單水擊過程分析（不同時刻、位置處的壓力分布等），直接水擊壓力計算。M11講授1自學資料41.31.3分析方法教學目的：管內不穩(wěn)定流動的三類分析方法：圖解法、解析法、數值方法。重點難點：本節(jié)內容為介紹性質的，無難點。教學準備：三類管內不穩(wěn)定流動的典型例子。練習設計：無。M10.5講授0.5自學資料5第2章第2章管道瞬變流動的理論動量方程和連續(xù)性方程的推導過程，波速方程的推導及水擊波速的影響因素////62.12.1彈性理論教學目的：介紹利用彈性理論分析管道瞬變流的運動方程和連續(xù)方程，了解兩個方程的推導過程及相應各項的物理意義；分析特殊管道（水平、不考慮摩阻）的波動方程，并掌握方程通解物理意義。重點難點：分析液體管道瞬變流動的兩個基本方程—運動方程、連續(xù)性方程，學生需注意掌握兩個方程的不同形式及適用條件。教學準備：復習流體力學的控制體分析方法和受力分析，以及高等數學中全導數的定義，引導學生自主學習推導。練習設計：無。M1,M2,M31.5講授2自學資料72.22.2波速方程教學目的：介紹薄壁彈性管不同約束條件下的波速方程推導過程、形式，壓縮系數的概念以及氣體對管內壓力波速的影響過程。重點難點：對薄壁彈性管三種約束條件下波速方程形式的推導分析，以及影響波速的因素總結及計算方法。教學準備：該部分授課內容與材料力學課程（學生們已修完該門課程）部分內容密切相關，通過已學習知識的運用掌握波速方程。練習設計：熱油管道壓力波速計算。M1,M2,M31.5講授1.5課后作業(yè)8第3章第3章特征線解法介紹管道瞬變流動動量方程、連續(xù)性方程的求解方法——特征線解法，重點介紹簡化特征線解法、典型邊界條件的數學表征，講授簡化特征線解法的編程思路，并利用上機課實現管道瞬變流動的編程求解。介紹通用特征線解法。////93.13.1簡化特征線解法教學目的：介紹求解管內不穩(wěn)定流動兩個基本微分方程的方法—簡化特征線法，對推導得到的特征方程式及特征線方程所代表的物理意義進行分析介紹；介紹特征方程數值解求解方法—有限差分法，得到分析瞬變流動常用的特征方程基本形式；介紹總結初始條件與邊界條件類型及基本關系式。重點難點：本節(jié)內容和難點較多，學生重點掌握簡化特征線法得到的方程基本形式及物理意義，并掌握其基本分析方法。教學準備：有限差分法求解方程的基本思想以及一階二階近似等基本數學概念。練習設計：無。M1,M2,M3,M44講授4自學資料103.23.2基本邊界條件教學目的：介紹三類常見的基本邊界條件，并分析相應的邊界參數描述形式。重點難點：重點掌握不同邊界條件的分析、建立方法。教學準備：泵的特性方程描述形式及特點、輸油管道能量平衡方程回顧。練習設計：無。M1,M2,M3,M41講授0.5自學資料113.33.3基本的計算程序教學目的：介紹數值求解管內不穩(wěn)定流動過程參數的計算程序編譯過程。重點難點：重點掌握簡單管道水擊計算程序編譯方法。教學準備：該節(jié)內容與前兩節(jié)內容密切相關，是前兩節(jié)內容的回顧和綜合應用。練習設計：無。M1,M2,M3,M40.5講授0.5自學資料123.43.4通用特征線解法教學目的：介紹復雜系統(tǒng)的連續(xù)方程和運動方程數值求解方法—通用特征線解法，介紹求解方程過程中用到的線性插值方法。重點難點：重點掌握通用特征線解法與簡化特征線方法的異同點以及插值方法處理過程。教學準備：復習簡化特征線解法的思想、分析處理過程。練習設計：無。M1,M2,M3,M41.5講授1自學資料133.53.5上機部分簡單管道瞬變流動過程狀態(tài)確定綜合運用第三章學習內容，利用計算機編制程序，計算簡單管道發(fā)生瞬變流動后的管內壓力、流量參數變化規(guī)律。M1,M2,M3,M46上機2編寫程序14第4章第4章邊界條件介紹串聯管接點、分支管路接點、內部局部損失、閥門等邊界條件的數學表達方法，介紹壓力波的傳遞與反射。////154.14.1串聯管接點教學目的：介紹典型內部邊界接點—串聯管路接點的特征方程表達形式及分析方法；并對串聯管路計算時間步長的處理方法進行講解。重點難點：重點掌握運用特征方程結合管路特點進行串聯管路內部接點瞬變分析的方法。教學準備：特征方程基本形式及串聯管路特點回顧。練習設計：無。M1,M2,M41講授0.5自學資料164.24.2分支管路接點教學目的：介紹并聯管路接點的及分析方法及處理過程，總結并聯管路分析的基本特點。重點難點：重點掌握并聯管路接點參數分析的規(guī)律。教學準備：串聯管路接點分析方法回顧。練習設計：三通、四通管路接點參數分析。M1,M2,M40.5講授1課后作業(yè)174.34.3內部局部損失教學目的：介紹管路上局部損失作為內部邊界的處理方法及結果分析。重點難點：重點掌握內部局部損失建立方程時能量守恒方程的表述與串并聯管路的不同點。教學準備：考慮管道局部損失的能量守恒方程表達形式回顧。練習設計：無。M1,M2,M40.5講授0.5自學資料184.44.4閥門教學目的：介紹閥門的特性以及閥門作為內部邊界的分析處理方法。重點難點：重點掌握閥門的基本特性及閥門阻力系數的描述形式。教學準備：回顧局部損失分析作為內部邊界的處理方法。練習設計：無。M1,M2,M40.5講授0.5自學資料194.64.6壓力波的傳遞與反射教學目的：介紹管路系統(tǒng)中壓力波反射的三種典型情況：開端反射、閉端反射和中間狀態(tài)反射。重點難點：重點掌握壓力波的中間狀態(tài)反射的過程以及其計算方法。教學準備：回顧波動方程的表達形式及物理意義。練習設計：并聯管路中間狀態(tài)反射水擊壓力計算。M1,M2,M40.5講授0.5自學資料20第5章第5章離心泵產生的不穩(wěn)定流動離心泵失去動力后的工作特性，單泵、串聯泵、并聯泵瞬變流動邊界的數學處理方法。////215.15.1離心泵的工作理論教學目的：介紹離心泵工作的基本理論，水力相似原理以及比例定律。重點難點：主要為泵與壓縮機的相關內容回顧，學生重點掌握比例定律的表達形式。教學準備：泵與壓縮機基本內容回顧。練習設計：無。M1,M2,M3,M40.5講授0.5自學資料225.25.2離心泵失去動力后的工作特性教學目的：介紹離心泵失去動力后的管線瞬變過程、離心泵的減速特性、相似拋物線的物理意義、減速過程的H-Q-n特性方程、轉速變化的計算方法以及轉動慣量和轉矩的計算表達形式及處理方法。重點難點：重點掌握離心泵減速過程的特點以及轉速方程表達形式。教學準備：本節(jié)內容與比例定律密切相關，同時需回顧高等數學相應的近似處理方法。練習設計：推導離心泵減速過程轉矩變化曲線H-Q-n。M1,M2,M3,M43講授2自學資料235.35.3單泵邊界條件教學目的：介紹中間單泵泵站邊界條件的建立方法和求解過程、牛頓-拉普森方法的求解思想、泵邊界瞬變參數的計算步驟及注意問題、計算結果物理意義分析描述及處理方法。重點難點：重點掌握單泵邊界條件的求解過程以及相應計算結果的分析描述。教學準備：牛頓迭代法回顧。練習設計：無。M1,M2,M3,M42.5講授1自學資料245.45.4串聯離心泵機組教學目的：介紹串聯離心泵機組的邊界分類（3種）、分析處理過程、計算結果分析。重點難點：重點掌握串聯泵機組的3種邊界條件特點以及邊界條件的建立過程和結果分析。教學準備：本節(jié)內容前節(jié)內容相關聯，熟悉單泵邊界的處理方法。練習設計：無。M1,M2,M3,M40.5講授0.5自學資料255.55.5并聯離心泵機組教學目的：介紹并聯離心泵機組的邊界分類（3種）、分析處理過程、計算結果分析。重點難點：重點掌握并聯泵機組的3種邊界條件特點以及邊界條件的建立過程和結果分析，與并聯泵機組的異同點。教學準備：本節(jié)內容前節(jié)內容密切相關，熟悉單泵、串聯泵機組邊界的處理方法。練習設計：第五章課后習題綜合分析。M1,M2,M3,M40.5講授2課后作業(yè)26第6章第6章長距離管道中的瞬變流動介紹長輸管道中的瞬變壓力傳播過程、不穩(wěn)定流動的原因與特點、設計中注意的問題。////276.16.1幾個專業(yè)術語的定義教學目的：介紹長輸管道中的管道充裝、壓力波衰減現象、過程及產生原因。重點難點：掌握產生管道充裝及壓力波衰減的原因和過程。教學準備：長輸管道水力坡降線分布相關知識回顧。練習設計：無。M1,M2,M3,M40.5講授0.5自學資料286.26.2長距離管道中產生不穩(wěn)定流動的原因和特點教學目的：介紹長輸管道不穩(wěn)定流動的分類及瞬變壓力的變化特點。重點難點：本節(jié)內容學生需掌握長距離管道中瞬變壓力的變化特點。教學準備：無。練習設計：無。M1,M2,M3,M40.5講授0.5自學資料296.36.3分析方法教學目的：介紹長距離管道瞬變流動求解過程的處理方法（主要是摩阻項的處理）、誤差分析、推薦組方式以及計算實例的瞬變流動過程分析。重點難點：學生重點掌握長距離管道摩阻項處理的考慮因素及方法。教學準備：摩阻計算公式回顧。練習設計：典型泵站失電實例分析。M1,M2,M3,M40.5講授0.5自學資料306.46.4長距離管道設計過程中應注意的問題教學目的：介紹長輸管道設計過程中應考慮的方面以及需重點注意的問題。重點難點：掌握長距離管道設計中注意的問題及簡單的處理方法。教學準備：無。練習設計：無。M1,M2,M3,M40.5講授0.5自學資料31第7章第7章氣體逸出和液柱分離介紹氣體逸出與液體氣化的過程、危害，無氣體逸出和管內存在氣-液混合物兩種情況下的液柱分離及各自特點，氣-液混合物中壓力波速的推導求解過程。////327.17.1氣體的逸出與液體汽化過程教學目的：介紹氣體逸出的原理、誘發(fā)因素，氣體逸出、液體汽化的現象。重點難點：氣體逸出與液柱分離的過程。教學準備：無。練習設計：無。M1,M2,M3,M41講授0.5自學資料337.27.2無氣體逸出條件下的液柱分離教學目的：介紹無氣體逸出情況下的液柱分離及特點，管內壓力的計算方法。重點難點：無。教學準備：無。練習設計：無。M1,M2,M3,M40.5講授0.5自學資料347.37.3管內存在氣-液混合物時的液柱分離教學目的：介紹管內存在氣-液混合物兩種流體情況下的液柱分離及各自特點，壓力波速的計算方法，特征方程的差值方法。重點難點：含氣液體的壓力波速表達形式。教學準備：無。練習設計：無。M1,M2,M3,M41講授0.5自學資料35第8章第8章控制裝置與保護措施介紹管道系統(tǒng)中控制管內瞬變流動過程的裝置和采取的措施：調節(jié)閥、壓力保護、氣體緩沖罐、空氣閥以及自動控制系統(tǒng)等。////368.18.1調節(jié)閥教學目的：介紹調節(jié)閥的類型、結構、工作原理、閥門特性，調節(jié)閥自動控制的工作原理。重點難點：無。教學準備：無。練習設計：無。M10.5講授0.5自學資料378.28.2壓力保護教學目的：各類泄壓閥的結構、工作原理，管道的回流保護、自動停運、單向閥等保護方法。重點難點：無。教學準備：無。練習設計：無。M10.3講授0.3自學資料388.38.3氣體緩沖罐教學目的：氣體緩沖罐的工作原理，在管道瞬變流動分析過程中的邊界特性數學表征。重點難點：無。教學準備：無。練習設計：無。M10.2講授0.2自學資料398.48.4空氣閥教學目的：空氣閥的工作原理及其作為邊界條件的數學表征。重點難點：無。教學準備：無。練習設計：無。M10.2講授0.5自學資料408.58.5長距離管道瞬變流動過程的自動控制教學目的：介紹長距離輸油管道典型的壓力控制和保護措施、工作方法，講授水力瞬變過程管道的控制參數。重點難點：學生重點了解常用控制長輸管道瞬變流動過程的裝置和方法。教學準備：結合輸油管道設計與管理加深學生對瞬變流動控制的理解。練習設計：無。M10.3講授0.5自學資料四、考核方式序號考核環(huán)節(jié)操作細節(jié)總評占比1平時表現1.課程全程布置3-7次作業(yè)，根據作業(yè)完成準確性、是否按時上交、是否獨立完成評分。2.課堂提問，查看學生對知識點的掌握情況和課堂專注度。3.考勤，隨機點名，刷卡點名等。20%2編程作業(yè)上機程序作業(yè)具體評分標準為：A[90-100]-程序語言邏輯嚴謹，計算結果正確，功能完整，輸出數據全面，注釋清楚，易讀性強，代碼簡潔，計算高效。B[75-89]-程序邏輯嚴謹，計算結果正確，功能比較完整，輸出數據比較全面，注釋比較清楚，易讀性比較強，代碼比較簡潔，計算比較高效。C[60-74]-程序邏輯比較嚴謹，計算結果基本正確，實現了基本功能，輸出了必要數據，注釋比較簡單或無注釋，易讀性一般，代碼相對臃腫，計算效率一般。D[0-59]-程序邏輯混亂，計算結果錯誤，未實現要求的基本功能，無法輸出結果，無程序注釋，易讀性差，代碼臃腫，計算效率低。30%3期末考試1.開卷考試，成績采用百分制，卷面成績總分100分。2.評分標準見期末考試試卷評分細則。50%五、評分細則序號課程目標考核環(huán)節(jié)大致占比評分等級1M1平時表現20%A-按時提交作業(yè)，對基本知識點理解無誤；課堂回答問題正確，專注度高；考勤優(yōu)秀。B-按時提交作業(yè)，對基本知識點理解存在少量錯誤,或無法按時完成作業(yè)，但最終作業(yè)結果準確；課堂回答問題基本正確，專注度較高；考勤表現良好。C-無法按時完成作業(yè)，且對知識點理解存在少量錯誤；課堂回答問題存在少量錯誤，專注度一般；考勤表現一般。D-未完成作業(yè)或對知識點的理解存在明顯錯誤；課堂回答問題錯誤明顯，專注度差；考勤表現差。2M1期末考試80%（見試卷評分標準）3M2平時表現20%A-按時提交作業(yè)，對基本知識點理解無誤；課堂回答問題正確，專注度高；考勤優(yōu)秀。B-按時提交作業(yè)，對基本知識點理解存在少量錯誤,或無法按時完成作業(yè)，但最終作業(yè)結果準確；課堂回答問題基本正確，專注度較高；考勤表現良好。C-無法按時完成作業(yè)，且對知識點理解存在少量錯誤；課堂回答問題存在少量錯誤，專注度一般；考勤表現一般。D-未完成作業(yè)或對知識點的理解存在明顯錯誤；課堂回答問題錯誤明顯，專注度差；考勤表現差。4M2編程作業(yè)60%A-程序語言邏輯嚴謹，計算結果正確，功能完整，輸出數據全面，注釋清楚，易讀性強，代碼簡潔，計算高效。B-程序邏輯嚴謹，計算結果正確，功能比較完整，輸出數據比較全面，注釋比較清楚，易讀性比較強，代碼比較簡潔，計算比較高效。C-程序邏輯比較嚴謹，計算結果基本正確，實現了基本功能，輸出了必要數據，注釋比較簡單或無注釋，易讀性一般，代碼相對臃腫，計算效率一般。D-程序邏輯混亂，計算結果錯誤，未實現要求的基本功能，無法輸出結果，無程序注釋，易讀性差，代碼臃腫，計算效率低。5M2期末考試20%（見試卷評分標準）6M3平時表現20%A-按時提交作業(yè)，對基本知識點理解無誤；課堂回答問題正確，專注度高；考勤優(yōu)秀；程序語言邏輯嚴謹，計算結果正確，功能完整，輸出數據全面，注釋清楚，易讀性強，代碼簡潔，計算高效。B-按時提交作業(yè)，對基本知識點理解存在少量錯誤,或無法按時完成作業(yè)，但最終作業(yè)結果準確；課堂回答問題基本正確，專注度較高；考勤表現良好；程序邏輯嚴謹，計算結果正確，功能比較完整，輸出數據比較全面，注釋比較清楚，易讀性比較強，代碼比較簡潔，計算比較高效。C-無法按時完成作業(yè)，且對知識點理解存在少量錯誤；課堂回答問題存在少量錯誤，專注度一般；考勤表現一般；程序邏輯比較嚴謹，計算結果基本正確，實現了基本功能，輸出了必要數據，注釋比較簡單或無注釋，易讀性一般，代碼相對臃腫，計算效率一般。D-未完成作業(yè)或對知識點的理解存在明顯錯誤；課堂回答問題錯誤明顯，專注度差；考勤表現差；程序邏輯混亂，計算結果錯誤，未實現要求的基本功能，無法輸出結果，無程序注釋，易讀性差，代碼臃腫，計算效率低。7M3期末考試80%（見試卷評分標準）8M4平時表現20%A-按時提交