《管道瞬变流动理论与应用》课程教学大纲

《管道瞬变流动理论与应用》教学大纲一、课程基本信息课程名称管道瞬变流动理论与应用TheoryandApplicationofPipelineTransientFlow课程编码PLC221121020开课院部储运与建筑工程学院课程团队管道瞬变流动理论与应用课程团队学分2.0课内学时34讲授28实验6上机0实践0课外学时34适用专业油气储运工程授课语言中文先修课程工程流体力学、泵与压缩机、输油管道设计与管理课程简介（限选）“管道瞬变流动分析”是储运专业的限定选修课，也可作为相关专业的选修课程。该课程主要应用于密闭输送液体管道的瞬变流动过程分析，为管道自动控制过程提供基础数据。主要内容包括：管道瞬变流动理论，瞬变流动数值求解方法（特征线法），利用计算流体力学软件模拟分析实际管道瞬变过程，管道基本边界条件的处理和求解，长距离管道瞬变流动的特点，工程案例模拟分析，管道瞬变流动过程的控制与瞬变压力保护，自动化控制系统简介。“AnalysisofHydraulicTransientsinPipelines”isarestrictedelectivecourseformajorintheOil&GasStorageandTransportation,whichcouldalsobeselectedaselectivecourseforothermajors.Itmainlyappliestoanalyzeflowprocessforhermeticliquidpipelineandsupplybasicdataforautomaticcontrolofpipelines.Thecoursemainlyincludes:thepipelinetransientflowtheory,thenumericalcalculationmethod(Characteristic-LineSolution),simulatingandanalyzingthetransientprocessofpracticalpipelinebycomputingfluiddynamicssoftware,treatmentandsolutionofbasicboundaryconditionofpipeline,thetransientflowcharacteristicsoflong-distancepipelines,simulationandanalysisofengineeringcase,thecontrolofthetransientflowprocessofpipelinesandtransientpressureprotection,introductiontoautomationcontrolsystem.负责人大纲执笔人审核人二、课程目标序号代号课程目标OBE毕业要求指标点任务自选1M1目标1：能够利用所学的基础理论与知识，提出管道瞬变流动的防控方法。是1.31.32M2目标2：能够基于所学的管道瞬变流动理论，分析泄漏、停泵、突然关阀等工况下管道内的压力波传递规律。是2.12.13M3目标3：能够根据管道特殊的水力现象，分析管道可能发生的事故工况。是4.14.14M4目标4：掌握特征线解法，并能够利用计算机语言程序，实现管道瞬变流动过程的水力计算。是5.35.3三、课程内容序号章节号标题课程内容/重难点支撑课程目标课内学时教学方式课外学时课外环节1第1章第1章绪论介绍瞬变流动的基本现象、概念、管道瞬变流动的发展历史。管道瞬变流动的基本分析方法。////21.11.1瞬变流理论的发展过程教学目的：该节内容是介绍性质的，主要向学生介绍瞬变流动理论的发展历史。重点难点：本节为介绍性内容，无难点，学生只需了解瞬变流动的发展历史。教学准备：国内外瞬变流理论发展历史。练习设计：无。M10.5讲授0.5自学资料31.21.2水流的不稳定现象教学目的：介绍水流的不稳定现象，并以水库引水管线为典型案列，对末端阀门关闭的水击过程进行分析，给出增压波、减压波、水击压力、管路周期等的概念；利用动量原理推导直接水击压力计算公式，并对关阀时间不同的过程进行分析；利用质量守恒推导得到压力波速表达式；简单介绍气体逸出与液柱分离现象，并简述水击的破坏作用。重点难点：本节内容和难点较多，学生重点掌握水库引水管线末端阀门关闭的水击过程，直接水击压力计算公式及压力波速表达式及其影响因素。教学准备：复习动量原理及质量守恒原理等相关流体力学知识及水击现象描述。练习设计：简单水击过程分析（不同时刻、位置处的压力分布等），直接水击压力计算。M11讲授1自学资料41.31.3分析方法教学目的：管内不稳定流动的三类分析方法：图解法、解析法、数值方法。重点难点：本节内容为介绍性质的，无难点。教学准备：三类管内不稳定流动的典型例子。练习设计：无。M10.5讲授0.5自学资料5第2章第2章管道瞬变流动的理论动量方程和连续性方程的推导过程，波速方程的推导及水击波速的影响因素////62.12.1弹性理论教学目的：介绍利用弹性理论分析管道瞬变流的运动方程和连续方程，了解两个方程的推导过程及相应各项的物理意义；分析特殊管道（水平、不考虑摩阻）的波动方程，并掌握方程通解物理意义。重点难点：分析液体管道瞬变流动的两个基本方程—运动方程、连续性方程，学生需注意掌握两个方程的不同形式及适用条件。教学准备：复习流体力学的控制体分析方法和受力分析，以及高等数学中全导数的定义，引导学生自主学习推导。练习设计：无。M1,M2,M31.5讲授2自学资料72.22.2波速方程教学目的：介绍薄壁弹性管不同约束条件下的波速方程推导过程、形式，压缩系数的概念以及气体对管内压力波速的影响过程。重点难点：对薄壁弹性管三种约束条件下波速方程形式的推导分析，以及影响波速的因素总结及计算方法。教学准备：该部分授课内容与材料力学课程（学生们已修完该门课程）部分内容密切相关，通过已学习知识的运用掌握波速方程。练习设计：热油管道压力波速计算。M1,M2,M31.5讲授1.5课后作业8第3章第3章特征线解法介绍管道瞬变流动动量方程、连续性方程的求解方法——特征线解法，重点介绍简化特征线解法、典型边界条件的数学表征，讲授简化特征线解法的编程思路，并利用上机课实现管道瞬变流动的编程求解。介绍通用特征线解法。////93.13.1简化特征线解法教学目的：介绍求解管内不稳定流动两个基本微分方程的方法—简化特征线法，对推导得到的特征方程式及特征线方程所代表的物理意义进行分析介绍；介绍特征方程数值解求解方法—有限差分法，得到分析瞬变流动常用的特征方程基本形式；介绍总结初始条件与边界条件类型及基本关系式。重点难点：本节内容和难点较多，学生重点掌握简化特征线法得到的方程基本形式及物理意义，并掌握其基本分析方法。教学准备：有限差分法求解方程的基本思想以及一阶二阶近似等基本数学概念。练习设计：无。M1,M2,M3,M44讲授4自学资料103.23.2基本边界条件教学目的：介绍三类常见的基本边界条件，并分析相应的边界参数描述形式。重点难点：重点掌握不同边界条件的分析、建立方法。教学准备：泵的特性方程描述形式及特点、输油管道能量平衡方程回顾。练习设计：无。M1,M2,M3,M41讲授0.5自学资料113.33.3基本的计算程序教学目的：介绍数值求解管内不稳定流动过程参数的计算程序编译过程。重点难点：重点掌握简单管道水击计算程序编译方法。教学准备：该节内容与前两节内容密切相关，是前两节内容的回顾和综合应用。练习设计：无。M1,M2,M3,M40.5讲授0.5自学资料123.43.4通用特征线解法教学目的：介绍复杂系统的连续方程和运动方程数值求解方法—通用特征线解法，介绍求解方程过程中用到的线性插值方法。重点难点：重点掌握通用特征线解法与简化特征线方法的异同点以及插值方法处理过程。教学准备：复习简化特征线解法的思想、分析处理过程。练习设计：无。M1,M2,M3,M41.5讲授1自学资料133.53.5上机部分简单管道瞬变流动过程状态确定综合运用第三章学习内容，利用计算机编制程序，计算简单管道发生瞬变流动后的管内压力、流量参数变化规律。M1,M2,M3,M46上机2编写程序14第4章第4章边界条件介绍串联管接点、分支管路接点、内部局部损失、阀门等边界条件的数学表达方法，介绍压力波的传递与反射。////154.14.1串联管接点教学目的：介绍典型内部边界接点—串联管路接点的特征方程表达形式及分析方法；并对串联管路计算时间步长的处理方法进行讲解。重点难点：重点掌握运用特征方程结合管路特点进行串联管路内部接点瞬变分析的方法。教学准备：特征方程基本形式及串联管路特点回顾。练习设计：无。M1,M2,M41讲授0.5自学资料164.24.2分支管路接点教学目的：介绍并联管路接点的及分析方法及处理过程，总结并联管路分析的基本特点。重点难点：重点掌握并联管路接点参数分析的规律。教学准备：串联管路接点分析方法回顾。练习设计：三通、四通管路接点参数分析。M1,M2,M40.5讲授1课后作业174.34.3内部局部损失教学目的：介绍管路上局部损失作为内部边界的处理方法及结果分析。重点难点：重点掌握内部局部损失建立方程时能量守恒方程的表述与串并联管路的不同点。教学准备：考虑管道局部损失的能量守恒方程表达形式回顾。练习设计：无。M1,M2,M40.5讲授0.5自学资料184.44.4阀门教学目的：介绍阀门的特性以及阀门作为内部边界的分析处理方法。重点难点：重点掌握阀门的基本特性及阀门阻力系数的描述形式。教学准备：回顾局部损失分析作为内部边界的处理方法。练习设计：无。M1,M2,M40.5讲授0.5自学资料194.64.6压力波的传递与反射教学目的：介绍管路系统中压力波反射的三种典型情况：开端反射、闭端反射和中间状态反射。重点难点：重点掌握压力波的中间状态反射的过程以及其计算方法。教学准备：回顾波动方程的表达形式及物理意义。练习设计：并联管路中间状态反射水击压力计算。M1,M2,M40.5讲授0.5自学资料20第5章第5章离心泵产生的不稳定流动离心泵失去动力后的工作特性，单泵、串联泵、并联泵瞬变流动边界的数学处理方法。////215.15.1离心泵的工作理论教学目的：介绍离心泵工作的基本理论，水力相似原理以及比例定律。重点难点：主要为泵与压缩机的相关内容回顾，学生重点掌握比例定律的表达形式。教学准备：泵与压缩机基本内容回顾。练习设计：无。M1,M2,M3,M40.5讲授0.5自学资料225.25.2离心泵失去动力后的工作特性教学目的：介绍离心泵失去动力后的管线瞬变过程、离心泵的减速特性、相似抛物线的物理意义、减速过程的H-Q-n特性方程、转速变化的计算方法以及转动惯量和转矩的计算表达形式及处理方法。重点难点：重点掌握离心泵减速过程的特点以及转速方程表达形式。教学准备：本节内容与比例定律密切相关，同时需回顾高等数学相应的近似处理方法。练习设计：推导离心泵减速过程转矩变化曲线H-Q-n。M1,M2,M3,M43讲授2自学资料235.35.3单泵边界条件教学目的：介绍中间单泵泵站边界条件的建立方法和求解过程、牛顿-拉普森方法的求解思想、泵边界瞬变参数的计算步骤及注意问题、计算结果物理意义分析描述及处理方法。重点难点：重点掌握单泵边界条件的求解过程以及相应计算结果的分析描述。教学准备：牛顿迭代法回顾。练习设计：无。M1,M2,M3,M42.5讲授1自学资料245.45.4串联离心泵机组教学目的：介绍串联离心泵机组的边界分类（3种）、分析处理过程、计算结果分析。重点难点：重点掌握串联泵机组的3种边界条件特点以及边界条件的建立过程和结果分析。教学准备：本节内容前节内容相关联，熟悉单泵边界的处理方法。练习设计：无。M1,M2,M3,M40.5讲授0.5自学资料255.55.5并联离心泵机组教学目的：介绍并联离心泵机组的边界分类（3种）、分析处理过程、计算结果分析。重点难点：重点掌握并联泵机组的3种边界条件特点以及边界条件的建立过程和结果分析，与并联泵机组的异同点。教学准备：本节内容前节内容密切相关，熟悉单泵、串联泵机组边界的处理方法。练习设计：第五章课后习题综合分析。M1,M2,M3,M40.5讲授2课后作业26第6章第6章长距离管道中的瞬变流动介绍长输管道中的瞬变压力传播过程、不稳定流动的原因与特点、设计中注意的问题。////276.16.1几个专业术语的定义教学目的：介绍长输管道中的管道充装、压力波衰减现象、过程及产生原因。重点难点：掌握产生管道充装及压力波衰减的原因和过程。教学准备：长输管道水力坡降线分布相关知识回顾。练习设计：无。M1,M2,M3,M40.5讲授0.5自学资料286.26.2长距离管道中产生不稳定流动的原因和特点教学目的：介绍长输管道不稳定流动的分类及瞬变压力的变化特点。重点难点：本节内容学生需掌握长距离管道中瞬变压力的变化特点。教学准备：无。练习设计：无。M1,M2,M3,M40.5讲授0.5自学资料296.36.3分析方法教学目的：介绍长距离管道瞬变流动求解过程的处理方法（主要是摩阻项的处理）、误差分析、推荐组方式以及计算实例的瞬变流动过程分析。重点难点：学生重点掌握长距离管道摩阻项处理的考虑因素及方法。教学准备：摩阻计算公式回顾。练习设计：典型泵站失电实例分析。M1,M2,M3,M40.5讲授0.5自学资料306.46.4长距离管道设计过程中应注意的问题教学目的：介绍长输管道设计过程中应考虑的方面以及需重点注意的问题。重点难点：掌握长距离管道设计中注意的问题及简单的处理方法。教学准备：无。练习设计：无。M1,M2,M3,M40.5讲授0.5自学资料31第7章第7章气体逸出和液柱分离介绍气体逸出与液体气化的过程、危害，无气体逸出和管内存在气-液混合物两种情况下的液柱分离及各自特点，气-液混合物中压力波速的推导求解过程。////327.17.1气体的逸出与液体汽化过程教学目的：介绍气体逸出的原理、诱发因素，气体逸出、液体汽化的现象。重点难点：气体逸出与液柱分离的过程。教学准备：无。练习设计：无。M1,M2,M3,M41讲授0.5自学资料337.27.2无气体逸出条件下的液柱分离教学目的：介绍无气体逸出情况下的液柱分离及特点，管内压力的计算方法。重点难点：无。教学准备：无。练习设计：无。M1,M2,M3,M40.5讲授0.5自学资料347.37.3管内存在气-液混合物时的液柱分离教学目的：介绍管内存在气-液混合物两种流体情况下的液柱分离及各自特点，压力波速的计算方法，特征方程的差值方法。重点难点：含气液体的压力波速表达形式。教学准备：无。练习设计：无。M1,M2,M3,M41讲授0.5自学资料35第8章第8章控制装置与保护措施介绍管道系统中控制管内瞬变流动过程的装置和采取的措施：调节阀、压力保护、气体缓冲罐、空气阀以及自动控制系统等。////368.18.1调节阀教学目的：介绍调节阀的类型、结构、工作原理、阀门特性，调节阀自动控制的工作原理。重点难点：无。教学准备：无。练习设计：无。M10.5讲授0.5自学资料378.28.2压力保护教学目的：各类泄压阀的结构、工作原理，管道的回流保护、自动停运、单向阀等保护方法。重点难点：无。教学准备：无。练习设计：无。M10.3讲授0.3自学资料388.38.3气体缓冲罐教学目的：气体缓冲罐的工作原理，在管道瞬变流动分析过程中的边界特性数学表征。重点难点：无。教学准备：无。练习设计：无。M10.2讲授0.2自学资料398.48.4空气阀教学目的：空气阀的工作原理及其作为边界条件的数学表征。重点难点：无。教学准备：无。练习设计：无。M10.2讲授0.5自学资料408.58.5长距离管道瞬变流动过程的自动控制教学目的：介绍长距离输油管道典型的压力控制和保护措施、工作方法，讲授水力瞬变过程管道的控制参数。重点难点：学生重点了解常用控制长输管道瞬变流动过程的装置和方法。教学准备：结合输油管道设计与管理加深学生对瞬变流动控制的理解。练习设计：无。M10.3讲授0.5自学资料四、考核方式序号考核环节操作细节总评占比1平时表现1.课程全程布置3-7次作业，根据作业完成准确性、是否按时上交、是否独立完成评分。2.课堂提问，查看学生对知识点的掌握情况和课堂专注度。3.考勤，随机点名，刷卡点名等。20%2编程作业上机程序作业具体评分标准为：A[90-100]-程序语言逻辑严谨，计算结果正确，功能完整，输出数据全面，注释清楚，易读性强，代码简洁，计算高效。B[75-89]-程序逻辑严谨，计算结果正确，功能比较完整，输出数据比较全面，注释比较清楚，易读性比较强，代码比较简洁，计算比较高效。C[60-74]-程序逻辑比较严谨，计算结果基本正确，实现了基本功能，输出了必要数据，注释比较简单或无注释，易读性一般，代码相对臃肿，计算效率一般。D[0-59]-程序逻辑混乱，计算结果错误，未实现要求的基本功能，无法输出结果，无程序注释，易读性差，代码臃肿，计算效率低。30%3期末考试1.开卷考试，成绩采用百分制，卷面成绩总分100分。2.评分标准见期末考试试卷评分细则。50%五、评分细则序号课程目标考核环节大致占比评分等级1M1平时表现20%A-按时提交作业，对基本知识点理解无误；课堂回答问题正确，专注度高；考勤优秀。B-按时提交作业，对基本知识点理解存在少量错误,或无法按时完成作业，但最终作业结果准确；课堂回答问题基本正确，专注度较高；考勤表现良好。C-无法按时完成作业，且对知识点理解存在少量错误；课堂回答问题存在少量错误，专注度一般；考勤表现一般。D-未完成作业或对知识点的理解存在明显错误；课堂回答问题错误明显，专注度差；考勤表现差。2M1期末考试80%（见试卷评分标准）3M2平时表现20%A-按时提交作业，对基本知识点理解无误；课堂回答问题正确，专注度高；考勤优秀。B-按时提交作业，对基本知识点理解存在少量错误,或无法按时完成作业，但最终作业结果准确；课堂回答问题基本正确，专注度较高；考勤表现良好。C-无法按时完成作业，且对知识点理解存在少量错误；课堂回答问题存在少量错误，专注度一般；考勤表现一般。D-未完成作业或对知识点的理解存在明显错误；课堂回答问题错误明显，专注度差；考勤表现差。4M2编程作业60%A-程序语言逻辑严谨，计算结果正确，功能完整，输出数据全面，注释清楚，易读性强，代码简洁，计算高效。B-程序逻辑严谨，计算结果正确，功能比较完整，输出数据比较全面，注释比较清楚，易读性比较强，代码比较简洁，计算比较高效。C-程序逻辑比较严谨，计算结果基本正确，实现了基本功能，输出了必要数据，注释比较简单或无注释，易读性一般，代码相对臃肿，计算效率一般。D-程序逻辑混乱，计算结果错误，未实现要求的基本功能，无法输出结果，无程序注释，易读性差，代码臃肿，计算效率低。5M2期末考试20%（见试卷评分标准）6M3平时表现20%A-按时提交作业，对基本知识点理解无误；课堂回答问题正确，专注度高；考勤优秀；程序语言逻辑严谨，计算结果正确，功能完整，输出数据全面，注释清楚，易读性强，代码简洁，计算高效。B-按时提交作业，对基本知识点理解存在少量错误,或无法按时完成作业，但最终作业结果准确；课堂回答问题基本正确，专注度较高；考勤表现良好；程序逻辑严谨，计算结果正确，功能比较完整，输出数据比较全面，注释比较清楚，易读性比较强，代码比较简洁，计算比较高效。C-无法按时完成作业，且对知识点理解存在少量错误；课堂回答问题存在少量错误，专注度一般；考勤表现一般；程序逻辑比较严谨，计算结果基本正确，实现了基本功能，输出了必要数据，注释比较简单或无注释，易读性一般，代码相对臃肿，计算效率一般。D-未完成作业或对知识点的理解存在明显错误；课堂回答问题错误明显，专注度差；考勤表现差；程序逻辑混乱，计算结果错误，未实现要求的基本功能，无法输出结果，无程序注释，易读性差，代码臃肿，计算效率低。7M3期末考试80%（见试卷评分标准）8M4平时表现20%A-按时提交