流體力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)與應(yīng)用

趙紅曉， 聶國雋， 俞永輝

(同濟(jì)大學(xué) a.航空航天與力學(xué)學(xué)院,b.國家級(jí)力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心,國家級(jí)力學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心,上海 200092)

流體力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)與應(yīng)用

趙紅曉， 聶國雋， 俞永輝

(同濟(jì)大學(xué) a.航空航天與力學(xué)學(xué)院,b.國家級(jí)力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心,國家級(jí)力學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心,上海 200092)

借助現(xiàn)代多媒體技術(shù)和商用軟件開發(fā)了同濟(jì)大學(xué)流體力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。利用網(wǎng)絡(luò)化的輔助教學(xué)平臺(tái)和多元化的教學(xué)手段，還原真實(shí)實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生能夠更加直觀地掌握流體的性能和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。全面提高和培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力。虛擬實(shí)驗(yàn)在全校土木工程、給排水工程和環(huán)境工程等10余個(gè)工科專業(yè)中使用，取得了良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。同時(shí)促進(jìn)了精品實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè)，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平，推進(jìn)了力學(xué)實(shí)驗(yàn)中心和虛擬仿真教學(xué)中心的發(fā)展。

流體力學(xué); Flex技術(shù); 虛擬實(shí)驗(yàn)

0 引 言

隨著信息化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展以及計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)的日漸成熟，使得具有低成本、材料零消耗、可重復(fù)、可擴(kuò)展性強(qiáng)、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容表達(dá)豐富、可靠性高、共享性好且不受地域場(chǎng)地限制等的綠色環(huán)保的網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練成為可能。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)在高校的應(yīng)用日益增多[1-3]，如力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)[4-6]、機(jī)械虛擬實(shí)驗(yàn)等[7-8]。虛擬實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，可以有效促進(jìn)高校學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的提高[9-10]。

流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)是面向全校土木工程、給排水工程和環(huán)境工程等10余個(gè)工科專業(yè)的學(xué)生，每年參加實(shí)驗(yàn)的學(xué)生約3 000多人時(shí)。流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)一般都會(huì)使用水、油等流體，容易發(fā)生滲漏現(xiàn)象，且存留在儀器內(nèi)壁的水(污)垢難以清洗，這些都會(huì)影響后續(xù)實(shí)驗(yàn)的效果和結(jié)果。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中受到各種條件限制：如人多設(shè)備少、設(shè)備噪聲高、實(shí)驗(yàn)管道老化滲漏、油液氣味重等，致使實(shí)驗(yàn)和教學(xué)效果大打折扣，而虛擬實(shí)驗(yàn)的開發(fā)對(duì)傳統(tǒng)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)則是一個(gè)很好的補(bǔ)充。

1 流體力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)開發(fā)技術(shù)

虛擬實(shí)驗(yàn)是指借助于多媒體、仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，在計(jì)算機(jī)上所進(jìn)行的對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)各操作環(huán)節(jié)的模擬和仿真[11]。流體力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是基于FLUENT、Pro/E、3DMAX等軟件和Flex技術(shù)開發(fā)的，F(xiàn)lex技術(shù)是Adobe公司開發(fā)的一種基于標(biāo)準(zhǔn)編程模型的高效RIA開發(fā)產(chǎn)品集，基于XML和MXML來定義客戶端界面，使用Action Script語言完成各類交互操作，通過服務(wù)器翻譯成swf格式后部署，并最終通過Flash Player運(yùn)行[12]。技術(shù)框架如圖1所示。

圖1 Flex技術(shù)框架

1.1 流體力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)

流體力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，是將其作為流體力學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充和替代，應(yīng)具備較好的模擬和仿真流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)的能力[13]。以建立優(yōu)質(zhì)資源共享機(jī)制為核心，以信息化實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)為重點(diǎn)，旨在提升高等教育質(zhì)量，全面提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力[14]。應(yīng)具備以下的功能:

(1) 學(xué)生實(shí)驗(yàn)功能。該功能是虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的基本功能。虛擬實(shí)驗(yàn)與相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)原理、過程相一致，通過流體力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，學(xué)生能夠進(jìn)行流體力學(xué)課程的相關(guān)實(shí)驗(yàn)。學(xué)生可在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、提交和下載實(shí)驗(yàn)報(bào)告等。

(2) 教學(xué)功能。教師能夠?qū)⑾嚓P(guān)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的指導(dǎo)書，實(shí)驗(yàn)演示視頻等資料上傳于網(wǎng)頁。可以查閱和批閱學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告等。

(3) 實(shí)驗(yàn)教學(xué)輔助功能。學(xué)生可在訓(xùn)練平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)后數(shù)據(jù)處理、實(shí)驗(yàn)報(bào)告填寫和提交等工作。亦可觀看視頻教學(xué)、查閱實(shí)驗(yàn)相關(guān)資料等。

(4) 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)管理功能。系統(tǒng)管理員可以對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行管理，如增加/刪除或打開/關(guān)閉實(shí)驗(yàn)，設(shè)備參數(shù)的設(shè)定和修改，對(duì)系統(tǒng)的用戶進(jìn)行管理，任課教師設(shè)置實(shí)驗(yàn)的規(guī)則等。

通過以上分析，虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的平臺(tái)結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 流體力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 流體力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的方法

流體力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)的建立，需要通過系統(tǒng)建模,虛擬實(shí)驗(yàn)運(yùn)行界面和人機(jī)交互3個(gè)方面來實(shí)現(xiàn)。

(1) 系統(tǒng)建模。借助于Pro/E和3DMAX建模軟件，對(duì)各個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的裝置進(jìn)行三維幾何建模。除了幾何建模之外，還需要對(duì)實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行物理建模和行為建模[13]。幾何建模只能簡(jiǎn)單的建立虛擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，通過物理建模，可以使虛擬實(shí)驗(yàn)中的物體與現(xiàn)實(shí)中的物體的更一致。

由于流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)基本上都要用到水,故為了更真實(shí)表現(xiàn)出水流的狀態(tài)和流動(dòng)規(guī)律,采用粒子系統(tǒng)(Particle System)來建立水流的動(dòng)態(tài)物理模型。使用粒子系統(tǒng)，可以對(duì)一些模糊的過程進(jìn)行模擬。例如，在流體力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的雷諾虛擬實(shí)驗(yàn)，其主要實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為水流流動(dòng)狀態(tài)的變化，即通過改變閥門開度來實(shí)現(xiàn)水流從層流→臨界流→紊流，這個(gè)過程相對(duì)是比較復(fù)雜的采用隨機(jī)橢圓粒子模型可以較好模擬整個(gè)過程。

對(duì)于圓柱繞流實(shí)驗(yàn)采用FLENT商用軟件模擬其在不同雷諾數(shù)下的渦量等值線圖，模擬了層流向紊流轉(zhuǎn)換過程，并與FLEX技術(shù)結(jié)合實(shí)現(xiàn)虛擬動(dòng)畫顯示。

(2) 虛擬實(shí)驗(yàn)網(wǎng)頁運(yùn)行實(shí)現(xiàn)。通過畫圖軟件將三維實(shí)驗(yàn)視圖轉(zhuǎn)成各個(gè)角度的PNG圖片，然后再導(dǎo)入到Flash平臺(tái)中，通過時(shí)間軸進(jìn)行動(dòng)畫播放，以達(dá)到3D效果。同時(shí)把PNG圖片與流態(tài)控制模型繪制成整體實(shí)驗(yàn)，并配以適當(dāng)?shù)牟僮靼粹o進(jìn)行交互；利用Flex Sprite動(dòng)畫組件來實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中各個(gè)流體運(yùn)動(dòng)，最后生成SWF文件在Flash Player中顯示并加以播放。整個(gè)流體力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)界面、能量方程虛擬實(shí)驗(yàn)和動(dòng)量方程虛擬實(shí)驗(yàn)界面分別如下圖3所示。

(a)

(b)

登錄鏈接：

http://lx-lab.#edu.cn/vlab/vlab.oms?omsv=list&cid=4

(3) 交互界面的實(shí)現(xiàn)。利用HXML和Action Script語言來實(shí)現(xiàn)物體展示、場(chǎng)景表現(xiàn)以及人機(jī)交互等功能，并通過服務(wù)器技術(shù)實(shí)現(xiàn)Flex與后臺(tái)的通信?；贔lex的鼠標(biāo)事件、Sprite動(dòng)畫技術(shù)創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖嚓P(guān)的操作過程，記錄數(shù)據(jù)。當(dāng)鼠標(biāo)點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)界面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的鼠標(biāo)事件，根據(jù)事件和點(diǎn)擊對(duì)象來判斷顯示數(shù)據(jù)表格等界面，然后在相應(yīng)的表格填入測(cè)量數(shù)據(jù)，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 流體力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的應(yīng)用

目前，力學(xué)實(shí)驗(yàn)中心流體力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建成并投入使用。流體力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)已經(jīng)在全校學(xué)生實(shí)驗(yàn)教學(xué)中運(yùn)行4年多，以課程建設(shè)、教材建設(shè)、教改項(xiàng)目研究為依托，進(jìn)行較為深入的教學(xué)研究與實(shí)踐，取得了一系列理論與實(shí)踐成果。流體力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā),促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段的多元化發(fā)展，促進(jìn)精品實(shí)驗(yàn)的建設(shè)和對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

2.1 虛擬實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中采用虛擬實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)交融的教學(xué)手段,從不同角度、不同方式參加實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練。學(xué)生經(jīng)過虛擬實(shí)驗(yàn)和實(shí)際操作實(shí)驗(yàn)兩個(gè)環(huán)節(jié)的培養(yǎng)，可以更深刻理解和掌握課程的理論知識(shí)。

2.2 理論知識(shí)與工程實(shí)踐相結(jié)合

在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)注重理論知識(shí)和工程實(shí)際相結(jié)合，啟發(fā)學(xué)生帶著問題做實(shí)驗(yàn)，充分發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性和創(chuàng)造性。實(shí)驗(yàn)中要求學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，理論聯(lián)系實(shí)際，引導(dǎo)學(xué)生思考，鼓勵(lì)學(xué)生結(jié)合工程實(shí)踐，采用已有的流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)教具，自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：學(xué)生可以利用流量計(jì)測(cè)試實(shí)驗(yàn)室水管的流量、流速等，引導(dǎo)學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)解決實(shí)際問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的“工程師”意識(shí)。

2.3 虛擬實(shí)驗(yàn)與網(wǎng)絡(luò)化輔助教學(xué)相結(jié)合

為了與虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)同步發(fā)展,實(shí)驗(yàn)中心專門建設(shè)了資源豐富的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，充分發(fā)揮現(xiàn)代教育技術(shù)手段，以信息化帶動(dòng)教學(xué)手段多樣化。實(shí)驗(yàn)教學(xué)網(wǎng)絡(luò)資源主要包括虛擬實(shí)驗(yàn)體系、教學(xué)視頻、教學(xué)大綱、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)方法與手段、實(shí)驗(yàn)教材等內(nèi)容。學(xué)生可以根據(jù)自己的時(shí)間自主選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和實(shí)驗(yàn)時(shí)間。網(wǎng)絡(luò)輔助教學(xué)平臺(tái)為培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力和創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力提供了良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境。網(wǎng)絡(luò)管理有效促進(jìn)了師生的交流互動(dòng)，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率，提升了教學(xué)的效果。

2.4 建設(shè)精品實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力

中心充分利用流體力學(xué)虛擬平臺(tái)和國家級(jí)力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的大環(huán)境，對(duì)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行精品化建設(shè)。教學(xué)中注重實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的新穎性和創(chuàng)新性，實(shí)驗(yàn)手段的多樣性，讓學(xué)生有更多的創(chuàng)新空間和施展才華的機(jī)會(huì)。目前已經(jīng)對(duì)“能量方程實(shí)驗(yàn)”和“動(dòng)量方程實(shí)驗(yàn)”進(jìn)行精品化建設(shè)，這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)屬于綜合性實(shí)驗(yàn)，在建設(shè)精品實(shí)驗(yàn)時(shí)從實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、指導(dǎo)書、教學(xué)過程都由學(xué)生參與設(shè)計(jì)，教師只扮演指導(dǎo)角色。精品實(shí)驗(yàn)的建設(shè)對(duì)其他流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè)起到了良好的示范和引領(lǐng)作用，激發(fā)了學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的興趣，使學(xué)生從被動(dòng)做實(shí)驗(yàn)到主動(dòng)喜歡做實(shí)驗(yàn)，充分培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力。

3 結(jié) 語

流體力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)是對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的完善、補(bǔ)充和拓展，是實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和信息化建設(shè)的重要內(nèi)容。流體力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)拓展了實(shí)驗(yàn)教學(xué)領(lǐng)域，豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平，促進(jìn)了學(xué)生創(chuàng)新思考能力的培養(yǎng)。后續(xù)的工作將會(huì)開發(fā)更多的流體力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，以推進(jìn)國家級(jí)力學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心和力學(xué)實(shí)驗(yàn)示范中心的建設(shè)，將在更大范圍實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的共享。

[1] 潘雪濤,鄔華芝,蔡建文,等.創(chuàng)新虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)能力[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2014,33(11):72-76.

[2] 萬桂怡,崔建軍,張振果.高校虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)及實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2011, 30(3):386-389.

[3] 雷 冬,朱飛鵬,殷德順,等.力學(xué)虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的探討[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2014, 31(12):95-96,100.

[4] 藺海曉,岳高偉,楊大力.材料力學(xué)虛擬演示實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用與教學(xué)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2012,29(5):124-126.

[5] 黃 俊,杜成斌,楊 輝.材料力學(xué)拉伸和扭轉(zhuǎn)模擬實(shí)驗(yàn)課件的研發(fā)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2008,25(1):68-72.

[6] 任偉杰,李春林,宋維源.結(jié)構(gòu)力學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究[J].力學(xué)與實(shí)踐,2015, 37(2):257-262.

[7] 蔡衛(wèi)國,陸 棟,李秀辰,等.機(jī)械工程虛擬實(shí)驗(yàn)室及其教學(xué)管理平臺(tái)的研究與構(gòu)建[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué),2015, 18(3):55-58.

[8] 呂明珠.虛擬仿真技術(shù)在液壓與氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2015,32(4):144-146.

[9] 田 豐.虛擬實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)整合研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2005,22(11):89-92.

[10] 范永開,林 君.網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)力案與實(shí)現(xiàn)[J]黑龍江工程學(xué)院學(xué)報(bào),2001,15(4):48-50.

[11] 羅建明.基于Flex與J2EE的在線考試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].成都:電子科技大學(xué),2013.

[12] 程小東.基于X3D的虛擬流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)[D].淮南:安徽理工大學(xué),2007.

[13] 王衛(wèi)國.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)思考與建議[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2013,32(12):5-8.

[14] William T. Reeves. Particle system-a technique for modeling a class of fuzzy objects[J].Acm Transactions on Graphics, 1983, 2(2): 91-108.

Construction and Application of Virtual Experimental Platform of Fluid Mechanics

ZHAO Hongxiao， NIE Guojun， YU Yonghui

(a. School of Aerospace Engineering and Applied Mechanics, b. National Mechanics Experimental Teaching Demonstration Center, National Virtual Simulation Experiment of Mechanics Teaching Center, Tongji University, Shanghai 200092, China)

The virtual experiment platform of fluid mechanics in Tongji University was developed by using modern multimedia technology and commercial software in this paper. The actual experiments of fluid mechanics were developed with the help of network auxiliary teaching platform and diversified teaching methods, made students to grasp intuitively to the performance of the fluid and the experimental content, and could fully improve and cultivate the students’ innovation ability and practice ability. It was exercised by students whom came from civil engineering, water supply and drainage engineering and environmental engineering and so on, more than 10 engineering professionals in Tongji University. It obtained excellent experimental teaching results. At the same time, it promoted the construction of fine experimental project, and improved the experimental teaching level, and promoted the development of mechanics experiment center and Virtual Simulation Experiment of Mechanics Teaching Center.

fluid mechanics; Flex technology; virtual experiment

2016-11-15

同濟(jì)大學(xué)實(shí)驗(yàn)教改項(xiàng)目(1330104087,1330104100,1330104102)

趙紅曉(1972-)，女，河南郟縣人，博士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)楣腆w力學(xué)和實(shí)驗(yàn)力學(xué)的教學(xué)與研究。

Tel.：021-68982267; E-mail：zhx@#edu.cn

O 35

A

1006-7167(2017)08-0122-03