虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在燃燒學(xué)教學(xué)過程中的應(yīng)用實(shí)踐*

隋春杰 張斌 周艷

摘 要：燃燒的常規(guī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)在實(shí)施過程中面臨高危險性、高成本及自主性差的問題，為此青島科技大學(xué)建設(shè)了燃燒多參數(shù)同測虛擬仿真實(shí)驗(yàn)云平臺。該系統(tǒng)以三維模型重建了逼真的燃燒實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)設(shè)備，完整再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)操作步驟，以沉浸式的人機(jī)交互操作使學(xué)生融入實(shí)驗(yàn)，達(dá)到與真實(shí)實(shí)驗(yàn)一致的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。同時，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)過程集成了理論知識學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)步驟操作、學(xué)習(xí)效果考核、實(shí)驗(yàn)臺參觀等環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)“理、虛、實(shí)”有機(jī)結(jié)合，使學(xué)生進(jìn)一步加深對燃燒過程及燃燒理論的理解。

關(guān)鍵詞：燃燒;測量;實(shí)驗(yàn);虛擬仿真

中圖分類號：TK39;TP393 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B? ? ? ? 文章編號：1673-8454（2020）20-0032-04

隨著社會對能源環(huán)保及火災(zāi)安全的重視，越來越多的高校開設(shè)燃燒學(xué)課程。燃燒學(xué)涵蓋傳熱傳質(zhì)學(xué)、流體力學(xué)、化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)及動力學(xué)等內(nèi)容，既強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)理論知識，又同生產(chǎn)實(shí)踐密切聯(lián)系。在燃燒學(xué)課程學(xué)習(xí)中，不僅要求學(xué)生具備較強(qiáng)的理論理解能力，而且要求較高的理論與實(shí)踐結(jié)合能力。燃燒實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展，能夠使學(xué)生形象地認(rèn)識動態(tài)燃燒過程，掌握燃燒的發(fā)生條件及現(xiàn)象，掌握各類燃燒設(shè)備的實(shí)現(xiàn)方式，更直觀地理解燃燒過程的發(fā)生機(jī)制[1]。然而，開設(shè)燃燒實(shí)驗(yàn)課程在高校教學(xué)實(shí)驗(yàn)室中面臨諸多問題。一方面，燃燒實(shí)驗(yàn)往往涉及各類燃料等易燃易爆品，具有較高危險性，在實(shí)驗(yàn)用品的采購及儲存過程中也存在限制。另一方面，燃燒實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)復(fù)雜，燃燒火焰的數(shù)據(jù)采集設(shè)備價格昂貴，且存在維護(hù)困難的問題。因而，教學(xué)實(shí)驗(yàn)限于條件難以普遍開展。即使已有一些較簡單火焰的實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例，但限于以上問題往往以演示為主，學(xué)生自主性較差，并且簡單實(shí)驗(yàn)的采集數(shù)據(jù)少，不能完整表征火焰燃燒過程，教學(xué)效果差強(qiáng)人意。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是隨著信息化、智能化的發(fā)展而興起的一種全新的教學(xué)方式[2][3]，通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及主動性有效提高，可取得更佳的學(xué)習(xí)效率[4]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)用在燃燒學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)過程中，能夠以虛擬化手段構(gòu)建逼真的燃燒實(shí)驗(yàn)裝置，搭建完備的燃燒實(shí)驗(yàn)平臺，實(shí)現(xiàn)真實(shí)燃燒實(shí)驗(yàn)的效果。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛟诶碚摻虒W(xué)和實(shí)驗(yàn)操作之間搭建起過渡的橋梁，貫通燃燒的理論基礎(chǔ)知識與燃燒實(shí)驗(yàn)場景，具有極大的應(yīng)用價值。目前已經(jīng)有高校針對類似燃燒過程的危險實(shí)驗(yàn)工況開設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，如化學(xué)反應(yīng)過程[5]、鍋爐內(nèi)部燃燒過程[6]、石油工程油氣生產(chǎn)過程[7]等，但將燃燒數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)測量引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)還未有報道，在燃燒過程的全數(shù)據(jù)分析方面有所欠缺。本文將以青島科技大學(xué)正在開展建設(shè)的燃燒多參數(shù)同測虛擬仿真實(shí)驗(yàn)云平臺為例，探索虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在燃燒學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中的應(yīng)用實(shí)踐。

一、燃燒多參數(shù)同測虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

在燃燒設(shè)備中，為保證燃燒的持續(xù)，需采用不同方式的火焰保證燃燒的穩(wěn)定，流動及傳熱傳質(zhì)機(jī)理也不同，其中射流及旋流火焰是廣泛應(yīng)用的兩種典型火焰形式。理解這兩種形式的火焰的燃燒過程是燃燒學(xué)教學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，對其進(jìn)行溫度和速度等參數(shù)的實(shí)驗(yàn)測量，完成燃燒過程的全數(shù)據(jù)分析是對燃燒理論學(xué)習(xí)的有效補(bǔ)充，讓學(xué)生形象并且深入地掌握這兩種典型火焰結(jié)構(gòu)，進(jìn)而加深對燃燒理論知識的理解。

燃燒多參數(shù)同測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)成復(fù)雜，包含燃燒系統(tǒng)、測速系統(tǒng)以及測溫系統(tǒng)等。燃燒系統(tǒng)包含燃燒器、燃?xì)夂涂諝夤?yīng)系統(tǒng)，涉及易燃易爆品，常規(guī)實(shí)驗(yàn)操作具有較大危險性。燃燒場的速度測量采用了Particle Image Velocimetry（PIV）系統(tǒng)，又稱粒子圖像測速系統(tǒng)，由計算機(jī)、同步器、CCD相機(jī)、激光器組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包括易損精密儀器，且價格昂貴，難于開展學(xué)生普遍參與操作的常規(guī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)。燃燒場測溫運(yùn)用光偏折計算層析技術(shù)，即Computed Tomography（CT）測溫系統(tǒng)[8]，其對實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)調(diào)試的精度要求極高，調(diào)試系統(tǒng)所花費(fèi)的時間甚至可能超過一天，若進(jìn)行常規(guī)實(shí)驗(yàn)則嚴(yán)重影響教學(xué)進(jìn)度。

針對以上在常規(guī)實(shí)驗(yàn)中所遇到的問題，我校開發(fā)建設(shè)了燃燒多參數(shù)同測虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。通過對燃燒實(shí)驗(yàn)室以及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)各部件進(jìn)行幾何模型測繪并三維重建，基于杭州萬維鏡像科技有限公司的VeryEngine技術(shù)，完成了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的虛擬化、程序化。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)搭建了生動的實(shí)驗(yàn)環(huán)境、完備的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和逼真的實(shí)驗(yàn)裝置組件，達(dá)到虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的沉浸式體驗(yàn)，精準(zhǔn)還原燃燒實(shí)驗(yàn)的全程操作。如圖1—3分別為燃燒多參數(shù)同測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)物圖像以及虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的程序截圖。

燃燒多參數(shù)同測虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)將實(shí)驗(yàn)教學(xué)與理論學(xué)習(xí)緊密融合，在系統(tǒng)建設(shè)的同時注重細(xì)節(jié)。針對燃燒系統(tǒng)所包括的甲烷氣瓶、電磁閥、流量計等各部件，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)均設(shè)有鼠標(biāo)指向提示，學(xué)生可在實(shí)驗(yàn)過程中即時獲取這些部件的信息。PIV測速系統(tǒng)是一種先進(jìn)的瞬態(tài)、多點(diǎn)、無接觸式測速方法，通過時間相近的兩個瞬態(tài)流場內(nèi)示蹤粒子的位置信息，計算獲得流場的速度分布信息。CT測溫系統(tǒng)通過電腦控制的拍攝軟件獲得火焰圖和被火焰偏折的莫爾條紋圖，通過偏折角的修正和重建，實(shí)現(xiàn)燃燒場內(nèi)溫度分布測量。PIV測速原理及CT測溫原理均在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)以白板講解的形式展現(xiàn)，如圖4所示。

燃燒多參數(shù)同測虛擬仿真實(shí)驗(yàn)配建虛擬仿真云學(xué)習(xí)平臺，學(xué)生在云平臺上以操作電腦的形式開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，達(dá)到接近常規(guī)實(shí)驗(yàn)的效果，并在完成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)之后參觀燃燒實(shí)驗(yàn)室，觀察實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)各部件實(shí)物，實(shí)現(xiàn)“理、虛、實(shí)”有機(jī)結(jié)合，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

燃燒多參數(shù)同測虛擬仿真實(shí)驗(yàn)面向能源與動力工程、新能源科學(xué)與工程專業(yè)的大二或大三學(xué)生，要求學(xué)生具備燃燒學(xué)、流體力學(xué)、傳熱傳質(zhì)等理論知識。通過實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生加深理解燃燒理論基礎(chǔ)知識，掌握實(shí)驗(yàn)平臺的安裝與調(diào)試過程，完成實(shí)驗(yàn)基本步驟，掌握準(zhǔn)確記錄并處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的方法，能夠用實(shí)驗(yàn)的基本理論與數(shù)據(jù)對實(shí)驗(yàn)所得到的燃燒過程加以說明，進(jìn)而掌握射流及旋流火焰燃燒特征。燃燒多參數(shù)同測虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具有高自由性、高獨(dú)立性、全開放、可回溯、安全穩(wěn)定、資源占用低的特點(diǎn)，并且在實(shí)驗(yàn)過程中可實(shí)現(xiàn)教師一對一輔導(dǎo)，提高了學(xué)生實(shí)驗(yàn)掌握程度及理論知識學(xué)習(xí)深度。圖5、圖6展示了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程以及學(xué)生參觀實(shí)驗(yàn)室過程的照片。