虛擬仿真平臺(tái)及APP在流體機(jī)械教學(xué)中的應(yīng)用研究

劉海龍，鄭諾，吳洪雷，王軍鋒，李忠，高波

（江蘇大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江）

一 流體機(jī)械教學(xué)的現(xiàn)狀

新一輪的技術(shù)革命對(duì)高等教育教學(xué)提出了新的挑戰(zhàn)，為服務(wù)國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)展新需求，建設(shè)新工科成為了教學(xué)改革的主要方向。流體機(jī)械涵蓋繁復(fù)的流體理論知識(shí)，并注重培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力與工程創(chuàng)新能力，因此通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行直觀的現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)是至關(guān)重要的。但實(shí)驗(yàn)往往受場(chǎng)地及技術(shù)限制，難以滿足實(shí)際教學(xué)需求。尤其是在疫情情況下，集中學(xué)生進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)演示變得尤為困難。并且大部分流體機(jī)械在工作時(shí)內(nèi)部結(jié)構(gòu)流場(chǎng)難以直觀可視化，學(xué)生在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)無(wú)法對(duì)其工作情況進(jìn)行細(xì)致的了解和學(xué)習(xí)，難以調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使得學(xué)生僅學(xué)到了理論知識(shí)而缺乏綜合分析和實(shí)踐的能力，甚至有可能誘發(fā)厭倦學(xué)習(xí)的情緒。因此，為了提高教學(xué)效率及學(xué)習(xí)深度，擺脫學(xué)生被動(dòng)式學(xué)習(xí)的現(xiàn)狀，改善教學(xué)方法成為當(dāng)務(wù)之急[1-3]。

二 流體機(jī)械虛擬仿真平臺(tái)及APP封裝技術(shù)

計(jì)算流體力學(xué)是研究流體機(jī)械中復(fù)雜流動(dòng)的重要工具，相較于單純進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，利用計(jì)算流體力學(xué)預(yù)先分析，不僅能大大提高實(shí)驗(yàn)的效率還能獲取到更多的信息。加之計(jì)算機(jī)計(jì)算能力指數(shù)型上升，和一系列商業(yè)軟件趨于成熟，使得計(jì)算流體力學(xué)的入門門檻相對(duì)降低。但一旦涉及到較為復(fù)雜的流動(dòng)，仍然需要大量的專業(yè)知識(shí)去設(shè)定方程或是選擇流動(dòng)模型，這使得在學(xué)生未進(jìn)行深入學(xué)習(xí)理論知識(shí)時(shí)就去學(xué)習(xí)計(jì)算流體力學(xué)軟件會(huì)遇到很大阻礙。而通過(guò)使用現(xiàn)代軟件技術(shù)將經(jīng)典流體機(jī)械案例編譯封裝為可跨平臺(tái)獨(dú)立運(yùn)行的仿真APP，并上傳至云端服務(wù)器。讓擁有專業(yè)知識(shí)的教師對(duì)一特定模型進(jìn)行建模，根據(jù)教學(xué)進(jìn)度進(jìn)行調(diào)整后打包成APP發(fā)放給學(xué)生，或是進(jìn)行在線學(xué)習(xí)。學(xué)生面對(duì)的是相較于直接建模，非常簡(jiǎn)潔的操作界面，僅需設(shè)定幾個(gè)參數(shù)，即可獲得精確、全面的仿真結(jié)果，而不需要完全掌握高深的計(jì)算流體力學(xué)知識(shí)[4-8]。

三 以單級(jí)離心泵內(nèi)流場(chǎng)可視化及性能曲線為例的APP教學(xué)

離心泵作為一種通用機(jī)械，在工程實(shí)踐中應(yīng)用廣泛。而單級(jí)離心泵作為結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的泵型之一，經(jīng)常作為學(xué)生的課程設(shè)計(jì)題目，在流體機(jī)械教學(xué)中占比很大。下文將以單級(jí)離心泵為例，敘述通過(guò)COMSOL仿真平臺(tái)構(gòu)建完整的仿真程序，并編譯封裝成為可跨平臺(tái)獨(dú)立運(yùn)行的APP，使得學(xué)生通過(guò)簡(jiǎn)單的操作就能觀察學(xué)習(xí)到離心泵中的速度分布，壓力分布以及特性曲線。

（一） 虛擬仿真平臺(tái)的建立

泵的轉(zhuǎn)速一般能達(dá)到幾千轉(zhuǎn)每分鐘，這使得泵內(nèi)流體雷諾數(shù)較大，慣性力對(duì)流場(chǎng)的影響大于粘滯力，且屬于湍流的研究范疇，故本文選擇模型作為泵內(nèi)流場(chǎng)可視化的湍流建模[9]。為加快收斂，泵的出口段與進(jìn)口段采用較大的網(wǎng)格，而泵葉片處則使用較密的網(wǎng)格以保證結(jié)果準(zhǔn)確性[10-11]?？刂品匠倘缦拢渲?1)為渦粘模型，(2)為關(guān)于k的湍流動(dòng)能方程，(3)關(guān)于的擴(kuò)散方程，

由于使用三維模型，故建模過(guò)程非常復(fù)雜及耗時(shí)。除此之外，大量邊界條件以及參數(shù)，結(jié)果顯示所需的方程的設(shè)置，都需要相當(dāng)?shù)挠?jì)算流體力學(xué)專業(yè)知識(shí)支撐。圖1為軟件的建模界面，圖2及圖3為編譯封裝后APP的操作界面?？梢钥吹紸PP的操作界面相較于建模過(guò)程界面非常簡(jiǎn)潔，按鈕與輸入界面很少，并且突出對(duì)結(jié)果的展示。這樣就能使學(xué)生專注于某些參數(shù)，如轉(zhuǎn)速等對(duì)單級(jí)離心泵運(yùn)行的影響。單擊計(jì)算按鈕后，APP就會(huì)在學(xué)生使用的終端或者云端服務(wù)器遠(yuǎn)程計(jì)算出結(jié)果，繪出事先設(shè)定好的中間截面處的壓力云圖、速度矢量圖與特性曲線圖。并且根據(jù)教學(xué)進(jìn)度，教師還能隨意增加減少參數(shù)選擇,或增加三維速度矢量圖和粒子追蹤模塊進(jìn)一步可視化流場(chǎng)，讓學(xué)生能夠循序漸進(jìn)地學(xué)習(xí)其原理并加深理解。

圖1 建模界面

圖2 仿真APP界面，轉(zhuǎn)速為1450(rpm)時(shí)的壓力云圖、速度矢量圖與特性曲線圖

圖3 仿真APP界面，轉(zhuǎn)速為1550(rpm)時(shí)的壓力云圖、速度矢量圖與特性曲線圖

（二） 教學(xué)案例演示及討論

圖2和圖3分別為泵轉(zhuǎn)速為1450(rpm)和1550(rpm)時(shí)APP界面及模擬后的結(jié)果，其中左側(cè)為壓力云圖和絕對(duì)速度矢量圖，右側(cè)為該轉(zhuǎn)速下的泵特性曲線圖?？梢杂^測(cè)到兩種轉(zhuǎn)速下，壓力由內(nèi)向外逐漸增大；速度在葉片工作面附近最大，并且方向指向半徑切向，與轉(zhuǎn)向一致，體現(xiàn)了泵輸送液體與使液體增壓的功能。這表明仿真APP的結(jié)果是符合物理真實(shí)的。從右側(cè)的特性曲線中可以看出，轉(zhuǎn)速為1450rpm時(shí)，泵的最優(yōu)工況點(diǎn)在500(L/min)處，此時(shí)揚(yáng)程為14(m)，泵的功率為1.9(kW)，效率為64%；轉(zhuǎn)速為1550rpm時(shí)，泵的最優(yōu)工況點(diǎn)在540(L/min)處，此時(shí)揚(yáng)程為16.8(m)，泵的功率為2.3(kW)，效率為61%。這表明通過(guò)增大轉(zhuǎn)速，能夠在擁有更大流量的同時(shí)獲得更高的揚(yáng)程，而效率基本一致。說(shuō)明可以通過(guò)在小范圍內(nèi)調(diào)整泵的轉(zhuǎn)速，來(lái)達(dá)到調(diào)整揚(yáng)程與流量的目的。

由此，我們?cè)谶@個(gè)簡(jiǎn)潔的APP界面，僅僅需要輸入一個(gè)參數(shù)，即可獲得該泵型指定轉(zhuǎn)速下的設(shè)計(jì)工況，并且能了解某一固定截面上的壓力與速度分布，這是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)難以實(shí)現(xiàn)的。除了利用內(nèi)置好的結(jié)果處理方案，學(xué)生還可點(diǎn)擊圖2和圖3中的“導(dǎo)出表格”按鈕將重點(diǎn)研究的計(jì)算結(jié)果以表格形式輸出。后期進(jìn)一步利用專業(yè)數(shù)據(jù)可視化處理軟件開(kāi)展深入學(xué)習(xí)與研究。

通過(guò)上述分析，可將利用仿真APP輔助實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)概況為以下幾點(diǎn)：

1.虛擬仿真技術(shù)是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的極大補(bǔ)充與拓展。由于流體機(jī)械內(nèi)部結(jié)構(gòu)流場(chǎng)難以直觀可視化，實(shí)驗(yàn)時(shí)學(xué)生無(wú)法對(duì)流體機(jī)械內(nèi)部的流場(chǎng)進(jìn)行觀察學(xué)習(xí)。而仿真APP中有豐富的結(jié)果后處理功能，可以從多種角度全方面演繹流體機(jī)械運(yùn)行情況。達(dá)到與實(shí)驗(yàn)相輔相成，理論與實(shí)踐有機(jī)融合的目的。

2.結(jié)合APP技術(shù)的虛擬仿真具有現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)無(wú)法比擬的靈活性。教師能根據(jù)教學(xué)進(jìn)度或?qū)W生能力修改APP的復(fù)雜程度，進(jìn)行因材施教，使得不同專業(yè)背景的學(xué)生都能在較短的時(shí)間內(nèi)學(xué)習(xí)到流體機(jī)械與計(jì)算流體力學(xué)的核心內(nèi)容[12]。

3.虛擬仿真技術(shù)融入傳統(tǒng)工科學(xué)科能夠強(qiáng)烈激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣及能力。相較于傳統(tǒng)教學(xué)，教師教一步學(xué)生學(xué)一步，在仿真APP中學(xué)生能主動(dòng)修改參數(shù)，得到不同的結(jié)果并進(jìn)行分析。在這樣的過(guò)程中，能培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考的能力，激發(fā)學(xué)生工程創(chuàng)新的意識(shí)。

4.仿真APP技術(shù)將復(fù)雜高深的物理數(shù)學(xué)知識(shí)與工程實(shí)際直接關(guān)聯(lián)，降低了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)與傳統(tǒng)工科教學(xué)結(jié)合的門檻。讓學(xué)生在高等教育初級(jí)階段就能對(duì)所學(xué)的專業(yè)相關(guān)知識(shí)有了直觀的認(rèn)識(shí)。同時(shí)也大大拓寬了學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)科學(xué)的認(rèn)識(shí)，鼓勵(lì)學(xué)生打好數(shù)學(xué)與物理的基礎(chǔ)[13]。

5.可獨(dú)立運(yùn)行的仿真APP的成功開(kāi)發(fā)創(chuàng)新性地提出了符合中國(guó)國(guó)情的“實(shí)驗(yàn)室教學(xué)”在線化的解決方案。將仿真APP上傳至云端的虛擬仿真平臺(tái)后，學(xué)生在課堂學(xué)習(xí)之余都能訪問(wèn)虛擬仿真平臺(tái)學(xué)習(xí)案例并與老師進(jìn)行交流，實(shí)現(xiàn)數(shù)字資源的最大利用。尤其在疫情情況下，無(wú)法進(jìn)行集中現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)，該方案對(duì)保障傳統(tǒng)工科學(xué)科教學(xué)質(zhì)量就顯得尤為重要[14-15]。

四 結(jié)語(yǔ)

隨著新工科這一概念提出，國(guó)家助力高等教育強(qiáng)國(guó)建設(shè)，提出了對(duì)未來(lái)新型高級(jí)工程技術(shù)人員的要求，信息技術(shù)的快速發(fā)展也給教育改革提供了新的思路與方法。本文針對(duì)目前流體機(jī)械教學(xué)中弱勢(shì)，提出了建立虛擬仿真平臺(tái)，利用仿真APP輔助實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)的方法，深化混合教學(xué)改革，增強(qiáng)“線上”教學(xué)的交互性。仿真APP通過(guò)切實(shí)的工程案例驅(qū)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)理論知識(shí)，有助于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力，進(jìn)而提高教學(xué)的效果和質(zhì)量。并且利用創(chuàng)新科技體驗(yàn)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)基礎(chǔ)數(shù)學(xué)與物理理論的熱情，使得學(xué)生的知識(shí)不斷發(fā)展，這對(duì)學(xué)生日后繼續(xù)深造學(xué)習(xí)計(jì)算流體力學(xué)有著極大的幫助。此外，該平臺(tái)不僅僅適用于流體機(jī)械的模擬，還可根據(jù)需求添加熱、電、磁、光、聲等模塊，快速融入不同學(xué)科的教學(xué)中。事實(shí)已經(jīng)證明，新工科與互聯(lián)網(wǎng)的融合，同時(shí)也是未來(lái)教育最有價(jià)值及應(yīng)用前景的方向之一。