赵红晓， 聂国隽， 俞永辉

(同济大学 a.航空航天与力学学院,b.国家级力学实验教学示范中心,国家级力学虚拟仿真实验教学中心,上海 200092)

流体力学虚拟实验平台的建设与应用

赵红晓， 聂国隽， 俞永辉

(同济大学 a.航空航天与力学学院,b.国家级力学实验教学示范中心,国家级力学虚拟仿真实验教学中心,上海 200092)

借助现代多媒体技术和商用软件开发了同济大学流体力学虚拟实验平台。利用网络化的辅助教学平台和多元化的教学手段，还原真实实验，使学生能够更加直观地掌握流体的性能和实验内容。全面提高和培养了学生的创新能力和实践能力。虚拟实验在全校土木工程、给排水工程和环境工程等10余个工科专业中使用，取得了良好的实验教学效果。同时促进了精品实验项目的建设，提高了实验教学水平，推进了力学实验中心和虚拟仿真教学中心的发展。

流体力学; Flex技术; 虚拟实验

0 引 言

随着信息化网络技术的发展以及计算机虚拟仿真技术的日渐成熟，使得具有低成本、材料零消耗、可重复、可扩展性强、实验内容表达丰富、可靠性高、共享性好且不受地域场地限制等的绿色环保的网上实验训练成为可能。虚拟仿真实验教学在高校的应用日益增多[1-3]，如力学虚拟实验[4-6]、机械虚拟实验等[7-8]。虚拟实验与真实实验教学相结合，优势互补，可以有效促进高校学生创新精神和实践能力的提高[9-10]。

流体力学实验是面向全校土木工程、给排水工程和环境工程等10余个工科专业的学生，每年参加实验的学生约3 000多人时。流体力学实验一般都会使用水、油等流体，容易发生渗漏现象，且存留在仪器内壁的水(污)垢难以清洗，这些都会影响后续实验的效果和结果。学生在实验中受到各种条件限制：如人多设备少、设备噪声高、实验管道老化渗漏、油液气味重等，致使实验和教学效果大打折扣，而虚拟实验的开发对传统流体力学实验教学则是一个很好的补充。

1 流体力学虚拟实验开发技术

虚拟实验是指借助于多媒体、仿真和虚拟现实等技术，在计算机上所进行的对传统实验各操作环节的模拟和仿真[11]。流体力学虚拟实验平台是基于FLUENT、Pro/E、3DMAX等软件和Flex技术开发的，Flex技术是Adobe公司开发的一种基于标准编程模型的高效RIA开发产品集，基于XML和MXML来定义客户端界面，使用Action Script语言完成各类交互操作，通过服务器翻译成swf格式后部署，并最终通过Flash Player运行[12]。技术框架如图1所示。

图1 Flex技术框架

1.1 流体力学虚拟实验平台建设

流体力学虚拟实验平台，是将其作为流体力学教学实验的补充和替代，应具备较好的模拟和仿真流体力学实验的能力[13]。以建立优质资源共享机制为核心，以信息化实验教学资源建设为重点，旨在提升高等教育质量，全面提高学生的创新能力和实践能力[14]。应具备以下的功能:

(1) 学生实验功能。该功能是虚拟实验系统的基本功能。虚拟实验与相应的实验原理、过程相一致，通过流体力学虚拟实验教学系统，学生能够进行流体力学课程的相关实验。学生可在网络平台上选择实验项目、提交和下载实验报告等。

(2) 教学功能。教师能够将相关实验项目的指导书，实验演示视频等资料上传于网页。可以查阅和批阅学生的实验报告等。

(3) 实验教学辅助功能。学生可在训练平台上进行实验前预习、实验后数据处理、实验报告填写和提交等工作。亦可观看视频教学、查阅实验相关资料等。

(4) 实验系统管理功能。系统管理员可以对实验系统进行管理，如增加/删除或打开/关闭实验，设备参数的设定和修改，对系统的用户进行管理，任课教师设置实验的规则等。

通过以上分析，虚拟实验系统的平台结构见图2。

图2 流体力学虚拟实验系统结构图

1.2 流体力学虚拟实验实现的方法

流体力学虚拟实验的建立，需要通过系统建模,虚拟实验运行界面和人机交互3个方面来实现。

(1) 系统建模。借助于Pro/E和3DMAX建模软件，对各个实验项目的装置进行三维几何建模。除了几何建模之外，还需要对实验过程进行物理建模和行为建模[13]。几何建模只能简单的建立虚拟实验的实验场景，通过物理建模，可以使虚拟实验中的物体与现实中的物体的更一致。

由于流体力学实验基本上都要用到水,故为了更真实表现出水流的状态和流动规律,采用粒子系统(Particle System)来建立水流的动态物理模型。使用粒子系统，可以对一些模糊的过程进行模拟。例如，在流体力学虚拟实验系统中的雷诺虚拟实验，其主要实验现象为水流流动状态的变化，即通过改变阀门开度来实现水流从层流→临界流→紊流，这个过程相对是比较复杂的采用随机椭圆粒子模型可以较好模拟整个过程。

对于圆柱绕流实验采用FLENT商用软件模拟其在不同雷诺数下的涡量等值线图，模拟了层流向紊流转换过程，并与FLEX技术结合实现虚拟动画显示。

(2) 虚拟实验网页运行实现。通过画图软件将三维实验视图转成各个角度的PNG图片，然后再导入到Flash平台中，通过时间轴进行动画播放，以达到3D效果。同时把PNG图片与流态控制模型绘制成整体实验，并配以适当的操作按钮进行交互；利用Flex Sprite动画组件来实现实验中各个流体运动，最后生成SWF文件在Flash Player中显示并加以播放。整个流体力学虚拟实验界面、能量方程虚拟实验和动量方程虚拟实验界面分别如下图3所示。

(a)

(b)

登录链接：

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

(3) 交互界面的实现。利用HXML和Action Script语言来实现物体展示、场景表现以及人机交互等功能，并通过服务器技术实现Flex与后台的通信。基于Flex的鼠标事件、Sprite动画技术创建实验模型相关的操作过程，记录数据。当鼠标点击实验界面时，会产生相应的鼠标事件，根据事件和点击对象来判断显示数据表格等界面，然后在相应的表格填入测量数据，记录实验数据。

2 流体力学虚拟实验平台的应用

目前，力学实验中心流体力学虚拟实验平台建成并投入使用。流体力学虚拟实验平台已经在全校学生实验教学中运行4年多，以课程建设、教材建设、教改项目研究为依托，进行较为深入的教学研究与实践，取得了一系列理论与实践成果。流体力学虚拟实验系统的开发,促进了实验教学手段的多元化发展，促进精品实验的建设和对学生创新能力的培养。

2.1 虚拟实验与真实实验相结合

在实验教学中采用虚拟实验与真实实验交融的教学手段,从不同角度、不同方式参加实验训练。学生经过虚拟实验和实际操作实验两个环节的培养，可以更深刻理解和掌握课程的理论知识。

2.2 理论知识与工程实践相结合

在虚拟实验平台设计时注重理论知识和工程实际相结合，启发学生带着问题做实验，充分发挥学生的主动性和创造性。实验中要求学生根据实验现象，理论联系实际，引导学生思考，鼓励学生结合工程实践，采用已有的流体力学实验教具，自主设计实验项目：学生可以利用流量计测试实验室水管的流量、流速等，引导学生利用实验解决实际问题的能力，培养学生的“工程师”意识。

2.3 虚拟实验与网络化辅助教学相结合

为了与虚拟实验平台同步发展,实验中心专门建设了资源丰富的网络实验教学平台，充分发挥现代教育技术手段，以信息化带动教学手段多样化。实验教学网络资源主要包括虚拟实验体系、教学视频、教学大纲、实验内容、实验方法与手段、实验教材等内容。学生可以根据自己的时间自主选择实验项目和实验时间。网络辅助教学平台为培养学生的自学能力和创新设计能力提供了良好的实验教学环境。网络管理有效促进了师生的交流互动，提高了实验教学的效率，提升了教学的效果。

2.4 建设精品实验项目,培养学生创新能力

中心充分利用流体力学虚拟平台和国家级力学虚拟实验教学平台的大环境，对流体力学实验课程进行精品化建设。教学中注重实验内容的新颖性和创新性，实验手段的多样性，让学生有更多的创新空间和施展才华的机会。目前已经对“能量方程实验”和“动量方程实验”进行精品化建设，这两个实验属于综合性实验，在建设精品实验时从实验设计、指导书、教学过程都由学生参与设计，教师只扮演指导角色。精品实验的建设对其他流体力学实验项目的建设起到了良好的示范和引领作用，激发了学生做实验的兴趣，使学生从被动做实验到主动喜欢做实验，充分培养了学生的创新能力。

3 结 语

流体力学虚拟实验教学平台的建设是对传统实验教学的完善、补充和拓展，是实验教学改革和信息化建设的重要内容。流体力学虚拟实验教学平台拓展了实验教学领域，丰富了实验教学内容，提高了实验教学水平，促进了学生创新思考能力的培养。后续的工作将会开发更多的流体力学虚拟实验教学项目，以推进国家级力学虚拟仿真实验教学中心和力学实验示范中心的建设，将在更大范围实现优质教学资源的共享。

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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

同济大学实验教改项目(1330104087,1330104100,1330104102)

赵红晓(1972-)，女，河南郏县人，博士，高级工程师，研究方向为固体力学和实验力学的教学与研究。

Tel.：021-68982267; E-mail：zhx@tongji.edu.cn

O 35

A

1006-7167(2017)08-0122-03