虚拟仿真在流体机械原理课程教学中的应用

2017-12-15梅冠华吴贤芳

实验室研究与探索 2017年11期

关键词：空化叶轮流体

康灿，梅冠华，代翠，吴贤芳

(江苏大学 a.能源与动力工程学院,b.能源与动力工程国家级实验教学示范中心，江苏镇江 212013)

虚拟仿真在流体机械原理课程教学中的应用

康灿a,b，梅冠华a,b，代翠a，吴贤芳a

(江苏大学 a.能源与动力工程学院,b.能源与动力工程国家级实验教学示范中心，江苏镇江 212013)

为了发挥虚拟仿真实验在流体机械原理教学方面的作用，采用计算流体动力学技术设计了教学素材，对流体机械内部复杂流动、流体机械运行性能、流体机械运行稳定性3个核心内容的教学进行了设计，在此基础上为学生提供了动手实践的平台。结合本专业的特点，以叶片泵为例进行流体机械原理的虚拟仿真教学，结合专业教师的科研项目，为学生参与虚拟仿真的教学提供了有利条件。本课程的虚拟仿真教学实施注重知识与能力的结合、注重运用先进手段解决实体实验不能解决的问题，分组实施教学，取得了良好的效果。

虚拟仿真；流体机械；计算流体动力学；运行仿真；能力培养

0 引言

虚拟仿真实验是帮助工科学生消化专业知识、促进工程能力和创新能力培养的重要手段之一[1]。随着计算机技术和信息技术的发展，虚拟仿真实验的意义愈加突出[2]。近年来，虚拟仿真教学的形式与方法不断得到完善[3]。多年来，能源与动力工程专业一直为与国民经济发展密切相关的多个支柱产业提供着智力支撑。尽管国外许多高校并无相同名称的专业，但我国的能源动力类专业得到了蓬勃发展，且很多高校已经构建了自身的能源动力类专业人才培养特色。

江苏大学能源与动力工程专业是全国首批实施“卓越工程师教育培养计划”的专业之一，2015年获批江苏高校品牌专业建设项目，在多年的发展过程中形成了以流体机械，尤其是叶片泵为主的教学和研究特色。2016年，江苏大学能源与动力工程实验教学示范中心获批国家级实验教学示范中心。“虚实结合”在中心的教学过程中发挥着重要的作用。本文针对流体机械原理这一能源与动力工程专业的专业核心课程，阐述虚拟仿真实验的设计、实施与考核，对虚拟仿真发挥的作用进行讨论。

1 虚拟仿真教学的必要性

从国外工科人才培养的趋势来看，模拟与仿真已成为提升认知和动手能力的重要教学手段[4]。虚拟教学环境为学生提供了灵活、高效的自主学习平台[5]。一般来说，工科人才培养的阵地有3个：课堂、实验室与企业，不同的阵地需配备不同的培养内容与培养方法。从虚拟仿真手段实施的灵活性出发，其完全可被应用到这3个阵地中[6]。从某种意义上说，虚拟仿真的思路可以被全程贯穿于工科人才培养的进程[7]。根据递进式知识消化规律，目前多在实验室应用虚拟仿真技术，应用的主要方式为学生操作虚拟仿真软件和设备，对系统或装备的运行性能进行了解与针对性掌握[8]，校内实验室为虚拟仿真教学的开展提供了直接的平台[9]。

流体机械具有自身特点，其内部流动特征决定了其外部性能[10]。教学过程中流体流动与机械性能之间的关联是教学和研究的重点。从以往的流体机械原理教学实践来看，使学生全面地了解流体机械内部流动特征存在着较大的难度:①目前的光学测试方法还不能全面地获取流体机械内部的流动参数分布，②目前实验室内的光学测试仪器如粒子图像速度场仪、激光多普勒测速仪等并非本科生教学专用[11]。在这种情况下，虚拟仿真技术就发挥了其优势。

计算流体动力学技术是研究复杂流动的重要手段之一[12]。采用计算流体动力学技术不但可以求解流体机械内部流场中的速度、压力等参数的分布，还可以采用平均的方法求解流体机械的外部特性参数。计算流体动力学技术发展到现在，其算法的稳定性和运行的可靠性已经能够满足本科生教学的需要[13]。运用计算流体动力学技术所开发的教学模块是虚拟实验系统的重要组成部分之一[14]。

依托动力工程及工程热物理学科的能源与动力工程国家级实验教学示范中心具有ANSYS CFX，ANSYS Fluent，Pumplinx等商用计算流体动力学软件，并具备集中式的计算机群和分布式的计算工作站，为流体机械虚拟仿真教学提供了必要的条件。另外，近年来专业教师所承担的科研项目，有很多与计算流体动力学应用相关，这些项目的成果与积累的模拟实例为虚拟仿真教学的设计与实施提供了有力的支撑。

流体机械原理是为三年级学生开设的一门课程，学生在修学该课程前已具备了流体力学、工程力学、机械原理与设计等知识。在流体机械原理课程的教学过程中，实验环节的内容以流体机械运行性能为核心，该部分内容采取的方式为学生分组在实验台上进行实际测量、处理测量数据、绘制性能曲线。从知识的衔接来看，在实验环节和课堂知识之间架设一座桥梁将会完善知识结构，凸显知识重点。虚拟仿真技术就扮演了这样一个角色，它以灵活、高效的方式提供丰富的教学内容，通过针对性开发，将虚拟仿真教学的重点放在了流体机械内部复杂流动、流体机械运行性能、流体机械运行稳定性3个方面。

2 虚拟仿真教学的设计与实施

虚拟仿真已成为目前人才培养模式改革的重要内容之一，而其效果在很大程度上取决于具体的实施方案[15]。在本课程虚拟仿真教学的具体设计和实施过程中，限于学时，采取学生选修的方式，不同的教师指导不同的小组，每个小组设3～5名学生。要求这些学生对流体机械原理课程的基本知识有很好的掌握。结合指导教师的研究内容，每个小组采用不同的叶片泵实例进行教学。

高温熔盐泵是一种叶片泵，输送介质特殊，是很好的教学素材。图1所示为高温熔盐泵的两种结构，图1(a)为一立式两级串联泵，图1(b)为一双出液管单叶轮泵结构，这两种泵在运行时输送的介质温度都可能超过420 ℃，这在一般的流体机械实验室不可能开设相关的泵性能测试实验。采用虚拟仿真技术，学生可以在屏幕上多角度地观察到泵内的整体流动和任何一个局部位置的流动细节，从流动机理的角度认识叶片泵的原理，掌握流体机械的结构与性能。

(a)

(b)

图2所示为某离心泵内部某垂直于轴的截面上的静压强分布，根据流体机械的基本原理，从叶轮进口到出口，流体的静压强增加，而叶轮外围的导叶是能量转换的重要部件，在导叶流道内输送介质的静压强进一步增加，直观体现在图2中。图2中展现的另一内容是包含泵进出口管的流道内的整体流动特征，学生从图2中可以同时观察到泵全流道内的流动特征，为深入认识叶片泵的流动特征提供了素材。在虚拟仿真教学中，图2的内容是一个动画，叶轮在旋转，整个截面上的静压强分布随着叶轮旋转而变化。

图2 离心泵内部流动仿真

图3为采用商用CFD软件ANSYS CFX求解的不同流量工况下叶片泵叶轮上的受力。受力是判断叶轮运行稳定性的重要依据，也是校验流体机械设计的重要依据。目前对叶轮受力的测量也并非易事，所以虚拟仿真技术不但提供了叶轮在不同流量工况下的受力特征，也对叶轮旋转过程中的力学特性进行了评估。学生通过对叶轮受力的了解与分析，可以深入了解泵叶轮的受力、振动、强度等一系列的知识点，为构建综合性的专业知识体系提供了很好帮助。

图3 叶轮受力的虚拟仿真

叶片泵内部的流动现象极其复杂，也是认识叶片泵特征的重要素材。除了由于边界造成的旋涡、回流等现象外，叶片泵中还存在着空化现象。一般认为，空化现象是发生在液体中的一种由于局部压强降低而发生的相变现象，其对于叶片泵的性能具有重要的影响。此处以虚拟仿真教学中对叶片泵内的复杂空化现象的模拟与再现为例进行说明。空化在叶片泵中的发生与演化均为瞬态现象，且呈现明显的三维特征。虚拟仿真可以将空化在泵内的发展过程进行完整、多角度的再现，同时还可以求得泵性能变化与不同的空化程度之间的关联关系，见图4。可见空化发生在叶轮叶片的外缘，在不同的运行条件下呈现不同的形态和体积份额。学生在操作该虚拟仿真模块时，通过调节叶片泵进口的静压强，可以观察到空化发生的位置与形态，掌握影响泵内空化形态和空化程度的因素，并直观地认识泵性能受到空化的影响而表现出的变化规律。

3 虚拟仿真教学的考核

目前对于虚拟仿真教学效果的考核还没有定量的方法，事实上，虚拟仿真教学的效果也只能体现在学生的综合能力培养中[16]。从本专业实施的虚拟仿真教学中，从平时的学生表现和学生的科研成果与虚拟仿真的相关度两个方面对学生进行评价更为客观。自2013年以来，对修读过虚拟仿真实验的学生所从事的科研立项和发表的成果进行了统计，自2015年至2016年，与虚拟仿真相关的科研成果的比例明显上升，2016年的比例超过了36%。

虚拟仿真实验应该成为实验体系中独立的一部分[17]。对于专业核心课程，虚拟仿真实验的教学在大范围内开设尚需一定的时间，同时，虚拟仿真实验多作为一种模块而非独立的实验课程[18]。今后，选修虚拟仿真实验的学生越来越多，如何合理地组织这些学生进行分组学习，如何安排内容，突出能力培养的实效，是需要深入思考的内容。

4 结论

(1) 虚拟仿真教学已成为流体机械原理教学和学生能力培养的重要环节，可展现实体实验无法呈现的内容，同时，虚拟仿真的结果更为直观生动，教学方式更为灵活，能够有效引导学生构建综合性知识体系。

(2) 虚拟仿真教学的设计与实施应充分考虑学生的接受能力和已具备的知识基础，将原理融入过程，将复杂流动现象与流体机械运行性能相结合，使学生深度参与其中，真正使学生通过虚拟仿真实现工程能力和创新能力的培养。

(3) 虚拟仿真教学的实施尽管已经取得了一定的效果，但仍有很大发展空间，以流体机械原理课程的教学为例，虚拟仿真可以发展成为独立的实验教学课程，虚拟仿真实验教学的考核方式也可与学生的科研成果紧密结合。

[1] 祖强，魏永军.国家级虚拟仿真实验教学中心建设现状探析[J]. 实验技术与管理，2015(11):156-158.

[2] 滕凯. 数控虚拟仿真实验辅助系统的设计[J]. 实验室研究与探索，2015,34(12):69-72.

[3] 毕小兵. 虚拟仿真技术在土工试验教学中的应用[J]. 长江工程职业技术学院学报，2016，33(1):16-17.

[4] 朱凌，吕正则，李文. 大国的“计算”战略—德、美、俄的计算工程及其人才培养设想[J].高等工程教育研究，2015(4)：10-19.

[5] 王卫国，胡今鸿，刘宏. 国外高校虚拟仿真实验教学现状与发展[J].实验室研究与探索，2015,34(5):214-219.

[6] 刘美珍，刘剑雄，唐明凤.基于ANSYS的报废汽车回收钢板破碎虚拟仿真[J]. 昆明冶金高等专科学校学报，2015(1)：7-10.

[7] 银玉容，朱能武，施召才,等. 虚拟仿真实验系统在给排水工程专业实验教学中的应用[J]. 实验技术与管理，2016(1)：111-113.

[8] 崔媛，武艳君，孙萌萌,等. 依托虚拟仿真实验教学中心，培养工程实践能力[J]. 实验科学与技术，2015，13(2)：142-144.

[9] 杜月林，黄刚，王峰,等. 建设虚拟仿真实验平台探索创新人才培养模式[J]. 实验技术与管理，2015,32(12):26-29.

[10] 康灿，施亮. 能源与流体机械[M]. 镇江：江苏大学出版社，2012.

[11] 康灿，高波，李忠,等. 叶片泵的计算机辅助设计与分析[M]. 北京：机械工业出版社，2013.

[12] 方贵盛，王洪发. 多孔溢流坝泄流三维虚拟仿真[J].系统仿真学报，2015，27(10):2567-2574.

[13] 杨启贵. 水利工程虚拟仿真技术应用研究[J]. 人民长江，2015,46(21):61-64.

[14] 曾亮，邹强，朱旭程. 基于Fluent的虚拟风洞实验系统[J].实验室研究与探索，2016,35(2):83-85.

[15] 邹晓东，胡钰，姚威. 模拟与仿真：工程科技人才培养模式创新[J].高等工程教育研究，2013(3)：32-37.

[16] 安建强. 基于虚拟仿真技术的创新训练研究与实践[J]. 实验技术与管理，2015,32(12):179-182.

[17] 陈国辉，刘有才，刘士军,等. 虚拟仿真实验教学中心实验教学体系建设[J].实验室研究与探索，2015,34(8):169-172.

[18] 石智，隋国哲，姜泽钰,等. 3D虚拟仿真技术在化工原理实验中的应用[J]. 高师理科学刊，2015(10):96-98.

ApplicationofVirtualSimulationintheCourseofFluidMachineryPrinciples

KANGCana,b,MEIGuanhuaa,b,DAICuia,WUXianfanga

(a. School of Energy and Power Engineering, b. National Experimental Teaching Demonstrating Center for Energy and Power Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu, China)

To explore the application of virtual simulation in the teaching of the course of fluid machinery principles, computational fluid dynamics (CFD) technique is applied to construct teaching materials. With CFD technique, teaching contents associated with complex flows, operation performance and operation stability of fluid machinery are designed, enabling students to practice on a robust and flexible platform. In connection with the specialty highlights, the impeller pump is taken as an example of fluid machinery. The projects associated with numerical simulation facilitate the implementation of virtual simulation. There are three characteristics of the virtual simulation experiment, namely the connection between knowledge and capability, solving problems that practical experiments cannot solve, dividing students involved into groups. Desirable results are accomplished through the application of virtual simulation techniques.

virtual simulation; fluid machinery; computational fluid dynamics; operation simulation; capability training