楊文東， 張如林， 黃思凝， 張 玉

(中國石油大學(華東) 儲運與建筑工程學院，山東 青島 266580)

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·虛擬仿真實驗(29)·

數值仿真在石油院校實驗教學中的應用

楊文東， 張如林， 黃思凝， 張 玉

(中國石油大學(華東) 儲運與建筑工程學院，山東 青島 266580)

本文探討了傳統(tǒng)石油行業(yè)中土木工程實驗課程教學手段的局限性，利用數值計算進行了地面原油儲罐、鹽巖地下儲氣庫和水封地下石油洞庫的仿真模擬教學，實現(xiàn)了復雜實驗的可視化、可重復性。該內容已在石油大學“土木工程軟件分析與應用”課程中進行了2年的實踐教學，取得了良好的教學效果，對完善實驗輔助教學手段具有重要意義。

試驗教學； 土木工程； 數值仿真； 教學改進

0 引 言

石油行業(yè)中涉及很多土木工程問題，比如大型儲罐在地震波作用下的響應、海底輸油管線與土體相互作用、地下水封油庫圍巖的變形與滲透問題等。作為石油行業(yè)院校的土木工程專業(yè)，我們在研究生培養(yǎng)中除了常規(guī)的土木工程的研究方向外，也側重于與石油相關的土木工程問題的解決。隨著計算機的發(fā)展，計算機輔助教學手段逐步發(fā)展[1-3]。

以石油大學土木工程實驗教學為例利用數值仿真方法對土木工程原油儲罐抗震實驗與地下鹽巖儲庫注采氣等相關實驗進行輔助教學，提高了學生參與教學活動的主動性、創(chuàng)造性，并加深了對專業(yè)知識的理解。

1 傳統(tǒng)教學手段的局限性

目前，土木工程領域工程問題的研究手段主要有3種：①把工程問題簡化為力學或數學問題，推導精確的理論解，該方法適用于條件比較簡單的情況，對于復雜問題難于求解，如瓦斯爆炸、大型邊坡失穩(wěn)、混凝土橋梁或大壩開裂破壞、隧道塌方等大型工程結構的破壞問題，往往難以建立完整的解析理論模型；②通過模型試驗或現(xiàn)場試驗的方法，然而，物理模型試驗不僅成本高、周期長，而且模型參數難以在有限個物理模型中調整，而且現(xiàn)場試驗的運行成本高昂；③數值試驗與數值仿真的方法。利用計算機仿真技術對工程結構的變形和破裂進行分析，具有通用性強、方便靈活、可重復性等特點，而且可以通過數值試驗得到許多在常規(guī)實驗室試驗中難以觀測的重要信息。數值試驗已成為土木工程物理實驗教學的重要補充手段[4-13]。

傳統(tǒng)土木工程實驗課程的教學大多以室內物理試驗、模型試驗和現(xiàn)場試驗為主。室內物理試驗僅能用于測定簡單的力學參數，無法反映工程現(xiàn)場巖體的參數。模型試驗則是把工程結構以一定的比例尺縮小到實驗室尺度，通過施加等效的荷載條件與邊界條件，用監(jiān)測的試驗數據反推實際工程的變形和應力情況。模型試驗的造價一般很高，有的高達幾百萬甚至上千萬元，試驗周期也很長，并且可重復性較差，一旦考慮不周導致試驗失敗，損失也是很大的。數值試驗與數值仿真則是利用計算機，真實模擬工程情況，可以形象地展示工程結構的變形和破壞規(guī)律。并且應用范圍比較廣、可重復性好、對于復雜問題也可以處理。因此，數值仿真方法是輔助教學的有效手段。

2 數值仿真技術

數值計算方法主要分為基于連續(xù)介質的數值方法和基于非連續(xù)介質的數值方法。連續(xù)介質的數值方法主要有：有限元法(FEM)、有限差分法(FDM)、無網格法(MESHLESS)、邊界元法(DEM)等，其中有限元法的應用最為廣泛。非連續(xù)介質的數值方法主要有：非連續(xù)介質力學分析方法(DDA)、離散元法(DEM)等。

不同的數值方法適用于不同的工程情況。如要分析貫通裂隙巖體的變形和破壞情況，則用DDA或DEM方法比較合適；巖體非線性連續(xù)大變形問題可以采用FDM來研究；巖體非線性破壞運動問題可以利用FEM法來研究等。必要的時候應采用多種方法或軟件來相互驗證。

3 數值仿真在實驗教學中的應用

3.1 地震作用下原油儲罐仿真

儲罐及其基礎在運營期間的穩(wěn)定性至關重要，一旦儲罐失穩(wěn)或發(fā)生爆炸將造成巨大的經濟損失并造成嚴重的安全隱患。地基不均勻沉降變形過大也會引起浮頂式的原油儲罐卡頂現(xiàn)象，即由于罐壁傾斜使浮頂卡在一定高度無法上升，從而使儲罐的存儲能力大大減小，影響儲罐的正常運營。因此，通過對儲罐在不同工況下的數值仿真教學，可以模擬其在動、靜力作用下的變形和應力分布情況，為儲罐的設計、施工、運營和維護提供指導，使學生較直觀地掌握相關問題。

如圖1是一個原油儲罐的有限元模型，圖2顯示了儲罐在地震波作用下儲罐內液面的晃動情況。由此可見，通過數值模擬與數值試驗能形象生動的展現(xiàn)儲罐在施工和運營過程中的變形和受力特征，由圖2可觀察到在地震波作用下儲罐內液面晃動的情況，從而很好地幫助學生理解相關力學問題。并且學生可以自己設計若干工況，進行計算比較，觀察計算結果的差異，從而對設計參數有更深的理解和把握。但是，若通過物理模型實驗，則耗資巨大且實驗周期長，很難取得很好的效果。進行現(xiàn)場觀測更是難以實現(xiàn)，一方面實際工程不允許儲罐破壞，另一方面地震波在實際工程中也難以模擬?？梢姡瑪抵捣抡媾c數值試驗可以很好地用于大型結構工程的計算與設計，在學生的實驗教學中起到很好的輔助教學作用。

圖1 儲罐有限元模型

圖2 地震波內液面作用下儲罐晃動

3.2 鹽巖地下儲氣庫仿真

鹽巖地下儲氣庫作為一種能源地下儲存方式，與其它方式相比具有占地面積小、儲量大、注采高效靈活等優(yōu)點。利用鹽穴進行油氣地下儲備是國際上首選的儲備方式，我國將規(guī)劃在江蘇金壇建成大型密集儲氣庫群。對于地下鹽巖儲庫在注采氣運行期間的穩(wěn)定性問題可以通過地質力學模型試驗來研究，但是周期很長，造價高[14]。在教學環(huán)節(jié)中學生一般只能參加其中的某些環(huán)節(jié)，而通過數值仿真則能使學生形象地觀察到儲庫運行過程中圍巖的變形與塑性區(qū)開展的情況，增加學生對該問題的認識與興趣。圖3為含夾層鹽巖地下儲庫網格模型。圖4為鹽巖儲庫圍巖破壞接近度分布云圖。圖5為鹽巖儲庫圍巖塑性區(qū)分布。

圖3 含夾層地下鹽巖 儲庫網格模型

圖4 鹽巖儲庫破壞圍巖 接近度分布云圖

由圖4鹽巖儲庫圍巖破壞接近度分布云圖，藍色代表儲庫圍巖的破壞程度較小，紅色代表圍巖的破壞程度較大，整個儲庫圍巖由藍色至紅逐漸變化表明不同部位的圍巖臨近破壞的程度越來越大，即越來越危險。由圖4可以直觀地觀察到圍巖不同部位的破壞程度或臨近破壞的程度。由圖5可以觀察到鹽巖儲庫圍巖塑性區(qū)分布，即進入塑性的單元的分布，較為形象直觀。通過相關仿真模擬讓學生深入了解地下儲氣庫注采氣運營過程中造成的圍巖變形與油氣滲透運移規(guī)律，加深對鹽巖蠕變體積收縮、引發(fā)地表沉陷、洞室片幫破壞的認識。

圖5 鹽巖儲庫圍巖塑性區(qū)分布

對于油氣儲庫相關知識的教學，一般比較抽象，難于理解。真實的儲庫都位于地下，難以觀察到，并且由于軍事保密，一般難于實現(xiàn)現(xiàn)場教學。因此，利用數值仿真，可以進行多工況多因素影響條件下的模擬，實現(xiàn)現(xiàn)場教學和物理模型試驗難以完成的教學效果。

3.3 水封地下油庫仿真

地下水封石油洞庫是利用飽水巖體密封性進行石油儲存的方式，具有水位高、不襯砌、洞室密度大等特點，且對安全性要求高。目前國內首個大型地下原油儲備庫建設項目正在建設實施[15]。由于其保密性，學生現(xiàn)場參觀也不便利，因此該內容的教學也可以借助于數值仿真，進行地下洞室的施工過程力學與滲透性分析的教學，使學生了解不同的施工順序將導致不同的圍巖變形、塑性區(qū)與滲透性。圖6為洞庫開挖完畢后周圍孔隙水壓力分布圖。

圖6 洞庫開挖完畢后周圍孔隙水壓力分布圖

由圖6的洞庫開挖完畢后周圍孔隙水壓力分布圖，學生可以觀察洞庫的水壓力分布規(guī)律，而這通過現(xiàn)場觀測和物理模型試驗都是難以完成的?，F(xiàn)場觀測需要埋設很多測試儀器，并在地下洞庫內進行監(jiān)測，存在一定的危險性，一般由專業(yè)的工程技術人員完成操作，因此不適宜學生現(xiàn)場學習。而物理模型試驗也需要充足的前期準備工作，包括設計與加工加載系統(tǒng)、模型框架、變形與應力采集系統(tǒng)、水壓加載系統(tǒng)等，且需要試驗過程中周密布署，考慮周全，一旦有一些小疏忽，可能導致整個試驗失敗，從而浪費時間和巨額試驗經費。由此，再一次表明數值仿真是大型土木工程課程教學和實驗教學的重要手段。

4 結 語

數值仿真已成為土木工程課程教學與科研的重要手段，是實驗教學與工程實踐的重要補充。作為石油院校的土木工程專業(yè)，在教學中嘗試結合石油行業(yè)中的土木問題開展數值仿真教學，形象真觀，提高了學生的學習興趣，并具有可重復性的優(yōu)點。克服了模型試驗造價高、周期長的缺陷，也避免了現(xiàn)場試驗由于工程原因難于進行的問題。該教學內容在石油大學研究生課程“土木工程軟件分析與應用”的教學中取得了較好的效果，提高了學生們的創(chuàng)新實踐能力。

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Numerical Simulation in Experiment Teaching of Petroleum Colleges

YANGWen-dong，ZHANGRu-lin，HUANGSi-ning，ZHANGYu

(College of Pipeline and Civil Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266580， China)

The limitations of the traditional experiment teaching methods of civil engineering in petroleum industry were discussed, and numerical simulations of the oil storage tanks on ground, underground gas storage cavern in salt rock and large water-sealed underground oil storage caverns were carried out in this paper. The simulation experiment realized the visualization and repeatability of many complex tests. This content has been carried out for 2 years in the practice of teaching for course of "Civil Engineering Software Analysis and Applications" in China University of Petroleum, and achieved good teaching results and had significance for perfecting the experiment aided teaching means.

experiment teaching； civil engineering； numerical simulation； teaching improvement

2015-04-22

國家自然科學基金(51309238)；山東省博士基金(BS2013NJ010)；山東省研究生教育創(chuàng)新計劃(SDYC13043)；中國石油大學(華東)研究生教育研究與教學改革重點項目(YJ-A1408)；中國石油大學(華東)碩士點建設項目(XWS130005)

楊文東(1982-)，男，山東濰坊人，博士，講師，主要從事巖土工程數值模擬方面的教學研究。

Tel.：15376713557；E-mail: wendongy@gmail.com

TU 45

A

1006-7167(2016)01-0058-03