康 燦， 梅冠華， 代 翠， 吳賢芳

(江蘇大學 a.能源與動力工程學院,b.能源與動力工程國家級實驗教學示范中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

虛擬仿真在流體機械原理課程教學中的應用

康 燦a,b， 梅冠華a,b， 代 翠a， 吳賢芳a

(江蘇大學 a.能源與動力工程學院,b.能源與動力工程國家級實驗教學示范中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

為了發(fā)揮虛擬仿真實驗在流體機械原理教學方面的作用，采用計算流體動力學技術設計了教學素材，對流體機械內部復雜流動、流體機械運行性能、流體機械運行穩(wěn)定性3個核心內容的教學進行了設計，在此基礎上為學生提供了動手實踐的平臺。結合本專業(yè)的特點，以葉片泵為例進行流體機械原理的虛擬仿真教學，結合專業(yè)教師的科研項目，為學生參與虛擬仿真的教學提供了有利條件。本課程的虛擬仿真教學實施注重知識與能力的結合、注重運用先進手段解決實體實驗不能解決的問題，分組實施教學，取得了良好的效果。

虛擬仿真； 流體機械； 計算流體動力學； 運行仿真； 能力培養(yǎng)

0 引 言

虛擬仿真實驗是幫助工科學生消化專業(yè)知識、促進工程能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重要手段之一[1]。隨著計算機技術和信息技術的發(fā)展，虛擬仿真實驗的意義愈加突出[2]。近年來，虛擬仿真教學的形式與方法不斷得到完善[3]。多年來，能源與動力工程專業(yè)一直為與國民經(jīng)濟發(fā)展密切相關的多個支柱產(chǎn)業(yè)提供著智力支撐。盡管國外許多高校并無相同名稱的專業(yè)，但我國的能源動力類專業(yè)得到了蓬勃發(fā)展，且很多高校已經(jīng)構建了自身的能源動力類專業(yè)人才培養(yǎng)特色。

江蘇大學能源與動力工程專業(yè)是全國首批實施“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”的專業(yè)之一，2015年獲批江蘇高校品牌專業(yè)建設項目，在多年的發(fā)展過程中形成了以流體機械，尤其是葉片泵為主的教學和研究特色。2016年，江蘇大學能源與動力工程實驗教學示范中心獲批國家級實驗教學示范中心?！疤搶嵔Y合”在中心的教學過程中發(fā)揮著重要的作用。本文針對流體機械原理這一能源與動力工程專業(yè)的專業(yè)核心課程，闡述虛擬仿真實驗的設計、實施與考核，對虛擬仿真發(fā)揮的作用進行討論。

1 虛擬仿真教學的必要性

從國外工科人才培養(yǎng)的趨勢來看，模擬與仿真已成為提升認知和動手能力的重要教學手段[4]。虛擬教學環(huán)境為學生提供了靈活、高效的自主學習平臺[5]。一般來說，工科人才培養(yǎng)的陣地有3個：課堂、實驗室與企業(yè)，不同的陣地需配備不同的培養(yǎng)內容與培養(yǎng)方法。從虛擬仿真手段實施的靈活性出發(fā)，其完全可被應用到這3個陣地中[6]。從某種意義上說，虛擬仿真的思路可以被全程貫穿于工科人才培養(yǎng)的進程[7]。根據(jù)遞進式知識消化規(guī)律，目前多在實驗室應用虛擬仿真技術，應用的主要方式為學生操作虛擬仿真軟件和設備，對系統(tǒng)或裝備的運行性能進行了解與針對性掌握[8]，校內實驗室為虛擬仿真教學的開展提供了直接的平臺[9]。

流體機械具有自身特點，其內部流動特征決定了其外部性能[10]。教學過程中流體流動與機械性能之間的關聯(lián)是教學和研究的重點。從以往的流體機械原理教學實踐來看，使學生全面地了解流體機械內部流動特征存在著較大的難度:①目前的光學測試方法還不能全面地獲取流體機械內部的流動參數(shù)分布，②目前實驗室內的光學測試儀器如粒子圖像速度場儀、激光多普勒測速儀等并非本科生教學專用[11]。在這種情況下，虛擬仿真技術就發(fā)揮了其優(yōu)勢。

計算流體動力學技術是研究復雜流動的重要手段之一[12]。采用計算流體動力學技術不但可以求解流體機械內部流場中的速度、壓力等參數(shù)的分布，還可以采用平均的方法求解流體機械的外部特性參數(shù)。計算流體動力學技術發(fā)展到現(xiàn)在，其算法的穩(wěn)定性和運行的可靠性已經(jīng)能夠滿足本科生教學的需要[13]。運用計算流體動力學技術所開發(fā)的教學模塊是虛擬實驗系統(tǒng)的重要組成部分之一[14]。

依托動力工程及工程熱物理學科的能源與動力工程國家級實驗教學示范中心具有ANSYS CFX，ANSYS Fluent，Pumplinx等商用計算流體動力學軟件，并具備集中式的計算機群和分布式的計算工作站，為流體機械虛擬仿真教學提供了必要的條件。另外，近年來專業(yè)教師所承擔的科研項目，有很多與計算流體動力學應用相關，這些項目的成果與積累的模擬實例為虛擬仿真教學的設計與實施提供了有力的支撐。

流體機械原理是為三年級學生開設的一門課程，學生在修學該課程前已具備了流體力學、工程力學、機械原理與設計等知識。在流體機械原理課程的教學過程中，實驗環(huán)節(jié)的內容以流體機械運行性能為核心，該部分內容采取的方式為學生分組在實驗臺上進行實際測量、處理測量數(shù)據(jù)、繪制性能曲線。從知識的銜接來看，在實驗環(huán)節(jié)和課堂知識之間架設一座橋梁將會完善知識結構，凸顯知識重點。虛擬仿真技術就扮演了這樣一個角色，它以靈活、高效的方式提供豐富的教學內容，通過針對性開發(fā)，將虛擬仿真教學的重點放在了流體機械內部復雜流動、流體機械運行性能、流體機械運行穩(wěn)定性3個方面。

2 虛擬仿真教學的設計與實施

虛擬仿真已成為目前人才培養(yǎng)模式改革的重要內容之一，而其效果在很大程度上取決于具體的實施方案[15]。在本課程虛擬仿真教學的具體設計和實施過程中，限于學時，采取學生選修的方式，不同的教師指導不同的小組，每個小組設3～5名學生。要求這些學生對流體機械原理課程的基本知識有很好的掌握。結合指導教師的研究內容，每個小組采用不同的葉片泵實例進行教學。

高溫熔鹽泵是一種葉片泵，輸送介質特殊，是很好的教學素材。圖1所示為高溫熔鹽泵的兩種結構，圖1(a)為一立式兩級串聯(lián)泵，圖1(b)為一雙出液管單葉輪泵結構，這兩種泵在運行時輸送的介質溫度都可能超過420 ℃，這在一般的流體機械實驗室不可能開設相關的泵性能測試實驗。采用虛擬仿真技術，學生可以在屏幕上多角度地觀察到泵內的整體流動和任何一個局部位置的流動細節(jié)，從流動機理的角度認識葉片泵的原理，掌握流體機械的結構與性能。

(a)

(b)

圖2所示為某離心泵內部某垂直于軸的截面上的靜壓強分布，根據(jù)流體機械的基本原理，從葉輪進口到出口，流體的靜壓強增加，而葉輪外圍的導葉是能量轉換的重要部件，在導葉流道內輸送介質的靜壓強進一步增加，直觀體現(xiàn)在圖2中。圖2中展現(xiàn)的另一內容是包含泵進出口管的流道內的整體流動特征，學生從圖2中可以同時觀察到泵全流道內的流動特征，為深入認識葉片泵的流動特征提供了素材。在虛擬仿真教學中，圖2的內容是一個動畫，葉輪在旋轉，整個截面上的靜壓強分布隨著葉輪旋轉而變化。

圖2 離心泵內部流動仿真

圖3為采用商用CFD軟件ANSYS CFX求解的不同流量工況下葉片泵葉輪上的受力。受力是判斷葉輪運行穩(wěn)定性的重要依據(jù)，也是校驗流體機械設計的重要依據(jù)。目前對葉輪受力的測量也并非易事，所以虛擬仿真技術不但提供了葉輪在不同流量工況下的受力特征，也對葉輪旋轉過程中的力學特性進行了評估。學生通過對葉輪受力的了解與分析，可以深入了解泵葉輪的受力、振動、強度等一系列的知識點，為構建綜合性的專業(yè)知識體系提供了很好幫助。

圖3 葉輪受力的虛擬仿真

葉片泵內部的流動現(xiàn)象極其復雜，也是認識葉片泵特征的重要素材。除了由于邊界造成的旋渦、回流等現(xiàn)象外，葉片泵中還存在著空化現(xiàn)象。一般認為，空化現(xiàn)象是發(fā)生在液體中的一種由于局部壓強降低而發(fā)生的相變現(xiàn)象，其對于葉片泵的性能具有重要的影響。此處以虛擬仿真教學中對葉片泵內的復雜空化現(xiàn)象的模擬與再現(xiàn)為例進行說明?？栈谌~片泵中的發(fā)生與演化均為瞬態(tài)現(xiàn)象，且呈現(xiàn)明顯的三維特征。虛擬仿真可以將空化在泵內的發(fā)展過程進行完整、多角度的再現(xiàn)，同時還可以求得泵性能變化與不同的空化程度之間的關聯(lián)關系，見圖4?？梢娍栈l(fā)生在葉輪葉片的外緣，在不同的運行條件下呈現(xiàn)不同的形態(tài)和體積份額。學生在操作該虛擬仿真模塊時，通過調節(jié)葉片泵進口的靜壓強，可以觀察到空化發(fā)生的位置與形態(tài)，掌握影響泵內空化形態(tài)和空化程度的因素，并直觀地認識泵性能受到空化的影響而表現(xiàn)出的變化規(guī)律。

3 虛擬仿真教學的考核

目前對于虛擬仿真教學效果的考核還沒有定量的方法，事實上，虛擬仿真教學的效果也只能體現(xiàn)在學生的綜合能力培養(yǎng)中[16]。從本專業(yè)實施的虛擬仿真教學中，從平時的學生表現(xiàn)和學生的科研成果與虛擬仿真的相關度兩個方面對學生進行評價更為客觀。自2013年以來，對修讀過虛擬仿真實驗的學生所從事的科研立項和發(fā)表的成果進行了統(tǒng)計，自2015年至2016年，與虛擬仿真相關的科研成果的比例明顯上升，2016年的比例超過了36%。

虛擬仿真實驗應該成為實驗體系中獨立的一部分[17]。對于專業(yè)核心課程，虛擬仿真實驗的教學在大范圍內開設尚需一定的時間，同時，虛擬仿真實驗多作為一種模塊而非獨立的實驗課程[18]。今后，選修虛擬仿真實驗的學生越來越多，如何合理地組織這些學生進行分組學習，如何安排內容，突出能力培養(yǎng)的實效，是需要深入思考的內容。

4 結 論

(1) 虛擬仿真教學已成為流體機械原理教學和學生能力培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，可展現(xiàn)實體實驗無法呈現(xiàn)的內容，同時，虛擬仿真的結果更為直觀生動，教學方式更為靈活，能夠有效引導學生構建綜合性知識體系。

(2) 虛擬仿真教學的設計與實施應充分考慮學生的接受能力和已具備的知識基礎，將原理融入過程，將復雜流動現(xiàn)象與流體機械運行性能相結合，使學生深度參與其中，真正使學生通過虛擬仿真實現(xiàn)工程能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

(3) 虛擬仿真教學的實施盡管已經(jīng)取得了一定的效果，但仍有很大發(fā)展空間，以流體機械原理課程的教學為例，虛擬仿真可以發(fā)展成為獨立的實驗教學課程，虛擬仿真實驗教學的考核方式也可與學生的科研成果緊密結合。

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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

G 642.4

A

1006-7167(2017)11-0155-04

2016-12-15

高等學校能源動力類專業(yè)教育教學改革重點項目(NDJZW2016Z-16)；江蘇高校品牌專業(yè)建設工程項目(PPZY2015A029)和江蘇大學高等教育教改研究重點課題(2015JGZD019)

康 燦(1978-)，男，河北寧晉人，博士，教授，主要研究方向為流體機械及工程中的復雜流動。

Tel.：0511-88780217； E-mail: kangcan@ujs.edu.cn