康 燦， 梅冠華， 代 翠， 吳賢芳

(江蘇大學(xué) a.能源與動(dòng)力工程學(xué)院,b.能源與動(dòng)力工程國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

虛擬仿真在流體機(jī)械原理課程教學(xué)中的應(yīng)用

康 燦a,b， 梅冠華a,b， 代 翠a， 吳賢芳a

(江蘇大學(xué) a.能源與動(dòng)力工程學(xué)院,b.能源與動(dòng)力工程國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

為了發(fā)揮虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在流體機(jī)械原理教學(xué)方面的作用，采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)技術(shù)設(shè)計(jì)了教學(xué)素材，對(duì)流體機(jī)械內(nèi)部復(fù)雜流動(dòng)、流體機(jī)械運(yùn)行性能、流體機(jī)械運(yùn)行穩(wěn)定性3個(gè)核心內(nèi)容的教學(xué)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上為學(xué)生提供了動(dòng)手實(shí)踐的平臺(tái)。結(jié)合本專業(yè)的特點(diǎn)，以葉片泵為例進(jìn)行流體機(jī)械原理的虛擬仿真教學(xué)，結(jié)合專業(yè)教師的科研項(xiàng)目，為學(xué)生參與虛擬仿真的教學(xué)提供了有利條件。本課程的虛擬仿真教學(xué)實(shí)施注重知識(shí)與能力的結(jié)合、注重運(yùn)用先進(jìn)手段解決實(shí)體實(shí)驗(yàn)不能解決的問題，分組實(shí)施教學(xué)，取得了良好的效果。

虛擬仿真； 流體機(jī)械； 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)； 運(yùn)行仿真； 能力培養(yǎng)

0 引 言

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是幫助工科學(xué)生消化專業(yè)知識(shí)、促進(jìn)工程能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重要手段之一[1]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的意義愈加突出[2]。近年來，虛擬仿真教學(xué)的形式與方法不斷得到完善[3]。多年來，能源與動(dòng)力工程專業(yè)一直為與國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展密切相關(guān)的多個(gè)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(dòng)力類專業(yè)得到了蓬勃發(fā)展，且很多高校已經(jīng)構(gòu)建了自身的能源動(dòng)力類專業(yè)人才培養(yǎng)特色。

江蘇大學(xué)能源與動(dòng)力工程專業(yè)是全國首批實(shí)施“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”的專業(yè)之一，2015年獲批江蘇高校品牌專業(yè)建設(shè)項(xiàng)目，在多年的發(fā)展過程中形成了以流體機(jī)械，尤其是葉片泵為主的教學(xué)和研究特色。2016年，江蘇大學(xué)能源與動(dòng)力工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心獲批國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心。“虛實(shí)結(jié)合”在中心的教學(xué)過程中發(fā)揮著重要的作用。本文針對(duì)流體機(jī)械原理這一能源與動(dòng)力工程專業(yè)的專業(yè)核心課程，闡述虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、實(shí)施與考核，對(duì)虛擬仿真發(fā)揮的作用進(jìn)行討論。

1 虛擬仿真教學(xué)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(rèn)知和動(dòng)手能力的重要教學(xué)手段[4]。虛擬教學(xué)環(huán)境為學(xué)生提供了靈活、高效的自主學(xué)習(xí)平臺(tái)[5]。一般來說，工科人才培養(yǎng)的陣地有3個(gè)：課堂、實(shí)驗(yàn)室與企業(yè)，不同的陣地需配備不同的培養(yǎng)內(nèi)容與培養(yǎng)方法。從虛擬仿真手段實(shí)施的靈活性出發(fā)，其完全可被應(yīng)用到這3個(gè)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(jìn)程[7]。根據(jù)遞進(jìn)式知識(shí)消化規(guī)律，目前多在實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)，應(yīng)用的主要方式為學(xué)生操作虛擬仿真軟件和設(shè)備，對(duì)系統(tǒng)或裝備的運(yùn)行性能進(jìn)行了解與針對(duì)性掌握[8]，校內(nèi)實(shí)驗(yàn)室為虛擬仿真教學(xué)的開展提供了直接的平臺(tái)[9]。

流體機(jī)械具有自身特點(diǎn)，其內(nèi)部流動(dòng)特征決定了其外部性能[10]。教學(xué)過程中流體流動(dòng)與機(jī)械性能之間的關(guān)聯(lián)是教學(xué)和研究的重點(diǎn)。從以往的流體機(jī)械原理教學(xué)實(shí)踐來看，使學(xué)生全面地了解流體機(jī)械內(nèi)部流動(dòng)特征存在著較大的難度:①目前的光學(xué)測試方法還不能全面地獲取流體機(jī)械內(nèi)部的流動(dòng)參數(shù)分布，②目前實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的光學(xué)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(xué)專用[11]。在這種情況下，虛擬仿真技術(shù)就發(fā)揮了其優(yōu)勢。

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)技術(shù)是研究復(fù)雜流動(dòng)的重要手段之一[12]。采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)技術(shù)不但可以求解流體機(jī)械內(nèi)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(jī)械的外部特性參數(shù)。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，其算法的穩(wěn)定性和運(yùn)行的可靠性已經(jīng)能夠滿足本科生教學(xué)的需要[13]。運(yùn)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)技術(shù)所開發(fā)的教學(xué)模塊是虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的重要組成部分之一[14]。

依托動(dòng)力工程及工程熱物理學(xué)科的能源與動(dòng)力工程國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心具有ANSYS CFX，ANSYS Fluent，Pumplinx等商用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件，并具備集中式的計(jì)算機(jī)群和分布式的計(jì)算工作站，為流體機(jī)械虛擬仿真教學(xué)提供了必要的條件。另外，近年來專業(yè)教師所承擔(dān)的科研項(xiàng)目，有很多與計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)應(yīng)用相關(guān)，這些項(xiàng)目的成果與積累的模擬實(shí)例為虛擬仿真教學(xué)的設(shè)計(jì)與實(shí)施提供了有力的支撐。

流體機(jī)械原理是為三年級(jí)學(xué)生開設(shè)的一門課程，學(xué)生在修學(xué)該課程前已具備了流體力學(xué)、工程力學(xué)、機(jī)械原理與設(shè)計(jì)等知識(shí)。在流體機(jī)械原理課程的教學(xué)過程中，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的內(nèi)容以流體機(jī)械運(yùn)行性能為核心，該部分內(nèi)容采取的方式為學(xué)生分組在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行實(shí)際測量、處理測量數(shù)據(jù)、繪制性能曲線。從知識(shí)的銜接來看，在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)和課堂知識(shí)之間架設(shè)一座橋梁將會(huì)完善知識(shí)結(jié)構(gòu)，凸顯知識(shí)重點(diǎn)。虛擬仿真技術(shù)就扮演了這樣一個(gè)角色，它以靈活、高效的方式提供豐富的教學(xué)內(nèi)容，通過針對(duì)性開發(fā)，將虛擬仿真教學(xué)的重點(diǎn)放在了流體機(jī)械內(nèi)部復(fù)雜流動(dòng)、流體機(jī)械運(yùn)行性能、流體機(jī)械運(yùn)行穩(wěn)定性3個(gè)方面。

2 虛擬仿真教學(xué)的設(shè)計(jì)與實(shí)施

虛擬仿真已成為目前人才培養(yǎng)模式改革的重要內(nèi)容之一，而其效果在很大程度上取決于具體的實(shí)施方案[15]。在本課程虛擬仿真教學(xué)的具體設(shè)計(jì)和實(shí)施過程中，限于學(xué)時(shí)，采取學(xué)生選修的方式，不同的教師指導(dǎo)不同的小組，每個(gè)小組設(shè)3～5名學(xué)生。要求這些學(xué)生對(duì)流體機(jī)械原理課程的基本知識(shí)有很好的掌握。結(jié)合指導(dǎo)教師的研究內(nèi)容，每個(gè)小組采用不同的葉片泵實(shí)例進(jìn)行教學(xué)。

高溫熔鹽泵是一種葉片泵，輸送介質(zhì)特殊，是很好的教學(xué)素材。圖1所示為高溫熔鹽泵的兩種結(jié)構(gòu)，圖1(a)為一立式兩級(jí)串聯(lián)泵，圖1(b)為一雙出液管單葉輪泵結(jié)構(gòu)，這兩種泵在運(yùn)行時(shí)輸送的介質(zhì)溫度都可能超過420 ℃，這在一般的流體機(jī)械實(shí)驗(yàn)室不可能開設(shè)相關(guān)的泵性能測試實(shí)驗(yàn)。采用虛擬仿真技術(shù)，學(xué)生可以在屏幕上多角度地觀察到泵內(nèi)的整體流動(dòng)和任何一個(gè)局部位置的流動(dòng)細(xì)節(jié)，從流動(dòng)機(jī)理的角度認(rèn)識(shí)葉片泵的原理，掌握流體機(jī)械的結(jié)構(gòu)與性能。

(a)

(b)

圖2所示為某離心泵內(nèi)部某垂直于軸的截面上的靜壓強(qiáng)分布，根據(jù)流體機(jī)械的基本原理，從葉輪進(jìn)口到出口，流體的靜壓強(qiáng)增加，而葉輪外圍的導(dǎo)葉是能量轉(zhuǎn)換的重要部件，在導(dǎo)葉流道內(nèi)輸送介質(zhì)的靜壓強(qiáng)進(jìn)一步增加，直觀體現(xiàn)在圖2中。圖2中展現(xiàn)的另一內(nèi)容是包含泵進(jìn)出口管的流道內(nèi)的整體流動(dòng)特征，學(xué)生從圖2中可以同時(shí)觀察到泵全流道內(nèi)的流動(dòng)特征，為深入認(rèn)識(shí)葉片泵的流動(dòng)特征提供了素材。在虛擬仿真教學(xué)中，圖2的內(nèi)容是一個(gè)動(dòng)畫，葉輪在旋轉(zhuǎn)，整個(gè)截面上的靜壓強(qiáng)分布隨著葉輪旋轉(zhuǎn)而變化。

圖2 離心泵內(nèi)部流動(dòng)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(yùn)行穩(wěn)定性的重要依據(jù)，也是校驗(yàn)流體機(jī)械設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。目前對(duì)葉輪受力的測量也并非易事，所以虛擬仿真技術(shù)不但提供了葉輪在不同流量工況下的受力特征，也對(duì)葉輪旋轉(zhuǎn)過程中的力學(xué)特性進(jìn)行了評(píng)估。學(xué)生通過對(duì)葉輪受力的了解與分析，可以深入了解泵葉輪的受力、振動(dòng)、強(qiáng)度等一系列的知識(shí)點(diǎn)，為構(gòu)建綜合性的專業(yè)知識(shí)體系提供了很好幫助。

圖3 葉輪受力的虛擬仿真

葉片泵內(nèi)部的流動(dòng)現(xiàn)象極其復(fù)雜，也是認(rèn)識(shí)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(rèn)為，空化現(xiàn)象是發(fā)生在液體中的一種由于局部壓強(qiáng)降低而發(fā)生的相變現(xiàn)象，其對(duì)于葉片泵的性能具有重要的影響。此處以虛擬仿真教學(xué)中對(duì)葉片泵內(nèi)的復(fù)雜空化現(xiàn)象的模擬與再現(xiàn)為例進(jìn)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(nèi)的發(fā)展過程進(jìn)行完整、多角度的再現(xiàn)，同時(shí)還可以求得泵性能變化與不同的空化程度之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，見圖4?？梢娍栈l(fā)生在葉輪葉片的外緣，在不同的運(yùn)行條件下呈現(xiàn)不同的形態(tài)和體積份額。學(xué)生在操作該虛擬仿真模塊時(shí)，通過調(diào)節(jié)葉片泵進(jìn)口的靜壓強(qiáng)，可以觀察到空化發(fā)生的位置與形態(tài)，掌握影響泵內(nèi)空化形態(tài)和空化程度的因素，并直觀地認(rèn)識(shí)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(xué)的考核

目前對(duì)于虛擬仿真教學(xué)效果的考核還沒有定量的方法，事實(shí)上，虛擬仿真教學(xué)的效果也只能體現(xiàn)在學(xué)生的綜合能力培養(yǎng)中[16]。從本專業(yè)實(shí)施的虛擬仿真教學(xué)中，從平時(shí)的學(xué)生表現(xiàn)和學(xué)生的科研成果與虛擬仿真的相關(guān)度兩個(gè)方面對(duì)學(xué)生進(jìn)行評(píng)價(jià)更為客觀。自2013年以來，對(duì)修讀過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的學(xué)生所從事的科研立項(xiàng)和發(fā)表的成果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，自2015年至2016年，與虛擬仿真相關(guān)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(shí)驗(yàn)應(yīng)該成為實(shí)驗(yàn)體系中獨(dú)立的一部分[17]。對(duì)于專業(yè)核心課程，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)在大范圍內(nèi)開設(shè)尚需一定的時(shí)間，同時(shí)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)多作為一種模塊而非獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)課程[18]。今后，選修虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的學(xué)生越來越多，如何合理地組織這些學(xué)生進(jìn)行分組學(xué)習(xí)，如何安排內(nèi)容，突出能力培養(yǎng)的實(shí)效，是需要深入思考的內(nèi)容。

4 結(jié) 論

(1) 虛擬仿真教學(xué)已成為流體機(jī)械原理教學(xué)和學(xué)生能力培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，可展現(xiàn)實(shí)體實(shí)驗(yàn)無法呈現(xiàn)的內(nèi)容，同時(shí)，虛擬仿真的結(jié)果更為直觀生動(dòng)，教學(xué)方式更為靈活，能夠有效引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建綜合性知識(shí)體系。

(2) 虛擬仿真教學(xué)的設(shè)計(jì)與實(shí)施應(yīng)充分考慮學(xué)生的接受能力和已具備的知識(shí)基礎(chǔ)，將原理融入過程，將復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象與流體機(jī)械運(yùn)行性能相結(jié)合，使學(xué)生深度參與其中，真正使學(xué)生通過虛擬仿真實(shí)現(xiàn)工程能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

(3) 虛擬仿真教學(xué)的實(shí)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(jī)械原理課程的教學(xué)為例，虛擬仿真可以發(fā)展成為獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的考核方式也可與學(xué)生的科研成果緊密結(jié)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(xué)校能源動(dòng)力類專業(yè)教育教學(xué)改革重點(diǎn)項(xiàng)目(NDJZW2016Z-16)；江蘇高校品牌專業(yè)建設(shè)工程項(xiàng)目(PPZY2015A029)和江蘇大學(xué)高等教育教改研究重點(diǎn)課題(2015JGZD019)

康 燦(1978-)，男，河北寧晉人，博士，教授，主要研究方向?yàn)榱黧w機(jī)械及工程中的復(fù)雜流動(dòng)。

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