数值模拟仿真技术在海洋油气工程专业主干课程中的应用研究

单丹丹 纪大伟 逯广东

摘 要：数值模拟仿真技术具有形象直观、可视化的优点，对于海洋油气工程专业主干课这类涉及较多结构力学与流体力学等知识体系的课程，在提高课程教学质量、补充完善传统实验等方面发挥着巨大的促进作用，为此，首先在“海洋平台工程”、“海洋油气集输工程”以及“海洋钻井工程”这三门课程中探索将数值模拟仿真技术融入课堂，与海洋油气工程专业培养目标中的工程问题、设计/开发解决方案及研究相对应，提高学生分析实際问题及解决复杂工程问题的能力。

关键词：数值模拟;海洋油气工程;海洋平台工程;海洋油气集输工程;海洋钻井工程

一、数值模拟仿真技术对于主干课教学的现实意义

1、能够辅助课堂教学，提高课程教学质量

在知识点的讲解过程中，教师们往往习惯于把每个知识点分开来讲，然后再对所有知识点进行统一归纳总结，这种方法会让学生感觉到知识点繁杂，没有规律可循，不便于记忆。但是如果应用数值模拟仿真技术，可以针对一个工程实例进行全面讲解，通过一个例子就可以掌握一类知识点，还能加深印象。学生们在前期建模的过程中能够对实际问题进行图形化理解，还能锻炼绘图能力;在力学问题加载的过程中，能够对力学性质进行全面的认识，还能加深对公式的理解与掌握;在进行后期结果处理的过程中，可以得出该问题相应的结论，以便用于指导工程实践。

2、能够补充实验教学，提高实践教学创造性

以往的实验教学都是一些比较基础性的室内实验，实验的内容根据教师给定的教学大纲来定，往往限制了学生的大脑思维，使学生缺乏自主性、创造性，且这些实验经常出现失败、得不出有效数据的情况，也不能实现重复性，使学生对于实验结果不能进行反复的分析及验证。数值模拟仿真技术具有形象的动画显示以及强大的建模、数据输出的功能，可以对材料、结构进行多层次的实验数值模拟仿真，还可以实现反复性的验证模型方案。学生们可以通过仿真过程将处理问题与分析工程实践问题的能力提高，还可以实现利用计算机辅助手段提高自身科研能力，从而为日后开展创新性研究项目打下坚实基础。

二、数值模拟仿真技术在主干课程中的应用探索

1、Ansys数值模拟软件在海洋平台工程课程中的应用

该课程重点对导管架平台、自升式平台以及半潜式平台的主要特点与工作原理进行描述，并要求学生熟悉海洋平台在各种工况下的力学性能及其分析方法，这些力学问题应用有限元法可以得到很好的解决。为此，将Ansys模拟软件应用到该课程的教学之中。海洋平台工程涵盖平台结构物在环境载荷作用下的受力变形与破坏等力学问题，这些问题对海洋平台的设计、建造等具有重要的现实意义，而传统的教学方法会使学生在扎堆的知识点里摸不清重点，采用数值模拟仿真的教学方法能够从整体上对一个工程问题进行解决，不仅易于公式的理解与掌握，更重要的，能够实现理论联系实际，做到有的放矢。

2、FLUENT数值模拟软件在海洋油气集输工程课程中的应用

海洋油气集输工程课程的核心是围绕各类集输管道而展开，来研究管道内外流体的流动特性，应用到工程流体力学方面的知识较多，FLUENT具有丰富的物理模型、先进的数值方法，以及强大的前后处理功能，可以运用不同的离散格式以及数值方法解决不同的流体运动复杂现象，不仅能够提高计算速度，还能保证稳定性与结果的精度，从而可以解决各领域中的复杂流动问题计算。因此，将FLUENT数值模拟仿真技术应用于海洋油气集输工程的课堂讲授中能够在指导实践，锻炼学生处理工程实际问题的能力上发挥着重要作用。

3、COMSOL数值模拟软件在海洋钻井工程课程中的应用

海洋钻井工程课程涵盖了海洋石油天然气钻井的基本概念以及相关技术领域的原理、方法和主要技术体系。其中涉及到许多两个或两个以上物理场的耦合作用，而COMSOL Multiphysics可以基于PDE建模求解任意多物理场耦合问题。COMSOL Multiphysics的底层理论基于数学物理方程，针对不同的工程问题，可以从数学物理方法出发，修改相应的底层方程，来对物理现象的本质进行揭露，从而可以灵活的适应不断变化的工程实际背景以及不断发展的前沿科学，让数值计算方法面对不断深入的各类研究处变不惊。因此，将COMSOL Multiphysics数值模拟仿真技术应用于海洋钻井工程的课堂讲授中能够达到很好的效果，不但能轻松处理各类工程问题，还能通过更改底层方程实现创新性研究。

三、结束语

对海洋平台工程、海洋油气集输工程以及海洋钻井工程这三门课程采取数值模拟仿真技术融入课堂教学是一种对提高教学质量行之有效的好办法;同时，对于解决实验室建设资金昂贵以及特殊情况下不便于带领学生进行现场实习等问题，起到了良好的转化作用，既能丰富学生的知识储备，又能提高同学们的创新意识。

参考文献

[1]李志刚.海洋油气工程人才培养的探索与实践[J].石油教育，2011，2：89-91.

[2]杨勇，郭子雄.数值模拟试验在土木工程专业课程教学中的应用[J].高等建筑教育，2005，14（3）：65-68.

[3]纪大伟，杨二龙，董驰，逯广东，张弦.基于OBE理念的海洋油气工程专业实践教学的改革与实践[J].教育现代化，2019，21：49-50.

作者简介：

单丹丹，女，（1984.8- ），黑龙江省宝清县，硕士，讲师，研究方向：海洋油气工程。

课题项目：东北石油大学本科教育教学改革研究项目，基于数值模拟仿真技术的海洋油气工程专业主干课程的研究与实践，2018-22。