“生活垃圾焚烧虚拟仿真实验”的建设

韩沐昕，李冬梅，罗海键，赵晟锌

(1.黑龙江建筑职业技术学院 热能工程学院，黑龙江 哈尔滨 150025;2.哈尔滨工业大学 环境学院，黑龙江 哈尔滨 150090；3.哈尔滨工业大学(深圳)实验创新实践教育中心，广东 深圳 518055)

固体废物处理与资源化是环境工程的分支学科，具有基础学科覆盖面广、跨度大，知识点和方法高度交叉的学科特点[1]。焚烧、填埋、生物处理等为固体废物专业方向的专有技术，是该课程的重点。在生活垃圾处理技术方面，主流的处理技术由卫生填埋向卫生填埋和焚烧发电并重转化[2]。在“十三五”期末也就是2020 年年底，全国城镇生活垃圾焚烧处理能力占比要求达到50%以上，东部地区占比要求达到60%以上。为此在2016版本科生培养方案中，结合《固体废物处理与资源化》课堂重点讲解内容，在其实验课中增加“生活垃圾焚烧实验项目”[3]。该实验项目具有高危或极端环境、不可及或不可逆过程，以及高成本、高消耗、高污染工程性质，采用仿真实验教学具有明显优势[4]。

当前国内外的一些组织机构正在开展关于虚拟实验的研究工作，我国有一些比较成熟的专业化例子。比如中国农业大学的虚拟土壤一作物系统实验室。它是通过应用GPS、GIS、作物3D数字化技术和其他数据采集技术，实现对农田土壤水分、养分、盐分等与作物生长的相互关系的定量化研究，建立土壤一作物系统；中国科学技术大学最新研制出我国第一套虚拟现实教学软件“几何光学实验设计平台”；浙江大学的虚拟化学实验，是基于Web的虚拟实验，以Vrml和Java技术结合开发。哈尔滨工业大学采用Gambit、Fluent、Tecplot 及Origin 软件自主开发的“火电站锅炉燃烧特性虚拟仿真教学实验，在能源和环境学科实验教学中得到广泛应用[5]。

1 实验目的

本仿真实验由焚烧设备3D模拟系统、焚烧工艺系统、生活垃圾焚烧仿真计算系统、实验考评系统四部分组成。通过三维技术展示设备结构，模拟设备运行。使学生快速了解焚烧设备结构和掌握设备运行规律；通过焚烧工艺系统了解焚烧系统组成和工作原理；通过生活垃圾焚烧仿真计算系统，掌握不同工艺参数对垃圾焚烧效果的影响；通过实验考评系统，真正做到对学生在该领域内的事件认知水平的过程评价，实现个性化教学。

2 生活垃圾焚烧虚拟仿真实验设计

实验系统包括生活垃圾不同成分的控制模拟，焚烧炉的操作模拟和计算模拟等模块，可以通过交互操作，简便地模拟不同组成的生活垃圾、不同温度下，焚烧炉内气固的接触状况，热量利用效率等过程，并调用对应的传质模型对不同操作过程进行数学分析，显示各种工况下，垃圾焚烧的热能利用效率和尾气成分分析。

2.1 虚拟现实技术的开发流程

参考目前虚拟实验的主流技术和垃圾焚烧模拟的计算算法[6-8]，本实验采用Unity 3D作为3D引擎，采用C#语言并通过Visual Studio工具进行程序开发。通过SVN，Microsoft Project等工具进行程序版本控制和项目管理。通过Maya，3D Max等工具制作仿真资源(模型，贴图，动画)。

2.2 3D模型的建立

3D引擎在Windows平台下通过DirectX技术实现3D渲染。通过骨骼动画、关键帧和序列帧动画制作3D动画，如图1所示。通过计算机图形学(实时阴影，光照贴图，凹凸贴图等)和计算几何学(碰撞检测、射线检测、刚体、流体模拟等)等实现现象仿真。通过后台模块化模型的搭建和链接实现数据仿真。通过VR，AR和动作捕捉技术，实现增强虚拟化变现和交互性。

图1 3D场景

2.3 虚拟现实技术中漫游和情景再现的实现方法

搭建出独立的数学模型，可实现仿DCS与3D场景的实时通讯，即：学生在操作仿DCS界面的仪表、阀门等，在三维场景中也可读取到对应的数据变化，在三维场景中进行启停动力设备的操作、阀门的开关等，在仿DCS界面中也可以读取到相应的操作动态信息，从而实现各项数据的变化，实现真正的仿真工厂的操作模拟。同时嵌入了相应知识点内容，学生在开始实验操作前，可先进入场景学习相应的厂区、设备、生产工艺等相关知识点，对整个装置有个全面的认识。另外，系统具有全景地图功能，地图上可实时显示当前人物的位置，并标注出主要设备所在区域，三维场景中配有搜索功能，可输入具体的阀门位号或者设备名称等进行精确搜索，点击确认按钮后可传送至对应的设备处，便于使用者学习查找相应的设备。软件具有飞行模式，在该模式下，使用者可以第一人称视角的状态下，不受空间的限制，可在厂区内自由移动，查看厂区的各个部分以及管道走向等。同时，在三维场景中还配置了软件的帮助文档与设备列表，便于快速入门三维软件的使用。

2.4 垃圾焚烧仿真计算模拟

垃圾焚烧仿真计算模拟是基于有限体积法对垃圾的焚烧过程进行计算模拟[9]，通过变换垃圾燃烧参数，从而计算出不同情况下烟气成分、温度、浓度的分布情况，如图2所示。该仿真模拟是一个瞬态的计算过程，从开始垃圾焚烧时刻计算至垃圾全部烧尽，并且烟气全部排出焚烧炉。后期的数据包含了数值(图3)、矢量和云图(图4)等关于产生的烟气和燃烧炉内温度的一系列指标。该仿真模拟能够让参加仿真实验人员更加直观的感受垃圾焚烧的过程，通过人机互动的方式，掌握不同垃圾焚烧情况下焚烧炉内各种计算指标的变化情况。

图2 垃圾焚烧简化模型

图3 模拟计算烟气数值

图4 计算烟气矢量云图

FDS5和Matlab 2010是垃圾焚烧仿真计算模拟的软件，通过Matlab进行一定的参数代码生成工作，并结合FDS自身的命令，生成可供FDS计算的输入文件，然后通过调用FDS程序，生成*.smv的结果文件，该文件能够被FDS软件中的Smokeview打开，通过调整显示结果，查看各种希望关注的数据。在实际操作中只需要输入垃圾化学参数，即可实现垃圾焚烧仿真模拟的过程，在最后的操作平台集成中采用C++或Python语言进行计算文件编程。

3 实施过程和效果

依托哈尔滨工业大学国家级市政环境虚拟仿真教学中心，通过先进的虚拟仿真实验设备，在教学中直观生动地展示生活垃圾物料组成、仿真正常运行工况下的垃圾焚烧的传质与热力特性；三维可视化显示复杂的焚烧设备内部构造及工艺流程，为学生更深入地理解课程内容提供了十分重要的教学辅助手段。

4 结语

针对生活垃圾焚烧具体实验项目，结合学科特色，我们建立数值仿真实验教学模型库，开发仿真平台软件：

(1)逼真地演示实验过程、焚烧炉设备构造等细节、介绍焚烧、热能利用及不同物料成分和焚烧工况的优缺点。

(2)使学生直观、完整的了解垃圾焚烧和模拟计算尾气成分的完整流程。

(3)开发和建立基于互联网、海量数据库的开放的实验教学视频、数值仿真、可视化实验仿真软件系统平台。基于互联网客户机与服务器模式，学生可随时进行实验准备、数据分析、模拟预测等实验教学功能。

本实验项目在2019年春季学期“固体废物处理与资源化”实验课程开出，还有一些需要补充和改进，学校和学院将继续对本实验项目投入资金进行重点建设，为实现一校三区学生共享的虚拟实验教学体系提供支撑。