虚拟仿真平台及APP在流体机械教学中的应用研究

刘海龙，郑诺，吴洪雷，王军锋，李忠，高波

（江苏大学 能源与动力工程学院，江苏 镇江）

一 流体机械教学的现状

新一轮的技术革命对高等教育教学提出了新的挑战，为服务国家战略发展新需求，建设新工科成为了教学改革的主要方向。流体机械涵盖繁复的流体理论知识，并注重培养学生的工程实践能力与工程创新能力，因此通过实验进行直观的现场教学是至关重要的。但实验往往受场地及技术限制，难以满足实际教学需求。尤其是在疫情情况下，集中学生进行现场演示变得尤为困难。并且大部分流体机械在工作时内部结构流场难以直观可视化，学生在进行实验时无法对其工作情况进行细致的了解和学习，难以调动学生的学习兴趣，使得学生仅学到了理论知识而缺乏综合分析和实践的能力，甚至有可能诱发厌倦学习的情绪。因此，为了提高教学效率及学习深度，摆脱学生被动式学习的现状，改善教学方法成为当务之急[1-3]。

二 流体机械虚拟仿真平台及APP封装技术

计算流体力学是研究流体机械中复杂流动的重要工具，相较于单纯进行实验，利用计算流体力学预先分析，不仅能大大提高实验的效率还能获取到更多的信息。加之计算机计算能力指数型上升，和一系列商业软件趋于成熟，使得计算流体力学的入门门槛相对降低。但一旦涉及到较为复杂的流动，仍然需要大量的专业知识去设定方程或是选择流动模型，这使得在学生未进行深入学习理论知识时就去学习计算流体力学软件会遇到很大阻碍。而通过使用现代软件技术将经典流体机械案例编译封装为可跨平台独立运行的仿真APP，并上传至云端服务器。让拥有专业知识的教师对一特定模型进行建模，根据教学进度进行调整后打包成APP发放给学生，或是进行在线学习。学生面对的是相较于直接建模，非常简洁的操作界面，仅需设定几个参数，即可获得精确、全面的仿真结果，而不需要完全掌握高深的计算流体力学知识[4-8]。

三 以单级离心泵内流场可视化及性能曲线为例的APP教学

离心泵作为一种通用机械，在工程实践中应用广泛。而单级离心泵作为结构较为简单的泵型之一，经常作为学生的课程设计题目，在流体机械教学中占比很大。下文将以单级离心泵为例，叙述通过COMSOL仿真平台构建完整的仿真程序，并编译封装成为可跨平台独立运行的APP，使得学生通过简单的操作就能观察学习到离心泵中的速度分布，压力分布以及特性曲线。

（一） 虚拟仿真平台的建立

泵的转速一般能达到几千转每分钟，这使得泵内流体雷诺数较大，惯性力对流场的影响大于粘滞力，且属于湍流的研究范畴，故本文选择模型作为泵内流场可视化的湍流建模[9]。为加快收敛，泵的出口段与进口段采用较大的网格，而泵叶片处则使用较密的网格以保证结果准确性[10-11]。控制方程如下，其中(1)为涡粘模型，(2)为关于k的湍流动能方程，(3)关于的扩散方程，

由于使用三维模型，故建模过程非常复杂及耗时。除此之外，大量边界条件以及参数，结果显示所需的方程的设置，都需要相当的计算流体力学专业知识支撑。图1为软件的建模界面，图2及图3为编译封装后APP的操作界面。可以看到APP的操作界面相较于建模过程界面非常简洁，按钮与输入界面很少，并且突出对结果的展示。这样就能使学生专注于某些参数，如转速等对单级离心泵运行的影响。单击计算按钮后，APP就会在学生使用的终端或者云端服务器远程计算出结果，绘出事先设定好的中间截面处的压力云图、速度矢量图与特性曲线图。并且根据教学进度，教师还能随意增加减少参数选择,或增加三维速度矢量图和粒子追踪模块进一步可视化流场，让学生能够循序渐进地学习其原理并加深理解。

图1 建模界面

图2 仿真APP界面，转速为1450(rpm)时的压力云图、速度矢量图与特性曲线图

图3 仿真APP界面，转速为1550(rpm)时的压力云图、速度矢量图与特性曲线图

（二） 教学案例演示及讨论

图2和图3分别为泵转速为1450(rpm)和1550(rpm)时APP界面及模拟后的结果，其中左侧为压力云图和绝对速度矢量图，右侧为该转速下的泵特性曲线图。可以观测到两种转速下，压力由内向外逐渐增大；速度在叶片工作面附近最大，并且方向指向半径切向，与转向一致，体现了泵输送液体与使液体增压的功能。这表明仿真APP的结果是符合物理真实的。从右侧的特性曲线中可以看出，转速为1450rpm时，泵的最优工况点在500(L/min)处，此时扬程为14(m)，泵的功率为1.9(kW)，效率为64%；转速为1550rpm时，泵的最优工况点在540(L/min)处，此时扬程为16.8(m)，泵的功率为2.3(kW)，效率为61%。这表明通过增大转速，能够在拥有更大流量的同时获得更高的扬程，而效率基本一致。说明可以通过在小范围内调整泵的转速，来达到调整扬程与流量的目的。

由此，我们在这个简洁的APP界面，仅仅需要输入一个参数，即可获得该泵型指定转速下的设计工况，并且能了解某一固定截面上的压力与速度分布，这是现场实验难以实现的。除了利用内置好的结果处理方案，学生还可点击图2和图3中的“导出表格”按钮将重点研究的计算结果以表格形式输出。后期进一步利用专业数据可视化处理软件开展深入学习与研究。

通过上述分析，可将利用仿真APP辅助实验现场教学的优势概况为以下几点：

1.虚拟仿真技术是对现场实验的极大补充与拓展。由于流体机械内部结构流场难以直观可视化，实验时学生无法对流体机械内部的流场进行观察学习。而仿真APP中有丰富的结果后处理功能，可以从多种角度全方面演绎流体机械运行情况。达到与实验相辅相成，理论与实践有机融合的目的。

2.结合APP技术的虚拟仿真具有现场实验无法比拟的灵活性。教师能根据教学进度或学生能力修改APP的复杂程度，进行因材施教，使得不同专业背景的学生都能在较短的时间内学习到流体机械与计算流体力学的核心内容[12]。

3.虚拟仿真技术融入传统工科学科能够强烈激发学生自主学习的兴趣及能力。相较于传统教学，教师教一步学生学一步，在仿真APP中学生能主动修改参数，得到不同的结果并进行分析。在这样的过程中，能培养学生独立思考的能力，激发学生工程创新的意识。

4.仿真APP技术将复杂高深的物理数学知识与工程实际直接关联，降低了现代计算机技术与传统工科教学结合的门槛。让学生在高等教育初级阶段就能对所学的专业相关知识有了直观的认识。同时也大大拓宽了学生对基础科学的认识，鼓励学生打好数学与物理的基础[13]。

5.可独立运行的仿真APP的成功开发创新性地提出了符合中国国情的“实验室教学”在线化的解决方案。将仿真APP上传至云端的虚拟仿真平台后，学生在课堂学习之余都能访问虚拟仿真平台学习案例并与老师进行交流，实现数字资源的最大利用。尤其在疫情情况下，无法进行集中现场教学，该方案对保障传统工科学科教学质量就显得尤为重要[14-15]。

四 结语

随着新工科这一概念提出，国家助力高等教育强国建设，提出了对未来新型高级工程技术人员的要求，信息技术的快速发展也给教育改革提供了新的思路与方法。本文针对目前流体机械教学中弱势，提出了建立虚拟仿真平台，利用仿真APP辅助实验现场教学的方法，深化混合教学改革，增强“线上”教学的交互性。仿真APP通过切实的工程案例驱动学生学习相关理论知识，有助于培养学生的学习兴趣和创新能力，进而提高教学的效果和质量。并且利用创新科技体验激发学生学习基础数学与物理理论的热情，使得学生的知识不断发展，这对学生日后继续深造学习计算流体力学有着极大的帮助。此外，该平台不仅仅适用于流体机械的模拟，还可根据需求添加热、电、磁、光、声等模块，快速融入不同学科的教学中。事实已经证明，新工科与互联网的融合，同时也是未来教育最有价值及应用前景的方向之一。