基于数值模拟的水力学实验教学改革与实践

杨 程 吕岁菊 王维红

(北方民族大学土木工程学院， 银川 750021)

一、引言

《水力学》是水利、土木、给水排水、环境、机械、化工等诸多工程专业重要的专业基础课[1]，具有较强的综合性和实践性。水力学课程的实验教学有培养学生全面素质的作用。教育部在《关于 2017-2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》中明确指出，要深入推进信息技术与高等教育实验教学的深度融合，不断加强高等教育实验教学优质资源建设与应用，着力提高高等教育实验教学质量和实践育人水平，开展虚拟仿真实验教学项目建设工作[2]。 因此，虚拟实验资源的建设是高等教育信息化和实验教学建设必不可少的组成部分[3]。

本校水利水电工程专业将《水力学》课程及实验课设置在专业主干课中，用于夯实学生的专业基础，培养学生的探索性思维。但是在教学中发现，目前该课程的实验教学仍存在诸多问题：一是实验仪器数量有限，每个实验的仪器有2-4台，个别实验仪器老化而不能正常使用；二是大多数实验仪器仅能完成验证性实验，不能充分调动学生的积极性，也不利于培养学生探索性思维；三是实验室现建有一个高精度变坡水槽，承担着教师科研和本科生创新项目实验任务，能够用于本科生实验教学的时间较少，而且本科生的课业负担较重，没有足够的时间学习使用水槽，导致教学中仍以老师讲解和操作为主。

数值模拟具有重复性好、条件易于控制、更加自由、灵活等优点[4]，已广泛应用于科研中，近年来也被引入到本科实验或实践教学中，辅助完成复杂或危险的实验教学[5-8]。 基于MIKE软件，将虚拟实验引入到《水力学》实验教学中，加深学生对相关理论知识的理解、培养学生的学习兴趣、主动性和解决问题的能力，也使学生掌握一种数值模拟技术。

二、实施的思路

基于本院教学和学生的基本情况，采取逐步推进的方法，将数值模拟技术引入到本科生的培养中。首先从大学生创新项目入手，以《水力学》课程中经典问题作为大学生创新项目的研究内容，验证将基于数值模拟技术的虚拟仿真实验引入本科生教学的可行性，并总结学生学习和使用数值模拟技术的经验。然后，根据《水力学》课程内容，选取合适的课程实验建设虚拟仿真实验资源，基于前期探索出的经验培训学生学习和掌握MIKE软件，进而开展虚拟仿真实验。具体的实施步骤为：

(一)验证可行性

在大学生创新项目选题申报时学生正在学习《水力学》课程，因此，若学生能够基于大学生创新项目学会相关数值模拟软件的基本操作，如地形构建、网格划分、数值模拟和简单的后处理，则可将此经验用在《水力学》课程的试验中。 因此，前期依托大学生创新项目，探索在本科生中开展数值模拟教学的可行性并总结经验。

基于学生的认知，选择简单的问题作为大学生创新项目的研究问题，如水槽中弯道水流的特征、丁坝(群)对水流运动的影响、圆柱绕流和突扩(突缩)等水利中常见的问题。

(二)变革教学理念

在老师的指导下，学生利用课余时间学习数值模拟软件的操作，完成大学生创新项目及虚拟仿真实验，并能够基于水力学知识分析数值模拟的结果。这种有益的探索，既可扩展学生的知识面，加深学生对理论知识的理解，提升学生的实践动手能力，也可极大的改变老师的传统教学观念，从而带动更多的老师将虚拟仿真实验引入到本科生的培养中，丰富教学手段，不局限于现有的实验条件。

(三)搭建项目团队及平台

依托现有的大学生创新项目成员，成立有水利工程专业背景的创新创业团队，吸纳水利水电工程专业各年级学生加入该团队。基于实验+数值模拟技术，团队指导老师带领学生申请并完成各级大学生创新项目，以该团队学生为骨干，带动本专业其他学生学习数值模拟软件的使用。从而在《水力学》《工程流体力学》和《综合实验》的实验教学中，实现虚拟仿真实验教学。

基于以上实施步骤，到目前为止，我院水利系已有多名老师参与其中，已成立了一个以数值模拟技术为基础的校级创新团队——“新工科创新创业团队”，该团队规模保持在80-100人/年，以水利水电工程专业学生为主，涵盖了水利水电工程专业四个年级的学生。 在团队指导老师的带领下，团队里的学生基本上掌握了MIKE软件的基本操作，已完成了多项以明渠中水工建筑物对水流运动影响为研究内容的大学生创新项目，为下一步在课程实验中引入虚拟仿真实验奠定了坚实的基础。

三、案例分析

按照以上思路，在依托大学生创新项目的探索过程中，笔者发现近几年学生学习和掌握数值模拟技术的速度有所提升，明显加深了相关理论知识的理解，而且部分学生在项目的研究中能够提出自己的想法。 主要原因：一是经过几年的摸索，指导老师积累了经验，在选题和指导学生方面更精准；二是学生间形成了传承，特别是成立了校级创新创业团队以来，高年级学生对低年级学生的传帮带效果明显；三是学生对专业知识有了更深的认识，使其学习兴趣和学习主动性有了一定的提升，特别是学生能够举一反三。下面是2021年学生完成的一个大学生创新项目，该项目是利用数值模拟手段，研究丁坝群中水流运动的特征。

(一)建立模型

该试验是利用数值模拟技术研究丁坝群对弯道水流运动的影响，在实施中使用了MIKE软件。首先由老师带领学生利用MATLAB软件编程计算出模拟区域的边界和内部散点坐标；然后学生将坐标导入到MIKE软件中，制作模拟区域的初始地形并进行网格划分，进而开展多个工况的数值模拟计算工作；最后导出监测断面的模拟数据，利用MATLAB进行画图分析数值模拟的结果。在这个过程中，不要求学生掌握利用MATLAB的程序编写，但是MIKE软件的操作和后处理，由学生独立完成。

图1 平面概况图

图2 弯道处网格图

选择文献[9]中的试验模型用于验证本项目的数学模型，该试验模型是一个60°的弯道，水槽为矩形横断面，高0.4米，宽0.6 m；弯道的内侧壁面半径为1.2 m，外侧壁面半径为1.8 m；上游入口直段长2 m，弯道出口直段长2 m。丁坝为非淹没丁坝，长L=0.15 m，高H=0.4 m，宽D=0.01 m，丁坝轴线与所在弯道曲线处的切线垂直，丁坝1和丁坝2间的距离是4 L，丁坝2和丁坝3间的距离是2 L。使用MATLAB软件画出水槽的平面布置图如图1所示，包括弯道、丁坝群和3个纵向监测断面(line1、line2、line3)及其上的16个监测点。然后利用MIKE软件制作模拟区域地形，并采用三角网格对计算区域进行划分，整个模拟区域共有5450个节点，10370个网格。其中弯道处网格如图2所示。

初始条件：进口流量为52 L/s，出口水深为0.25 m，全场初始水位0.25 m.边界条件：壁面边界按照无滑移处理，即流体与固体的接触面上，法向和切向上流体的速度为0。调试数学模型中的曼宁系数和涡粘系数，最终使得水位和流速的模拟值与实测值较为一致，如图3所示。

图3 模拟值与实测值对比图

(二)流场模拟结果及分析

3个丁坝的位置、挑角、宽度及流量和水位不变，改变丁坝的长度设置几个工况，详见表1所示。利用上一节验证后的数学模型开展数值模拟工作，各工况的流速等值线如图4所示，流场如图5所示，其中Li是第i (i=1,2,3)个丁坝的长。

表1 各工况参数表

(a) 工况1

(b) 工况2

(c) 工况3

(d) 工况4

(a) 工况1 (b) 工况2 (c) 工况3 (d) 工况4

通过图4和图5可清晰的展示丁坝的长度的变化对弯道流场的影响.如：由于受到丁坝群的阻挡，丁坝群附近的流速明显很小，说明丁坝(群)具有护岸的作用；减小丁坝1的长度将降低丁坝群的挑流效果，且丁坝群对岸附近流场变化非常明显；减小丁坝2的长度，丁坝群内原来的2个回流区连在一起，减小了丁坝群内水流的流速；由于前面两个丁坝的长度不变，而且丁坝1和丁坝2的间距两倍于丁坝2和丁坝3的间距。所以减小丁坝3的长度时，丁坝1和丁坝2附近的流场无变化，丁坝2后方的流场也没有明显变化。

图6是三个纵向监测断面上各工况流速值模拟结果的对比，其中纵断面位置见图1(b)所示.由图6可发现，工况2(减小丁坝1的长度)的流速明显与其他工况不同，这也说明改变第一个丁坝长度，对弯道中流场的影响最明显。

图6 纵向监测断面各工况流速值模拟结果对比

通过以上案例有几个方面的收获：一是补充、完善了现有的试验条件，在老师的指导下学生相对独立的完成了相关数值模拟工作，并能够利用所学专业知识完成简单的结果分析，验证了在本科生教学中引入虚拟仿真实验的可行性；二是加强、加深了学生对专业相关理论知识的理解.由实践带动理论、理论解释实践，让理论的学习不再空洞，也使学生了解了如何解决实际工程问题；三是学生学习新的技术，即MATLAB和MIKE软件的基本操作；四是学生可基于所学的专业知识和数值模拟技术，发挥其自主性。从而开展更广泛的数值模拟研究工作，也为学生进一步深造奠定了一定的基础。

四、结语

在水利水电工程专业的教学中普遍存在理论与实践不均衡的现象，很多普通本科院校无法给学生提供足够的现场实验条件或工程实践机会，导致学生对理论知识掌握不扎实、理解不到位，使实践教学效果大打折扣。而基于数值模拟技术的虚拟仿真实验则不受现实实验室条件的限制，且有省时、易于调整参数、成本低廉等优点，将数值模拟技术引入到《水力学》等课程实验教学中，对教学效果和本科生的培养将有以下几个方面的效果：

1.作为实验和实践课程的有益补充，基于数值模拟技术的虚拟仿真实验可丰富课程的内容、拓展课程的空间，能够可视化、立体化的表达相关专业课的理论知识，有助于学生加深对专业理论知识的理解和掌握，同时也有助于科研与教学的有机结合。

2.通过学习数值模拟技术，使学生掌握了新的技能，激发了学生对专业知识的兴趣，也提升了学生学习的自主性和积极性。

3.通过观察和分析数值模拟的结果，学生对水流运动和常见的水工建筑物有了更直观、更深的认识，有助于带动一部分学生主动思考试验方案的设计和优化，同时也培养了学生的实践动手能力和创新能力。

数值模拟技术可以作为虚拟仿真实验技术逐渐成为实验课教学的一个重要教学手段，能够较好的完成拓展实验或实践课的教学内容，能够有力推进水利水电工程专业本科培养的教学效果，提高学生的实践和创新能力，以后的教学实践中，还需要根据新的培养方案和教学模块等方面进一步探索和完善，以满足新时期对水利水电工程专业本科人才培养的需求。