三維數值模擬技術在水工建筑物課堂教學中的應用

摘 要 以多媒體為載體，通過三維數值模擬直觀生動地表現重力壩的整體結構及不同時期的溫度場分布，加深學生對重力壩整體結構的認識，以及弱導熱性材料和大體積結構造成的溫度問題，可為類似專業課的課堂教學提供有益的參考。

關鍵詞 重力壩 數值模擬 課堂教學

中圖分類號：TV3 文獻標識碼：A

Application of 3D Numerical Simulation Technology in

Class Teaching of Hydraulic Structures

ZHANG Yang[1]， QIANG Sheng[2]

[1]College of Hydraulic Science and Engineering， Yangzhou University， Yangzhou， Jiangsu 225009;

[2] College of Water Conservancy and Hydropower Engineering， Hohai University， Nanjing， Jiangsu 210098)

AbstractUsing multi-media as the supporter， the whole structure and temperature field distribution of gravity dam are presented intuitively and vividly by 3D numerical simulation. It can help students intensify the knowledge about the gravity dam's structure and the temperature problems caused by the poor conductivity of the concrete and the dam's large volume. This teaching way may bring a beneficial reference for the classroom teaching of related specialized courses.

Key wordsgravity dam; numerical simulation; classroom teaching

0 引言

隨著科技的發展、時代的變遷，多媒體教學逐漸取代了傳統的板書授課，以圖文并茂、聲像俱佳的形式呈現在學生面前，從而將課堂教學引入一個全新的境界。水工建筑物是水利水電工程專業一門重要的專業課，由于課程內容廣泛且與生產緊密結合，很多知識點不易在課堂內理解，再加上大型水工建筑物多處于城郊或偏遠山區或，在日常生活中不多見，因而學生的感性認識較少，給課堂教學帶來一定的困繞。同時，對于結構的內部存在的物理變化，無法通過照片、錄像等教學方式進行解釋。因此，對某些不易理解的知識點，有必要結合更為先進的技術，以獲得良好的教學效果。

針對這一問題，筆者嘗試在授課過程中結合工程實例，利用三維數值模擬技術以直觀地、清晰地方式再現重力壩的整體面貌與考慮時間效應的溫度場演變過程，給學生以直觀的感受，引導發揮想象、積極思考，有效提高課堂教學的質量和效率。

1 數值模擬數技術

三維數值模擬主要是通過核心計算程序及前、后處理模塊直觀地、生動地再現已知現象、預測未知情況。該方法具有靈活性、方便性及可重復性，已在結構工程、巖土工程、橋梁工程、磨具制造等專業領域內廣泛應用，并逐漸被引入到教學領域。本文單純從教學角度出發，以ANSYS軟件為例說明三維數值模擬技術在水工建筑物課堂教學中的應用。

2 應用舉例

針對水工建筑物中“重力壩混凝土體積大、溫控問題突出”這一知識點，以國內某電站的攔河壩為例，應用 ANSYS軟件進行實體建模和溫度場仿真模擬，向學生直觀地展示不同時刻壩體橫截面溫度場云圖，使其深入理解重力壩內施工期水泥發熱及混凝土材料導熱性差造成的內部溫度不易散去這一現象。

2.1 工程概況

該電站上世紀五十年代建成，攔河壩為混凝土空腹重力壩，壩頂全長153米，最大壩高67.5米，最大壩底寬度58.3米。

2.2 實體建模與網格剖分

仿真計算以其中一個溢流壩段為分析對象，采用ANSYS建模。模型中：壩前地基長度、壩后地基長度以及地基深度均取為兩倍壩高，壩體大小符合實際尺寸。模型完成后，共劃分有限單元28276個，節點37593個，具體網格見圖1。

2.3 混凝土熱學參數

整個壩體含5種標號的混凝土。其主體結構混凝土絕熱溫升值為： = 25.18（1-）℃，其中為混凝土齡期。

2.4 邊界條件

壩體兩個側面、基巖底部及其四周取為絕熱邊界，裸露在空氣中的表面按照第三類邊界條件計算。

2.5 三維數值仿真結果

該壩段施工期歷時14個月，于1957年春季施工結束。圖2為施工結束后1個月時的整體溫度場云圖，圖3為1970年11月的溫度場云圖，圖3為1985年12月溫度場云圖。

2.6 教學效果

通過以上重力壩的三維實體模型的演示，學生對重力壩的形狀和基本構造有了更加直觀、清晰的認識。從不同時刻的溫度場云圖，不難發現：混凝土的表面溫度主要受外界氣溫影響，而內部溫度下降緩慢，施工完一個月，壩體表面溫度為10℃左右時，內部高溫仍在30℃以上（詳見圖2），最大內外溫差達20℃以上。由圖3可見，當該壩段運行15年后，即便是表面遭到寒潮冷擊后，內部高溫仍在20℃以上，這充分說明混凝土材料的導熱性差，內部熱量不易發散。若不采取任何溫控措施，依靠自然降溫將是一個非常緩慢的過程。除此之外，過大的內外溫差會給結構帶來一系列不利的影響。

3 結語

三維數值模擬技術在水利工程的教學中有著廣闊的應用前景。在計算機中，可以逼真地表現水工建筑物的整體結構，生動地再現結構內溫度場、滲流場、應力及應變的發展過程、變化規律。所以，將三維數值模擬技術與水工建筑物教學有效結合，以多媒體為載體，將教學中難以理解的理論知識以生動的畫面展現在學生面前，不僅能提高教學質量，而且還可以激發學生的學習興趣，增加利用數值仿真技術進行工程計算的意識，為以后的設計和科研工作打下基礎。

參考文獻

[1]朱伯芳.大體積混凝土溫度應力與溫度控制[M].北京:中國電力出版社，1999.

[2]王澤鵬，張秀輝，胡仁喜.ANSYS 12.0熱力學有限元分析從入門到精通[M].北京:機械工業出版社，2010.

[3]王勖成.有限單元法[M].北京:清華大學出版社，2003.