能源與動力工程專業仿真實驗室建設探討

摘要：隨著科學技術的不斷發展，為了滿足社會對能源方向人才的需求，河海大學能源與動力工程實驗室根據專業特點，以培養創新性實踐人才為目標，擬建設一個專業性的多功能仿真實驗室，并對建設方案的構思及其方法進行了詳細闡述。能源與動力工程專業仿真實驗室最終將建設成為具有教學、科研和創新型的多功能實驗室。

關鍵詞：能源與動力專業；仿真實驗室；教學改革

中圖分類號：G482#8195；#8195；#8195；#8195；#8195；文獻標識碼：A#8195；#8195；#8195；#8195；#8195；文章編號：1007-0079（2014）18-0082-02

河海大學能源與動力工程專業（原熱能與動力專業）始建于1986年，經過近二十年的發展，該學科已經形成了電廠熱能動力工程、制冷與暖通空調和新能源與可再生能源三個方向的培養體系，同時該專業已建成熱工基礎、制冷空調節能、強化傳熱節能、流體力學、太陽能光伏與光熱、電廠仿真等多個實驗室。但是隨著科學技術的發展以及能源結構的不斷更新，現有實驗室存在的問題制約了專業的發展，實驗教學改革勢在必行。

一、實驗室存在的問題

1.實驗設備老化損壞

由于能源設備的不斷更新，現有的實驗設備明顯落后于市場設備，并且設備經常在高溫、高壓和潮濕的環境下運行，極易老化損壞。日常大量實驗室經費用于現有實驗設備的維護，實驗室新增設備經費不足，設備鮮有更新。

2.實驗設備價格昂貴，占地面積大，操作要求高

許多熱能設備成本很高，體積龐大，并且屬于高溫高壓工作的壓力容器，不適宜現場觀察和操作，有礙于專業課程理論學習和運行操作的實踐。

3.實驗時間過長

由于能源與動力工程專業的實驗往往涉及到加熱、冷卻等一系列的過程，采集數據需要等待比較長的時間，學生往往會不等實驗系統穩定就記錄實驗數據，甚至偽造數據，造成實驗教學效果不理想。

4.實驗過程很難培養學生的設計創新能力

能源與動力工程專業的實驗項目主要是以驗證性實驗為主，實驗教師講解，學生按部就班的操作，綜合性和設計性實驗較少，大大限制了學生自主能力和創新設計能力的培養，不利于發揮學生的主觀能動性，因此必須轉變傳統的實驗教學思想和教育觀念，使學生有充分參與和動手的機會，積極培養學生的實驗研究和創新設計能力，強化分析問題和解決問題的能力。

二、仿真技術的概述

仿真技術在工科教育特別是在實驗室教學中發揮著至關重要的作用。早在1928年，科學家艾德溫·林克就研制出了飛行訓練器，用來培訓新飛行員，該訓練器被認為是最早的仿真器材，并且在二戰期間發揮了重要作用。[3]如今，仿真技術已成為人類認識與改造客觀世界的重要方法，在關系國家實力和安全的關鍵領域，如航空航天、生物制藥、石油化工、核能等領域，發揮著不可或缺的作用。[4]仿真技術研究的重要性早已被國外的研究機構所重視，據不完全統計，美國、加拿大等十余個發達國家中，有三十余所高校和研究所從事建模與仿真方面的研究，有五所高校專門成立了仿真方面的實驗室，并且有六所大學授予建模與仿真學科的學位。[1]近十年來，我國的仿真技術也已取得了長足的進步，培養了一大批仿真科學技術學科的人才。據不完全統計，我國重點大學研究生中有近30%的學生從事與仿真技術相關的工作，這說明仿真技術在國內的發展已日趨成熟。

三、能源與動力工程專業仿真實驗室

仿真實驗室是虛擬現實技術應用研究中的重要載體，高校教育者很早就發現這種技術對于教學和科研具有極大的吸引力，它不僅具有極好的可移植性，同時也具有利用率高、易維護等諸多優點。河海大學能源與動力工程專業實驗室根據專業特點，擬建設一個可容納25人以上的計算機仿真機房，并從眾多商用仿真軟件中挑選出適合能源與動力工程專業本科生學習和使用的軟件，以供廣大學生進行學習和實踐。

仿真機房軟件的選取主要是從專業課程實物仿真和數值模擬分析兩個方面考慮。

1.實物仿真

專業課程實物仿真主要是對仿真實物進行操作、使用及維修，使學生對課堂理論知識有一個直觀的認識，鞏固課堂內容，增強學生的動手能力，提高學生分析和解決實際問題的能力，為今后的學習和工作打下基礎。例如，曾經做過水輪機發電機設備檢修三維可視化仿真設計。軟件選用Autodesk公司開發的三維動畫渲染和制作軟件3D Studio Max，該軟件建模功能強大，擴展性好，操作簡單，容易上手并且和其他相關軟件配合流暢，兼容性、軟件模型與動畫效果都非常好，能夠不經處理就投入使用。通過3D Studio Max制作水輪機發電設備的建模及動畫，表現整個設備檢修和拆卸過程，可以把書本上比較難懂的要點進行直觀演示，這對于能源與動力工程專業學生學習水力發電方面的課程是十分重要的。又如，針對絞吸船疏浚作業流程也進行了三維圖形仿真模擬，以荷蘭IHC公司Beaver 5014C型絞吸式挖泥船為原形，應用Blender 3D軟件完成了船體、絞刀臂和絞刀等部件的三維建模，并搭建了包括天空、水面與海底泥沙面等仿真場景。通過該模型的建立可以改善學生疏浚訓練的環境，提高訓練效率，[2]同時對于培養他們的協調能力，開拓其視野，豐富其知識結構等方面有著極其重要的作用。再如，對東方鍋爐生產的260t/h等級的DG260/9.81-1型循環流化床鍋爐進行建模仿真。軟件選擇SIMUCAD仿真平臺系統，該系統是上海帕瑪公司開發的構建在一定硬件基礎上的工程應用與教學軟件包，其軟件系統主要包括PIE、BAC、CONBAC等功能軟件和系統平臺；硬件系統主要包括工程師站、教練站、操作員站的工業控制用計算機及外圍輔助設備等。鍋爐系統模型包括燃燒室、分離器、回料裝置和點火室等部件的模型，通過組態模塊的開發和流體網絡的搭建，構建整個鍋爐側仿真系統。該系統能實時仿真現場各種操作，各工況參數正確平穩，精度能滿足現場要求，可以給學生校外生產實習前提供專門培訓，培養其實操能力，變被動為主動，大大地改善了專業實習的教學效果。

2.數值模擬

數值模擬主要是針對能源與動力工程專業的流動和傳熱等物理現象進行仿真，模擬其復雜的物理過程并得到合理的結果。例如，承擔了973計劃項目“槽式真空吸熱管的傳熱特性及強化換熱研究”中的部分課題，這其中需要對槽式太陽能集熱管內流動和傳熱進行數值模擬，研究中選用FLUENT軟件。該軟件是美國FLUENT公司于1983年推出的CFD軟件，現在已被ANSYS公司收購，但它仍然是目前功能最全面、適用性最廣、國內使用最廣泛的CFD軟件之一。它使用GAMBIT作為前處理軟件，可以進行二維和三維流動與傳熱分析。課題的仿真對象為康達新能源公司制作的CAMDA-PPT型高溫集熱管，通過對該集熱管進行三維建模，考慮熱流密度分布不均勻以及熱物理性質對流動傳熱的影響，對管內流體的流動和換熱進行仿真模擬，研究集熱管在不同工況下的熱力性能情況。通過對類似的實際問題進行分析，利用CFD軟件建模仿真，可以彌補專業教學中只強化基本原理講授而學生解決生產實際問題能力不足的缺陷，同時可以對能源方向的一些新設備、新現象進行建模仿真，并且引導學生將CFD技術應用到大學生科技創新項目中，培養學生分析和解決實際問題的能力，從而提高他們的實踐與創新能力。

因此，本著以學生為本的教育教學理念，在已有仿真經驗基礎上，筆者認為能源與動力工程專業仿真實驗室應該建成教學、科研和創新型的新型實驗室。在教學上，學生可以將課本上學到的知識通過虛擬實物強化認識，并進行實訓操作練習，增加視、聽效果。通過設計類似水輪機發電機設備檢修三維可視化仿真和絞吸船疏浚作業流程三維圖形仿真，靈活處理教材內容，強化實踐環節，從而提高學生的學習效率。在科研上，實驗室可以接納優秀的學生進行早期科研。為提高學生運用知識的能力和創新能力，實驗室向能源與動力工程專業提供了一批設計性實驗題目，如“槽式太陽能集熱管內流動和傳熱數值模擬”，由學生自己根據題目設計實驗方案，進行模擬仿真，最后寫出報告或者論文。同時提供開放式實驗室環境，幫助學生發揮聰明才智和發展個性，激發學生的科研興趣，學習和掌握科學方法，為以后成為科研性人才打下良好基礎。在創新上，可以在熟悉開發環境及原始系統設計的基礎上進行二次開發，同時對系統的穩定性進行測試和調試。能源與動力工程專業的學生有一定的編程基礎，但是探索軟件系統開發過程的能力不足，利用一個有著相當基礎、體系穩定、源碼開放的并且和專業相關的軟件進行實踐鍛煉，對于學生創新能力的培養是非常重要的。如上文提到的SIMUCAD仿真平臺，可以將專業課程中所提及的復雜系統分解為較為簡單的子系統，如鍋爐運行系統可以分解為風煙系統、燃料供應系統、汽水系統等子系統，學生可以針對各子系統進行二次開發，雖然仍有一定的難度，但是對于學生來說，可以提高編程能力，并且能夠熟練掌握各個熱力系統的整體結構和工作過程，為以后的學習和工作打下良好的基礎。

四、結束語

能源與動力工程專業仿真實驗室的建設將進一步改進本專業實驗室的布局與結構，形成基礎實驗與仿真實驗項目均衡發展的實驗教學體系，對提高學生的創新能力和動手能力，實現素質教育的目標將會起到積極的促進作用。

參考文獻：

[1]肖田元，范文慧，楊明，等.仿真科學與技術學科的人才培養與社會需求[J].系統仿真學報，2009，（21）：5281-5288.

[2]張安鴻，倪福生.絞吸船三維圖形仿真與變速控制研究[J].系統仿真學報，2010，（22）：1520-1523.

[3]Lyle D.Feisel，Albert J.Rosa. The role of the laboratory in undergraduate engineering education[J].Journal of Engineering Education，2005：94，121-131.

[4]J. Baher. Articulate virtual labs in thermodynamics education： A multiple case study[J].Journal of Engineering Education，1999：88，429-434.

（責任編輯：孫晴）