流體力學虛擬實驗平臺的建設與應用

趙紅曉， 聶國雋， 俞永輝

(同濟大學 a.航空航天與力學學院,b.國家級力學實驗教學示范中心,國家級力學虛擬仿真實驗教學中心,上海 200092)

流體力學虛擬實驗平臺的建設與應用

趙紅曉， 聶國雋， 俞永輝

(同濟大學 a.航空航天與力學學院,b.國家級力學實驗教學示范中心,國家級力學虛擬仿真實驗教學中心,上海 200092)

借助現代多媒體技術和商用軟件開發了同濟大學流體力學虛擬實驗平臺。利用網絡化的輔助教學平臺和多元化的教學手段，還原真實實驗，使學生能夠更加直觀地掌握流體的性能和實驗內容。全面提高和培養了學生的創新能力和實踐能力。虛擬實驗在全校土木工程、給排水工程和環境工程等10余個工科專業中使用，取得了良好的實驗教學效果。同時促進了精品實驗項目的建設，提高了實驗教學水平，推進了力學實驗中心和虛擬仿真教學中心的發展。

流體力學; Flex技術; 虛擬實驗

0 引 言

隨著信息化網絡技術的發展以及計算機虛擬仿真技術的日漸成熟，使得具有低成本、材料零消耗、可重復、可擴展性強、實驗內容表達豐富、可靠性高、共享性好且不受地域場地限制等的綠色環保的網上實驗訓練成為可能。虛擬仿真實驗教學在高校的應用日益增多[1-3]，如力學虛擬實驗[4-6]、機械虛擬實驗等[7-8]。虛擬實驗與真實實驗教學相結合，優勢互補，可以有效促進高校學生創新精神和實踐能力的提高[9-10]。

流體力學實驗是面向全校土木工程、給排水工程和環境工程等10余個工科專業的學生，每年參加實驗的學生約3 000多人時。流體力學實驗一般都會使用水、油等流體，容易發生滲漏現象，且存留在儀器內壁的水(污)垢難以清洗，這些都會影響后續實驗的效果和結果。學生在實驗中受到各種條件限制：如人多設備少、設備噪聲高、實驗管道老化滲漏、油液氣味重等，致使實驗和教學效果大打折扣，而虛擬實驗的開發對傳統流體力學實驗教學則是一個很好的補充。

1 流體力學虛擬實驗開發技術

虛擬實驗是指借助于多媒體、仿真和虛擬現實等技術，在計算機上所進行的對傳統實驗各操作環節的模擬和仿真[11]。流體力學虛擬實驗平臺是基于FLUENT、Pro/E、3DMAX等軟件和Flex技術開發的，Flex技術是Adobe公司開發的一種基于標準編程模型的高效RIA開發產品集，基于XML和MXML來定義客戶端界面，使用Action Script語言完成各類交互操作，通過服務器翻譯成swf格式后部署，并最終通過Flash Player運行[12]。技術框架如圖1所示。

圖1 Flex技術框架

1.1 流體力學虛擬實驗平臺建設

流體力學虛擬實驗平臺，是將其作為流體力學教學實驗的補充和替代，應具備較好的模擬和仿真流體力學實驗的能力[13]。以建立優質資源共享機制為核心，以信息化實驗教學資源建設為重點，旨在提升高等教育質量，全面提高學生的創新能力和實踐能力[14]。應具備以下的功能:

(1) 學生實驗功能。該功能是虛擬實驗系統的基本功能。虛擬實驗與相應的實驗原理、過程相一致，通過流體力學虛擬實驗教學系統，學生能夠進行流體力學課程的相關實驗。學生可在網絡平臺上選擇實驗項目、提交和下載實驗報告等。

(2) 教學功能。教師能夠將相關實驗項目的指導書，實驗演示視頻等資料上傳于網頁。可以查閱和批閱學生的實驗報告等。

(3) 實驗教學輔助功能。學生可在訓練平臺上進行實驗前預習、實驗后數據處理、實驗報告填寫和提交等工作。亦可觀看視頻教學、查閱實驗相關資料等。

(4) 實驗系統管理功能。系統管理員可以對實驗系統進行管理，如增加/刪除或打開/關閉實驗，設備參數的設定和修改，對系統的用戶進行管理，任課教師設置實驗的規則等。

通過以上分析，虛擬實驗系統的平臺結構見圖2。

圖2 流體力學虛擬實驗系統結構圖

1.2 流體力學虛擬實驗實現的方法

流體力學虛擬實驗的建立，需要通過系統建模,虛擬實驗運行界面和人機交互3個方面來實現。

(1) 系統建模。借助于Pro/E和3DMAX建模軟件，對各個實驗項目的裝置進行三維幾何建模。除了幾何建模之外，還需要對實驗過程進行物理建模和行為建模[13]。幾何建模只能簡單的建立虛擬實驗的實驗場景，通過物理建模，可以使虛擬實驗中的物體與現實中的物體的更一致。

由于流體力學實驗基本上都要用到水,故為了更真實表現出水流的狀態和流動規律,采用粒子系統(Particle System)來建立水流的動態物理模型。使用粒子系統，可以對一些模糊的過程進行模擬。例如，在流體力學虛擬實驗系統中的雷諾虛擬實驗，其主要實驗現象為水流流動狀態的變化，即通過改變閥門開度來實現水流從層流→臨界流→紊流，這個過程相對是比較復雜的采用隨機橢圓粒子模型可以較好模擬整個過程。

對于圓柱繞流實驗采用FLENT商用軟件模擬其在不同雷諾數下的渦量等值線圖，模擬了層流向紊流轉換過程，并與FLEX技術結合實現虛擬動畫顯示。

(2) 虛擬實驗網頁運行實現。通過畫圖軟件將三維實驗視圖轉成各個角度的PNG圖片，然后再導入到Flash平臺中，通過時間軸進行動畫播放，以達到3D效果。同時把PNG圖片與流態控制模型繪制成整體實驗，并配以適當的操作按鈕進行交互；利用Flex Sprite動畫組件來實現實驗中各個流體運動，最后生成SWF文件在Flash Player中顯示并加以播放。整個流體力學虛擬實驗界面、能量方程虛擬實驗和動量方程虛擬實驗界面分別如下圖3所示。

(a)

(b)

登錄鏈接：

http://lx-lab.tongji.edu.cn/vlab/vlab.oms?omsv=list&cid=4

(3) 交互界面的實現。利用HXML和Action Script語言來實現物體展示、場景表現以及人機交互等功能，并通過服務器技術實現Flex與后臺的通信。基于Flex的鼠標事件、Sprite動畫技術創建實驗模型相關的操作過程，記錄數據。當鼠標點擊實驗界面時，會產生相應的鼠標事件，根據事件和點擊對象來判斷顯示數據表格等界面，然后在相應的表格填入測量數據，記錄實驗數據。

2 流體力學虛擬實驗平臺的應用

目前，力學實驗中心流體力學虛擬實驗平臺建成并投入使用。流體力學虛擬實驗平臺已經在全校學生實驗教學中運行4年多，以課程建設、教材建設、教改項目研究為依托，進行較為深入的教學研究與實踐，取得了一系列理論與實踐成果。流體力學虛擬實驗系統的開發,促進了實驗教學手段的多元化發展，促進精品實驗的建設和對學生創新能力的培養。

2.1 虛擬實驗與真實實驗相結合

在實驗教學中采用虛擬實驗與真實實驗交融的教學手段,從不同角度、不同方式參加實驗訓練。學生經過虛擬實驗和實際操作實驗兩個環節的培養，可以更深刻理解和掌握課程的理論知識。

2.2 理論知識與工程實踐相結合

在虛擬實驗平臺設計時注重理論知識和工程實際相結合，啟發學生帶著問題做實驗，充分發揮學生的主動性和創造性。實驗中要求學生根據實驗現象，理論聯系實際，引導學生思考，鼓勵學生結合工程實踐，采用已有的流體力學實驗教具，自主設計實驗項目：學生可以利用流量計測試實驗室水管的流量、流速等，引導學生利用實驗解決實際問題的能力，培養學生的“工程師”意識。

2.3 虛擬實驗與網絡化輔助教學相結合

為了與虛擬實驗平臺同步發展,實驗中心專門建設了資源豐富的網絡實驗教學平臺，充分發揮現代教育技術手段，以信息化帶動教學手段多樣化。實驗教學網絡資源主要包括虛擬實驗體系、教學視頻、教學大綱、實驗內容、實驗方法與手段、實驗教材等內容。學生可以根據自己的時間自主選擇實驗項目和實驗時間。網絡輔助教學平臺為培養學生的自學能力和創新設計能力提供了良好的實驗教學環境。網絡管理有效促進了師生的交流互動，提高了實驗教學的效率，提升了教學的效果。

2.4 建設精品實驗項目,培養學生創新能力

中心充分利用流體力學虛擬平臺和國家級力學虛擬實驗教學平臺的大環境，對流體力學實驗課程進行精品化建設。教學中注重實驗內容的新穎性和創新性，實驗手段的多樣性，讓學生有更多的創新空間和施展才華的機會。目前已經對“能量方程實驗”和“動量方程實驗”進行精品化建設，這兩個實驗屬于綜合性實驗，在建設精品實驗時從實驗設計、指導書、教學過程都由學生參與設計，教師只扮演指導角色。精品實驗的建設對其他流體力學實驗項目的建設起到了良好的示范和引領作用，激發了學生做實驗的興趣，使學生從被動做實驗到主動喜歡做實驗，充分培養了學生的創新能力。

3 結 語

流體力學虛擬實驗教學平臺的建設是對傳統實驗教學的完善、補充和拓展，是實驗教學改革和信息化建設的重要內容。流體力學虛擬實驗教學平臺拓展了實驗教學領域，豐富了實驗教學內容，提高了實驗教學水平，促進了學生創新思考能力的培養。后續的工作將會開發更多的流體力學虛擬實驗教學項目，以推進國家級力學虛擬仿真實驗教學中心和力學實驗示范中心的建設，將在更大范圍實現優質教學資源的共享。

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Construction and Application of Virtual Experimental Platform of Fluid Mechanics

ZHAO Hongxiao， NIE Guojun， YU Yonghui

(a. School of Aerospace Engineering and Applied Mechanics, b. National Mechanics Experimental Teaching Demonstration Center, National Virtual Simulation Experiment of Mechanics Teaching Center, Tongji University, Shanghai 200092, China)

The virtual experiment platform of fluid mechanics in Tongji University was developed by using modern multimedia technology and commercial software in this paper. The actual experiments of fluid mechanics were developed with the help of network auxiliary teaching platform and diversified teaching methods, made students to grasp intuitively to the performance of the fluid and the experimental content, and could fully improve and cultivate the students’ innovation ability and practice ability. It was exercised by students whom came from civil engineering, water supply and drainage engineering and environmental engineering and so on, more than 10 engineering professionals in Tongji University. It obtained excellent experimental teaching results. At the same time, it promoted the construction of fine experimental project, and improved the experimental teaching level, and promoted the development of mechanics experiment center and Virtual Simulation Experiment of Mechanics Teaching Center.

fluid mechanics; Flex technology; virtual experiment

2016-11-15

同濟大學實驗教改項目(1330104087,1330104100,1330104102)

趙紅曉(1972-)，女，河南郟縣人，博士，高級工程師，研究方向為固體力學和實驗力學的教學與研究。

Tel.：021-68982267; E-mail：zhx@tongji.edu.cn

O 35

A

1006-7167(2017)08-0122-03