虛擬仿真實驗在燃燒學教學過程中的應用實踐*

隋春杰 張斌 周艷

摘 要：燃燒的常規教學實驗在實施過程中面臨高危險性、高成本及自主性差的問題，為此青島科技大學建設了燃燒多參數同測虛擬仿真實驗云平臺。該系統以三維模型重建了逼真的燃燒實驗環境和實驗設備，完整再現實驗操作步驟，以沉浸式的人機交互操作使學生融入實驗，達到與真實實驗一致的學習體驗。同時，虛擬仿真實驗過程集成了理論知識學習、實驗步驟操作、學習效果考核、實驗臺參觀等環節，實現“理、虛、實”有機結合，使學生進一步加深對燃燒過程及燃燒理論的理解。

關鍵詞：燃燒;測量;實驗;虛擬仿真

中圖分類號：TK39;TP393 ? ?文獻標志碼：B? ? ? ? 文章編號：1673-8454（2020）20-0032-04

隨著社會對能源環保及火災安全的重視，越來越多的高校開設燃燒學課程。燃燒學涵蓋傳熱傳質學、流體力學、化學反應熱力學及動力學等內容，既強調基礎理論知識，又同生產實踐密切聯系。在燃燒學課程學習中，不僅要求學生具備較強的理論理解能力，而且要求較高的理論與實踐結合能力。燃燒實驗教學的開展，能夠使學生形象地認識動態燃燒過程，掌握燃燒的發生條件及現象，掌握各類燃燒設備的實現方式，更直觀地理解燃燒過程的發生機制[1]。然而，開設燃燒實驗課程在高校教學實驗室中面臨諸多問題。一方面，燃燒實驗往往涉及各類燃料等易燃易爆品，具有較高危險性，在實驗用品的采購及儲存過程中也存在限制。另一方面，燃燒實驗系統復雜，燃燒火焰的數據采集設備價格昂貴，且存在維護困難的問題。因而，教學實驗限于條件難以普遍開展。即使已有一些較簡單火焰的實驗教學案例，但限于以上問題往往以演示為主，學生自主性較差，并且簡單實驗的采集數據少，不能完整表征火焰燃燒過程，教學效果差強人意。

虛擬仿真實驗是隨著信息化、智能化的發展而興起的一種全新的教學方式[2][3]，通過虛擬仿真實驗，學生的學習興趣及主動性有效提高，可取得更佳的學習效率[4]。虛擬仿真實驗應用在燃燒學教學實驗過程中，能夠以虛擬化手段構建逼真的燃燒實驗裝置，搭建完備的燃燒實驗平臺，實現真實燃燒實驗的效果。虛擬仿真實驗能夠在理論教學和實驗操作之間搭建起過渡的橋梁，貫通燃燒的理論基礎知識與燃燒實驗場景，具有極大的應用價值。目前已經有高校針對類似燃燒過程的危險實驗工況開設虛擬仿真實驗，如化學反應過程[5]、鍋爐內部燃燒過程[6]、石油工程油氣生產過程[7]等，但將燃燒數據的精準測量引入虛擬仿真實驗還未有報道，在燃燒過程的全數據分析方面有所欠缺。本文將以青島科技大學正在開展建設的燃燒多參數同測虛擬仿真實驗云平臺為例，探索虛擬仿真實驗在燃燒學實驗教學過程中的應用實踐。

一、燃燒多參數同測虛擬仿真實驗系統

在燃燒設備中，為保證燃燒的持續，需采用不同方式的火焰保證燃燒的穩定，流動及傳熱傳質機理也不同，其中射流及旋流火焰是廣泛應用的兩種典型火焰形式。理解這兩種形式的火焰的燃燒過程是燃燒學教學中的重點和難點，對其進行溫度和速度等參數的實驗測量，完成燃燒過程的全數據分析是對燃燒理論學習的有效補充，讓學生形象并且深入地掌握這兩種典型火焰結構，進而加深對燃燒理論知識的理解。

燃燒多參數同測實驗系統的構成復雜，包含燃燒系統、測速系統以及測溫系統等。燃燒系統包含燃燒器、燃氣和空氣供應系統，涉及易燃易爆品，常規實驗操作具有較大危險性。燃燒場的速度測量采用了Particle Image Velocimetry（PIV）系統，又稱粒子圖像測速系統，由計算機、同步器、CCD相機、激光器組成，系統結構復雜，包括易損精密儀器，且價格昂貴，難于開展學生普遍參與操作的常規教學實驗。燃燒場測溫運用光偏折計算層析技術，即Computed Tomography（CT）測溫系統[8]，其對實驗系統調試的精度要求極高，調試系統所花費的時間甚至可能超過一天，若進行常規實驗則嚴重影響教學進度。

針對以上在常規實驗中所遇到的問題，我校開發建設了燃燒多參數同測虛擬仿真實驗系統。通過對燃燒實驗室以及實驗系統各部件進行幾何模型測繪并三維重建，基于杭州萬維鏡像科技有限公司的VeryEngine技術，完成了實驗系統的虛擬化、程序化。虛擬仿真實驗系統內搭建了生動的實驗環境、完備的實驗系統和逼真的實驗裝置組件，達到虛擬仿真實驗的沉浸式體驗，精準還原燃燒實驗的全程操作。如圖1—3分別為燃燒多參數同測實驗系統的實物圖像以及虛擬仿真實驗系統的程序截圖。

燃燒多參數同測虛擬仿真實驗系統將實驗教學與理論學習緊密融合，在系統建設的同時注重細節。針對燃燒系統所包括的甲烷氣瓶、電磁閥、流量計等各部件，虛擬仿真實驗系統內均設有鼠標指向提示，學生可在實驗過程中即時獲取這些部件的信息。PIV測速系統是一種先進的瞬態、多點、無接觸式測速方法，通過時間相近的兩個瞬態流場內示蹤粒子的位置信息，計算獲得流場的速度分布信息。CT測溫系統通過電腦控制的拍攝軟件獲得火焰圖和被火焰偏折的莫爾條紋圖，通過偏折角的修正和重建，實現燃燒場內溫度分布測量。PIV測速原理及CT測溫原理均在虛擬仿真實驗系統內以白板講解的形式展現，如圖4所示。

燃燒多參數同測虛擬仿真實驗配建虛擬仿真云學習平臺，學生在云平臺上以操作電腦的形式開展虛擬仿真實驗，達到接近常規實驗的效果，并在完成虛擬仿真實驗之后參觀燃燒實驗室，觀察實驗系統各部件實物，實現“理、虛、實”有機結合，提高實驗教學效果。

燃燒多參數同測虛擬仿真實驗面向能源與動力工程、新能源科學與工程專業的大二或大三學生，要求學生具備燃燒學、流體力學、傳熱傳質等理論知識。通過實驗，要求學生加深理解燃燒理論基礎知識，掌握實驗平臺的安裝與調試過程，完成實驗基本步驟，掌握準確記錄并處理實驗數據的方法，能夠用實驗的基本理論與數據對實驗所得到的燃燒過程加以說明，進而掌握射流及旋流火焰燃燒特征。燃燒多參數同測虛擬仿真實驗具有高自由性、高獨立性、全開放、可回溯、安全穩定、資源占用低的特點，并且在實驗過程中可實現教師一對一輔導，提高了學生實驗掌握程度及理論知識學習深度。圖5、圖6展示了虛擬仿真實驗教學過程以及學生參觀實驗室過程的照片。