基于數(shù)值模擬的《普通化學(xué)》實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)研究*

張東令，王建利，李曉東，王敬飛，趙方偉，姜忠峰

(1 大連市市政設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，遼寧 大連 116011；2 平頂山市財經(jīng)學(xué)校，河南 平頂山 467000；3 襄城縣環(huán)境保護(hù)局環(huán)境監(jiān)測站，河南 許昌 461700；4 河南城建學(xué)院市政與環(huán)境工程學(xué)院，河南 平頂山 467036)

2020年1月我國爆發(fā)新冠肺炎疫情，抗擊新冠肺炎成為了全國人民的首要任務(wù)[1]，新形勢下快速發(fā)展起來的線上教學(xué)讓高等教育教學(xué)面臨了新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇[2]。《普通化學(xué)》課程是我校化學(xué)工程與工藝、給排水科學(xué)與工程等專業(yè)開展的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，結(jié)合我校發(fā)展規(guī)劃和專業(yè)特色，該課程開展有水質(zhì)檢測、配位化合物和沉淀池處理性能等實(shí)驗(yàn)，在線上教學(xué)開展的同時，實(shí)驗(yàn)課程的高效完成成為了教師和學(xué)生共同面對的又一難題。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是基于信息技術(shù)的一種全新的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑梢猿綄?shí)驗(yàn)條件的限制，有效解決了線上教學(xué)時實(shí)驗(yàn)課程無法有效完成這一難題[3-4]。

目前我校教學(xué)中對《普通化學(xué)》課程下沉淀池處理性能研究的實(shí)驗(yàn)是依靠相似準(zhǔn)則建立相關(guān)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，但實(shí)驗(yàn)過程需在現(xiàn)場進(jìn)行，無法滿足線上實(shí)驗(yàn)的需求[5]。隨著計算流體力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)的發(fā)展，學(xué)者開始利用數(shù)值模擬方法對沉淀池的運(yùn)行工況進(jìn)行模擬，Goula等[6]采用CFD原理并依托Fluent軟件對進(jìn)水溫度變化下沉淀池內(nèi)懸浮物的沉降效果進(jìn)行了模擬研究；Lakehal等[7]采用二維非正交網(wǎng)格上的k-ε湍流模型，對沉淀池徑向截面內(nèi)的流動和沉降過程進(jìn)行了模擬，發(fā)現(xiàn)不同的流變、沉降和擴(kuò)散輸運(yùn)參數(shù)或方法對高速區(qū)和高梯度區(qū)產(chǎn)生較大影響，從而造成不同的污泥覆蓋層高度；馬魯銘等[8]通過計算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)了對二沉池流態(tài)的模擬，解決了二沉池流態(tài)難以測定的難題；何國建等[9]基于標(biāo)準(zhǔn)k-ε紊流模型，通過改變擋板高度對二維平流沉淀池進(jìn)行模擬，得出影響懸浮物質(zhì)去除效率的重要因素之一是流場中回流區(qū)的大小；曾光明等[10]通過建立渦量-流函數(shù)控制方程與實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比，得出渦量-流函數(shù)法可以成功地應(yīng)用于沉淀池的數(shù)值模擬研究；蔡金傍等[11]利用前人已建立的二維沉淀池數(shù)學(xué)模型，模擬改變平流沉淀池?fù)醢宀贾梦恢谩⑷胨疃龋M(jìn)口流速等條件對沉淀池流態(tài)的影響。

諸如上述學(xué)者的研究，采用數(shù)值模擬方法對沉淀池的處理性能進(jìn)行模擬研究，不僅節(jié)省了大量的人力、物力與財力，還可以提高沉淀池的處理效率[12]。基于此，為了應(yīng)對《普通化學(xué)》線上實(shí)驗(yàn)課程的需求，把數(shù)值模擬方法與虛擬仿真技術(shù)相結(jié)合建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，突破實(shí)驗(yàn)操作空間和條件的限制，使實(shí)驗(yàn)課程的線上教學(xué)順利完成。

1 研究方法

1.1 計算流體力學(xué)(CFD)

計算流體力學(xué)是根據(jù)流體的三大基本控制方程，通過計算機(jī)軟件模擬以獲得某種流體在某一特定的條件下的有關(guān)信息，從而實(shí)現(xiàn)用計算機(jī)來代替特定實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ屯瓿煞抡嬖囼?yàn)，目前該技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于熱能動力、土木水利、航空航天與環(huán)境工程等領(lǐng)域[13-14]。

CFD技術(shù)是用特定的數(shù)值計算方法原則對所建立的研究模型的偏微分方程離散化處理，并通過數(shù)值模擬計算，求解按照流體運(yùn)動的基本控制方程建立的離散方程組，獲得能夠反映出工程工況情況的結(jié)果和圖像[15]。CFD技術(shù)應(yīng)用面廣，適應(yīng)性較強(qiáng)，對于較復(fù)雜的流動問題可以比較有效且精確的找到數(shù)值解，對不具備實(shí)驗(yàn)條件的實(shí)驗(yàn)，可以利用計算機(jī)進(jìn)行模擬，從而節(jié)省了大量的人力、物力和財力[16]。

1.2 Fluent軟件

Fluent軟件是當(dāng)前比較廣泛使用的CFD軟件。由于Fluent軟件采用了多種形式的求解方法與多重網(wǎng)格加速收斂的技術(shù)，因此具有較高的求解精度、較快的收斂速度。Fluent軟件依靠其多變的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，基于解的自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)，較成熟的物理模型，強(qiáng)大的前、后處理功能，在多相流、材料加工、航空航天、汽車設(shè)計、天然氣石油、渦輪機(jī)工程等方面都有著較為廣泛的應(yīng)用[17-18]。

Fluent軟件的基本功能主要有：前處理，設(shè)置與計算，后處理；

(1)前處理：主要用于建立幾何模型及網(wǎng)格的生成；

(2)設(shè)置與計算：進(jìn)行計算設(shè)置與求解，該步驟為數(shù)值求解的核心，主要功能是對控制方程進(jìn)行離散求解;

(3)后處理：對模擬計算出的結(jié)果進(jìn)行顯示與輸出，以便于觀察與分析。可通過CFD-post、Tceplot等后處理軟件進(jìn)行。

1.3 虛擬仿真技術(shù)

虛擬仿真技術(shù)是基于計算機(jī)信息技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，創(chuàng)建一個虛擬可視系統(tǒng)來模仿另一個真實(shí)系統(tǒng)的新型技術(shù)。其逼真性和便捷性在用戶實(shí)際運(yùn)用過程中得到了良好的體現(xiàn)，目前虛擬仿真技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在工程建設(shè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)研究以及環(huán)境生態(tài)保護(hù)等領(lǐng)域[19]。

2 斜管管徑變化對沉淀池處理性能影響的實(shí)驗(yàn)研究

2.1 確定復(fù)合沉淀池運(yùn)行工況

本實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)的研究斜管不同管徑下沉淀池的沉淀效果，以優(yōu)選出最適宜的斜管管徑。通過相關(guān)研究資料可知，斜管沉淀池的斜管管徑一般取50～90 mm，因此，假定復(fù)合沉淀池的其他擋板深度為2 m、斜管管徑設(shè)定3個工況分別為工況1：0.05 m、工況2：0.07 m和工況3：0.09 m，通過改變復(fù)合沉淀池斜管的管徑來改變復(fù)合沉淀池的流態(tài)，

各工況的局部網(wǎng)格劃分圖如圖1～圖3所示。

圖1 工況1時斜管處網(wǎng)格劃分圖

圖2 工況2時斜管處網(wǎng)格劃分圖

圖3 工況3時斜管處網(wǎng)格劃分圖

2.2 各工況流速云圖分析

沉淀池沉淀效果的好壞主要體現(xiàn)在其水流流態(tài)的穩(wěn)定性上，而流態(tài)的穩(wěn)定性是由觀察沉淀池內(nèi)的旋渦與短流區(qū)情況得出的，因此基于Fluent軟件對沉淀池旋渦與短流區(qū)的流態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬，得出并分析其速度(Velocity)云圖。各工況下斜管區(qū)速度云圖如圖4～圖6所示。

圖4 工況1斜管區(qū)速度云圖

圖5 工況2斜管區(qū)速度云圖

圖6 工況3斜管區(qū)速度云圖

通過圖4～圖6速度云圖可以看出，改變斜管管徑對沉淀池的流態(tài)總體影響不大，工況2時的流態(tài)比工況1和工況3時略好一些。

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

為了更直觀的了解各個工況平流區(qū)與斜管區(qū)的速度的情況，也為了更直觀得出哪種管徑條件下更有利于復(fù)合沉淀池流態(tài)的平穩(wěn)性，在各個工況的平流區(qū)距進(jìn)水口5 m、10 m與15 m處設(shè)置三個斷面，在斜管區(qū)出口設(shè)置出口斷面(簡稱ck)，在斜管上部設(shè)置斜管上部斷面(簡稱xgsb)，在斜管下部設(shè)置斜管下部斷面(簡稱xgxb)，結(jié)合Reprot菜單下的Surface Integrals功能對沉淀池各斷面平均速度進(jìn)行分析，結(jié)果見下表，單位m/s。

表1 改變斜管管徑條件下復(fù)合沉淀池斜管區(qū)各斷面速度平均值表

結(jié)合各工況下流速云圖和斜管區(qū)各斷面速度進(jìn)行分析可以得出，當(dāng)沉淀池斜管管徑為0.07 m即工況2時，沉淀池的沉淀效果最為理想。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建

為了使復(fù)合沉淀池處理性能虛擬仿真實(shí)驗(yàn)得以實(shí)現(xiàn)，全方位展示不同工況下復(fù)合沉淀池的工作原理、結(jié)構(gòu)狀況和運(yùn)行時的流態(tài)狀況，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)建采用C++語言并通過Visual Studio工具進(jìn)行程序開發(fā)，同時采用強(qiáng)大的3DS MAX作為建模工具對不同工況下的流態(tài)狀況進(jìn)行建模，以實(shí)現(xiàn)復(fù)合沉淀池處理性能實(shí)驗(yàn)的全過程、多角度仿真。

基于實(shí)驗(yàn)的需求和虛擬仿真系統(tǒng)的特性，本研究中虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)共分為以下幾個部分：

(1)預(yù)習(xí)考試系統(tǒng)：系統(tǒng)內(nèi)有針對本實(shí)驗(yàn)的題庫，教師可對題庫進(jìn)行增、刪、改、查等操作；可以上傳實(shí)驗(yàn)相關(guān)資料供學(xué)生下載學(xué)習(xí)，可以設(shè)置做實(shí)驗(yàn)之前進(jìn)行考試以及考試成績的統(tǒng)計功能；

(2)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)分類級管理系統(tǒng)：支持無限極的虛擬實(shí)驗(yàn)分類，并且可以根據(jù)學(xué)習(xí)設(shè)計的分類規(guī)則進(jìn)行快速的添加修改等操作；

(3)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)：結(jié)合實(shí)驗(yàn)步驟和虛擬仿真技術(shù)建立虛擬實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可通過虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行操作，最終完成實(shí)驗(yàn)；

(4)作業(yè)提交系統(tǒng)：在學(xué)生做完實(shí)驗(yàn)后，可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)報告、圖片信息等提交，并有統(tǒng)計作業(yè)提交情況等功能；

(5)成績管理系統(tǒng)：教師將學(xué)生自測部分成績、實(shí)驗(yàn)報告成績分別設(shè)置權(quán)重比例，系統(tǒng)依據(jù)教師設(shè)定按課程、班級統(tǒng)計作業(yè)成績。

4 結(jié) 語

通過數(shù)值模擬理論對不同工況下沉淀池的運(yùn)行狀況進(jìn)行數(shù)值模擬，同時構(gòu)建包含復(fù)合沉淀池數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)高效精準(zhǔn)的完成了復(fù)合沉淀池流態(tài)分析理論研究，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)突破了時間和空間的限制，極大的滿足了新冠疫情肺炎下學(xué)生對實(shí)驗(yàn)教課程學(xué)習(xí)的需求，同時對其他實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)有著重要的借鑒意義。