換熱器動態(tài)性能測試虛擬仿真系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2024.22.042

摘 要 針對能源動力類專業(yè)實驗教學(xué)中存在的問題，構(gòu)建換熱器動態(tài)性能測試虛擬仿真系統(tǒng)，將理論教學(xué)與虛擬仿真實驗教學(xué)相結(jié)合，開展教學(xué)方式改革。以換熱器動態(tài)性能測試虛擬仿真系統(tǒng)為例，對虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)建設(shè)的思路和在教學(xué)中的應(yīng)用進行探索。

關(guān)鍵詞 能源與動力工程專業(yè)；換熱器動態(tài)性能測試；虛擬仿真系統(tǒng)；實驗教學(xué)；虛擬仿真實驗

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）22-00-05

0 引言

節(jié)能優(yōu)先、提高能源利用率是確保我國中長期能源供需平衡的先決條件。在碳達峰、碳中和背景下，未來能源產(chǎn)業(yè)急需多學(xué)科交叉和實踐能力、創(chuàng)新能力更強的應(yīng)用型人才。實驗是幫助學(xué)生理解專業(yè)基礎(chǔ)理論，培養(yǎng)其對復(fù)雜的能源與動力工程問題進行分析，并設(shè)計開發(fā)安全合理的解決方案能力的重要途徑。實驗教學(xué)對于提高學(xué)生素質(zhì)、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力具有至關(guān)重要的作用。

由于能源領(lǐng)域生產(chǎn)的不可間斷性和不可逆操作特性，學(xué)生無法進行現(xiàn)場學(xué)習(xí)，而在實際教學(xué)過程中，大多數(shù)能源動力類實驗需要達到熱平衡，加熱時間較長，實驗步驟較復(fù)雜，實驗系統(tǒng)傳熱過程無法直觀表達，給學(xué)生理解、掌握和鞏固專業(yè)知識，培養(yǎng)學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力帶來困難。虛擬仿真實驗可以很好地解決以上問題，并且具有不受空間和時間限制，可以模擬多種工況，可以進行反復(fù)實驗、研討等優(yōu)點，能夠?qū)崿F(xiàn)課前預(yù)習(xí)、課中學(xué)習(xí)、課后復(fù)習(xí)的教學(xué)閉環(huán)。利用虛擬仿真技術(shù)可以將理論教學(xué)和實驗教學(xué)相結(jié)合，是開展教學(xué)方式改革的一種新模式，是提升教學(xué)質(zhì)量的重要手段[1-3]。本文以換熱器動態(tài)性能測試虛擬仿真系統(tǒng)為例，對虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)建設(shè)的思路和在教學(xué)中的運用進行探索。

1 虛擬仿真實驗體系建設(shè)

目前，數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、協(xié)同化正成為工業(yè)界發(fā)展的趨勢。隨著能源系統(tǒng)的變革與發(fā)展，能源與動力工程專業(yè)核心課程如換熱器原理與設(shè)計、熱工測量及儀表等的內(nèi)容也在不斷拓展和更新，單純的傳熱過程或換熱器設(shè)備虛擬仿真軟件已難以滿足復(fù)雜熱量傳遞過程虛擬仿真的需求。山東科技大學(xué)能源與動力工程專業(yè)遵循工程教育專業(yè)認證要求，以學(xué)生的能力獲得作為評價教學(xué)成果的依據(jù)，不斷提高教學(xué)質(zhì)量，形成結(jié)構(gòu)認知—基本原理或操作虛擬仿真實驗—系統(tǒng)實訓(xùn)逐級遞進的虛擬仿真實驗教學(xué)體系建設(shè)思路，在學(xué)校虛擬仿真實驗平臺的基礎(chǔ)上構(gòu)建了以理論課程虛擬仿真實驗和實踐環(huán)節(jié)虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)為主的能源與動力工程專業(yè)虛擬仿真實驗教學(xué)體系，同時基于SimuWorks系統(tǒng)仿真平臺開展熱力系統(tǒng)仿真建模，用于學(xué)生專業(yè)綜合課程設(shè)計、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐等，如圖1所示。換熱器動態(tài)性能測試虛擬仿真系統(tǒng)是服務(wù)于專業(yè)基礎(chǔ)課傳熱學(xué)和專業(yè)核心課程換熱器原理與設(shè)計的虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)，對學(xué)生理解、掌握和鞏固傳熱過程、熱交換器的性能及動態(tài)測試在實際工程中的應(yīng)用起著非常重要的作用。

2019年10月，為適應(yīng)新時代行業(yè)和區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展對高等教育人才培養(yǎng)的需求，深化教育教學(xué)改革，落實《教育部關(guān)于深化本科教育教學(xué)改革全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的意見》《普通高等學(xué)校本科專業(yè)類教學(xué)質(zhì)量國家標準》和《山東省人民政府辦公廳關(guān)于推進新時代山東高等教育高質(zhì)量發(fā)展的若干意見》，山東科技大學(xué)啟動了本科專業(yè)人才培養(yǎng)方案修訂工作，形成了能源與動力工程專業(yè)2020版培養(yǎng)方案。在2020版培養(yǎng)方案中，傳熱學(xué)和換熱器原理與設(shè)計兩門課程里均有關(guān)于傳熱方面的實驗內(nèi)容。傳熱學(xué)是能源與動力工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，新版培養(yǎng)方案中，傳熱學(xué)課程由3個學(xué)分變?yōu)?.5個學(xué)分，總學(xué)時56學(xué)時不變，實驗由8學(xué)時變?yōu)?學(xué)時。換熱器原理與設(shè)計課程2個學(xué)分保持不變，總學(xué)時由36學(xué)時變?yōu)?2學(xué)時，實驗由4學(xué)時變?yōu)?學(xué)時。課堂教學(xué)學(xué)時和實驗學(xué)時均有減少，但是講解內(nèi)容和信息量卻在增多，教學(xué)內(nèi)容既要有理論知識，又要注重工程應(yīng)用，對教學(xué)模式提出新的要求，迫切需要構(gòu)建新的教學(xué)模式以適應(yīng)學(xué)時的調(diào)整。

新開發(fā)的換熱器動態(tài)性能測試虛擬仿真系統(tǒng)，對傳熱學(xué)、換熱器原理與設(shè)計課程實驗內(nèi)容進行了重組，將目標能力指標與實驗項目的內(nèi)容結(jié)合起來，在實驗內(nèi)容的設(shè)計上注重提高靈活性、學(xué)生選擇的自主性與創(chuàng)新性、實驗結(jié)果的準確性與規(guī)范性，旨在達到理想的教學(xué)效果[4]。實驗內(nèi)容如表1所示。同時引入先進的虛擬仿真技術(shù)方案，進行教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式的改革與創(chuàng)新，以建設(shè)高質(zhì)量、可共享的課程教案和課程教學(xué)改革方案。學(xué)校利用虛擬仿真技術(shù)，通過數(shù)據(jù)的可視化和多維表達、智能分析模型、真實模擬環(huán)境特性、提供多種交互手段等方法，以學(xué)校所在的地域和發(fā)展環(huán)境為依托，以素質(zhì)教育為核心，以培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力為關(guān)鍵，探索了一條有特色、有層次、虛實結(jié)合的虛擬仿真實驗教學(xué)改革道路。

2 換熱器動態(tài)性能測試虛擬仿真系統(tǒng)開發(fā)

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

換熱器動態(tài)性能測試虛擬仿真系統(tǒng)包括理論學(xué)習(xí)、結(jié)構(gòu)認知、練習(xí)、考核四個模塊，如圖2所示。

理論學(xué)習(xí)模塊主要包括實驗裝置說明和換熱器性能綜合測試實驗兩大部分，幫助學(xué)生課前預(yù)習(xí)，認識實驗系統(tǒng)裝置、換熱器，預(yù)習(xí)實驗?zāi)康摹嶒炘淼葍?nèi)容。結(jié)構(gòu)認知模塊幫助學(xué)生完成對幾種主要類型換熱器的結(jié)構(gòu)認知，具體包括板式熱交換器、U形管式熱交換器、固定管板式熱交換器、套管式換熱器、螺旋板式熱交換器、翅片管式熱交換器、板翅式熱交換器等七種形式的間壁式熱交換器，如圖3所示。練習(xí)模塊幫助學(xué)生熟悉實驗過程，如圖4所示。考核模塊主要考查學(xué)生完成間壁式換熱器傳熱系數(shù)測定實驗、換熱系數(shù)測定實驗、換熱器阻力特性實驗的情況。通過虛擬仿真實驗，學(xué)生可以進一步了解熱交換器的工作原理，了解影響換熱器工作性能的因素，熟悉流體流速、流量、溫度等參數(shù)的測量技術(shù)，掌握熱交換器換熱量和對數(shù)平均溫差的計算方法，比較順流和逆流不同流動方式對熱交換器性能參數(shù)的影響等。圖5、圖6展示了實驗過程中實驗數(shù)據(jù)儀表顯示界面圖和實驗場景部分管路界面圖。

2.2 實驗工作原理

換熱器動態(tài)性能測試虛擬仿真系統(tǒng)以換熱器為實驗對象，通過分析特定場景所需解決的核心問題并提出相應(yīng)解決方案來設(shè)計實驗內(nèi)容。進行結(jié)果評價時，通過定量計算及操作步驟給出線上實驗成績，學(xué)生提交實驗報告，教師根據(jù)實驗報告完成情況給出實驗報告成績，二者相結(jié)合評價學(xué)生對該部分實驗的掌握情況。通過該系統(tǒng)可以完成傳熱系數(shù)測定實驗、換熱系數(shù)測定實驗和阻力特性實驗。系統(tǒng)設(shè)計了用lt;1-2gt;管殼式換熱器、板式換熱器、套管式換熱器三種不同類型的換熱器，順流、逆流兩種不同流動方式來構(gòu)建不同的實驗場景。通過設(shè)定熱流體入口溫度、調(diào)整冷流體流量完成實驗過程冷、熱流體進出口溫度、壓力的測量，學(xué)生自主完成平均溫差、換熱量、傳熱系數(shù)的計算，并將結(jié)果輸入數(shù)據(jù)界面，與系統(tǒng)后臺根據(jù)算法完成的計算結(jié)果相對比，分析換熱器結(jié)構(gòu)、流動方式、進出口溫度、流量對傳熱性能的影響。

3 虛擬仿真實驗在教學(xué)中的應(yīng)用

3.1 虛擬仿真實驗與真實實驗相結(jié)合

實驗教學(xué)過程中，虛實結(jié)合的教學(xué)方法表現(xiàn)為課下虛擬仿真實驗與課上真實實驗相結(jié)合。以傳熱性能測試實驗為例，學(xué)生在課下先通過虛擬仿真實驗教學(xué)平臺上的換熱器動態(tài)性能測試虛擬仿真系統(tǒng)進行換熱器傳熱系數(shù)測定實驗，課上再利用綜合實驗平臺進行現(xiàn)場實驗。將教學(xué)目標細化，對每項實驗活動對應(yīng)的教學(xué)目標進行分析，通過目標驅(qū)動下的逆向設(shè)計、正向?qū)嵤┑姆椒ㄔO(shè)計和組織實驗[5]，充分利用虛擬仿真平臺實現(xiàn)過程考核與目標達成評價相一致。課前，學(xué)生根據(jù)實驗?zāi)康模ㄟ^虛擬仿真系統(tǒng)的練習(xí)模塊進行實驗設(shè)計與演練，通過演練對實驗過程進行分析總結(jié)，直至完成虛擬仿真實驗。課上，學(xué)生通過現(xiàn)場操作，對前期練習(xí)過程中出現(xiàn)的問題進行驗證和討論，認識到虛擬實驗和現(xiàn)實實驗的不同。課后，學(xué)生通過平臺提交實驗報告，教師根據(jù)學(xué)生線上實驗操作和線下實驗報告給出成績。實踐表明，這種課下虛擬仿真、課上真實實驗的教學(xué)方式，可以減少實驗時間，提高實驗質(zhì)量，加強學(xué)生對實驗原理的理解。學(xué)生在完成實驗的過程中也實現(xiàn)了分析問題、設(shè)計解決方案、使用現(xiàn)代工具、團隊協(xié)作、項目管理、溝通等方面能力的培養(yǎng)。

3.2 理論教學(xué)與實驗教學(xué)相結(jié)合

通過虛擬仿真實驗教學(xué)平臺可以把理論教學(xué)和實驗教學(xué)有機地融合在一起。虛擬仿真技術(shù)通過對數(shù)據(jù)的可視化和多維表達，打破了時間和空間的限制，對真實場景或設(shè)備進行模擬，提供多種交互手段，可以幫助學(xué)生深刻了解各種熱工設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、能源利用的原理及工作過程。換熱器動態(tài)性能測試虛擬仿真系統(tǒng)涵蓋了換熱器結(jié)構(gòu)認知、傳熱性能測試、對流換熱系數(shù)測試、阻力性能測試等多模塊知識點，在理論教學(xué)過程中引入虛擬仿真實驗過程，可以使學(xué)生真實體驗從實驗方案選擇到換熱器性能測試全過程的綜合實驗。一方面通過虛擬仿真課程體系的建立，對課程體系進行重組，建立起理論教學(xué)和實驗教學(xué)的聯(lián)系，打破以往理論教學(xué)和實驗截然分開的局面，通過對教學(xué)內(nèi)容進行優(yōu)化，解決了增多的教學(xué)內(nèi)容和減少的教學(xué)課時量之間的矛盾；另一方面，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強了其對理論知識的理解運用能力。

3.3 優(yōu)質(zhì)虛擬仿真實驗教學(xué)資源共享

虛擬仿真資源的網(wǎng)絡(luò)運行特性為資源共享提供了技術(shù)條件，同時也為虛擬仿真系統(tǒng)建設(shè)帶來了更多的用戶體驗和反饋，便于虛擬仿真實驗系統(tǒng)的改進完善。換熱器動態(tài)性能測試虛擬仿真系統(tǒng)通過山東科技大學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺初步實現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)實驗教學(xué)資源共享。換熱器結(jié)構(gòu)拆裝虛擬仿真實驗可以在換熱器原理與設(shè)計課堂教學(xué)過程中幫助學(xué)生理解換熱器的結(jié)構(gòu)，傳熱系數(shù)測定實驗可以在換熱器原理與設(shè)計課堂上幫助學(xué)生理解流動方式對傳熱性能的影響，也可以在傳熱學(xué)課堂上幫助學(xué)生理解綜合傳熱過程傳熱系數(shù)的測定原理。

4 結(jié)束語

換熱器動態(tài)性能測試虛擬仿真系統(tǒng)涵蓋了換熱器工作原理及結(jié)構(gòu)、平均溫差、傳熱系數(shù)、換熱系數(shù)、阻力性能等內(nèi)容，為能源與動力工程專業(yè)換熱器原理與設(shè)計、傳熱學(xué)，機械類專業(yè)熱工基礎(chǔ)等相關(guān)課程的學(xué)習(xí)和創(chuàng)新實踐課題提供了有效的平臺支撐。通過虛實結(jié)合的仿真系統(tǒng)實驗教學(xué)，實現(xiàn)理論教學(xué)、虛擬仿真實驗教學(xué)、工程實際的有機結(jié)合，幫助學(xué)生了解工程技術(shù)領(lǐng)域涉及的能量轉(zhuǎn)換規(guī)律和提高能源利用效率的有效措施，較好地鍛煉了學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的實踐和創(chuàng)新能力，為畢業(yè)目標要求的分析問題、設(shè)計解決方案、使用現(xiàn)代工具等目標的達成提供了有力支撐。

5 參考文獻

[1] 牟宗龍，萬志軍，張源，等.基于虛擬仿真技術(shù)的實驗

類課程資源建設(shè)及教學(xué)模式探索[J].教育教學(xué)論壇，

2020（1）：384-386.

[2] 楊慧婕，趙娟娟，汪穎，等.虛擬仿真實驗教學(xué)項目開

放共享探索與實踐[J].西部素質(zhì)教育，2022，8（11）：

102-105.

[3] 李紅嶺，高曉陽，賈尚云，等.虛擬仿真實驗教學(xué)模式

的探索與實踐[J].新疆農(nóng)機化，2022（2）：46-48.

[4] 郝川艷，鄭安琪，姜玻，等.實驗課程的混合學(xué)習(xí)方案

探討[J].教育教學(xué)論壇，2020（33）：326-328.

[5] 羅昊，景云，周瑋騰.基于OBE理念的國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)[J].實驗室科學(xué)，2022，25（1）：163-167.

*項目來源：2020年山東科技大學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)項目“換熱器動態(tài)性能測試虛擬仿真”（項目編號：XNFZ2020Y04）；2022山東省本科教學(xué)改革研究項目“雙碳背景下多學(xué)科交叉融合能源動力類應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式研究與實踐”（項目編號：M2022263）。

作者簡介：衣秋杰，通信作者，副教授；劉梅，高級實驗師；周振峰、倪鵬、郭蘭蘭，講師。