虚拟仿真技术在能源与动力工程专业中的应用

一、引言

能源与动力工程专业由多学科构成, 即包括现代能源科学技术, 又涉及热能动力设备及系统的设计运行、制冷空调、能源高效清洁利用和新能源利用等工作, 着重培养知识面广、基础扎实的复合型人才。因为其综合性强, 在本科教学过程中开设了大量实践及实验课程来配合课堂教学。传统的实验室教学受限于场地及安全防护限制, 不能实现所有实验课程。同时一些工程实践课程主要依赖费用高昂的实验设备, 前期投入大、后期维护费用高, 还要面临现有设备老化严重, 更新落后于现实需求等多方面困难, 严重影响教学质量。另一方面, 受时间地点限制, 授课教师很难在有限的时间内细致的指导大批的学生同时进行实验, 而学生在独立实验过程中又难以对实验的所有步骤及知识点进行完全掌握, 教学目标难以达到。再者, 有些实验设备工作温度高、压力高、介质有害, 学生在高温高压的环境下完成实验, 对人身安全和设备安全都存在隐患。

上述原因致使能源与动力工程专业的实践实验教学不能仅仅依靠传统教学模式, 要充分利用多种教学模式综合进行。

二、虚拟仿真实验平台的搭建

通过构建相关课程虚拟仿真实验平台, 可有效弥补传统实验室的弊端及不足。平台主要有硬件系统、软件系统和实验教学信息系统三部分构成。

硬件系统用于支持软件的运行、模型演示和人机交互、仿真结果的模型验证, 以及系统与设备仿真模型的建立、仿真系统的运行和进程管理、仿真结果的输出和显示;软件系统含有三维建模工具软件、虚拟现实开发软件、虚拟现实交互软件等工具软件, 用于教学的虚拟模型是利用上述工具软件针对特定的系统和设备开发的应用软件, 可以根据虚拟仿真实验教学的需要灵活地扩展或者更新。实验教学信息系统将学校现有的实验设备信息、实验室信息、实验指导教师信息、各类基础实验项目等信息进行合理有机的整合, 通过实验设备管理、实验项目管理、实验课程管理、实验成果管理等4大模块实现学校教学实验项目的合理有序进行。该系统可涵盖了实验教学和实验室管理所需的各项主要功能, 包括实验设备的查询、调用、配置, 实验项目的整合、申报和审核, 实验课程的信息发布、课程学习、网上交流和成绩评定, 以及实验成果的查询和展示等功能。

三、虚拟仿真教学课程的实现

能源与动力工程专业中有大量课程实践或实验, 如冷库、燃气系统、暖通空调、锅炉、太阳能发电站等等。这些实验都要占据大量的试验场地, 有些还有一定危险性, 因此, 在进行课程实践或实验时, 部分实验只能从原理层面来学习, 不能进行动手实验。

如冷库的运行调节时间课程。多数冷库使用的是氨制冷系统, 由于实验场地及制冷工质物理、化学性质等诸多因素的限制, 多数设备无法为学生提供实体原理操作、设备拆装等教学内容。冷库用大型氨制冷系统虚拟仿真实验软件, 可让学生在计算机房或者网络访问虚拟仿真实验室中心下载安装虚拟仿真软件。在接近真实的场景、数据、可操作设备的虚拟世界里面, 在避免学生接触高温高压的设备以及有高危性的工作介质的安全环境里进行实验操作、学习。

制冷实验仿真软件是一款通过三维、立体的形式来学习氨冷库制冷原理的软件。通过三维虚拟建模、后台数据实时仿真等技术手段, 在与实际场景相结合的基础上, 完整呈现冷库制冷系统基本原理及实验操作流程。使学生在安全环境中进行设备调节、系统实验等教学内容。可实现制冷系统原理教学、加氨原理教学、系统工况调节实验、系统效率优化实验、压缩机拆装实验等多个教学项目。通过空间定位操作及自动寻路功能, 学生可完整学习氨制冷系统组成原理。通过系统加氨演示, 学生可以直观学习加氨罐车、摇臂等重要设备的运行以及配合流程。

本实验软件的设计目的就是在学生进入实地实验之前, 对现场实验进行预习, 或者部分替代现场实验减少实验时间, 降低安全风险。进行相关数据调节操作, 帮助学生更加深入了解制冷系统。学生可通过键盘、鼠标或VR眼镜、手柄等进行相关操作。实验软件依托于制冷基本原理搭建, 可通过对实验中各设备的操作及调节, 深入了解课程中相关理论知识, 加深学生对实际系统运行调节的认识与了解。实验平台由制冷仿真软件及压缩机拆装软件两部分组成, 可通过PC工作站运行, 搭配VR相关设备可进行身临其境的实验体验。本实验以实际冷库为场景进行预设, 以冷库实际运行参数作为运行参数, 构建了典型的螺杆式压缩机制冷系统。

实验过程中, 学生通过认识学习、调节实验等观察各设备具体参数变化, 了解制冷系统运行规律, 通过压缩机得拆装, 了解制冷压缩机的内部构造及组成原理。实验主要分为两个部分, 一是制冷系统虚拟仿真, 通过系统布局了解、加氨流程演示、压缩机调节、调节站调节、节流阀调节、泄露模拟、实验数据计算处理等超过50个步骤对氨制冷系统进行全面学习。二是压缩机拆装仿真实验, 通过介绍模式、学习模式、练习模式、考试模式等超过30个步骤对压缩机结构进行系统学习。

实验后, 通过获取实验数据, 要求学生编写实验报告, 重点对氨制冷系统各热力学参数的调节规律进行考核, 并要求能独立完成压缩机虚拟拆装操作。本课程主要面向制冷空调及相关专业的2-4年级本科生进行, 要求掌握流体力学, 工程热力学、传热学、制冷与低温技术原理、制冷压缩机、冷链等课程基本知识。实验过程中, 可通过阀门调节、设备启停等操作改变工况, 调节压缩机、蒸发器、冷凝器、贮液器、调节站等设备的运行参数, 获得温度、压强、焓差、强度、流量等仿真实验数据。

实现系统工况调节, 详细掌握各设备间影响关系, 探究不同工况下的COP变化, 深入学习制冷系统的优化方法。通过压缩机拆装实验, 使学生在安全、有序的环境下身临其境地对压缩机进行细致地结构认识、完成拆装学习等。

通过冷库虚拟仿真实验教学系统, 可配合《制冷与低温技术原理》、《制冷压缩机》、《冷链技术与工程》等多门空调制冷相关课程进行制冷系统实验教学。通过多种方式的学习, 掌握其中的知识点, 从而对冷库项目有一个较为清晰的认知。

四、虚拟仿真实平台的不足

虚拟仿真技术虽然可有效弥补实际实验的限制, 但其本身不能完全替代所有实验项目。一些实验过程更加简洁直观的实验项目更时宜用实际手段来实现, 如传热学实验、流体力学实验等, 这类实验一般规模比较小, 流程不复杂, 通过实际操作实验更能获得满意教学效果。而如果通过虚拟手段来实现的话, 一是浪费不必要的资源, 二是会使教学过程过于依赖虚拟手段, 使学生缺乏一定的实验动手能力, 这是与教学目标相背离的。

五、小结

近些年来, 虚拟仿真技术蓬勃发展, 将虚拟仿真技术应用到教育领域当中就是虚拟仿真教学。属于新型的教学模式, 通过计算机技术来创建虚拟现实环境, 应用工程案例辅助课程教学。与高校培养综合合性人才的目标相契合。因此, 采用虚拟仿真技术不仅可以提升学生的操作能力, 还能够培养学生的创新能力。因此, 这一技术在教学中发挥了重要的作用。能应用该技术的领域也越来越多, 能源与动力工程学科由于其综合性特点, 如将虚拟仿真实验同实际实验相结合, 取长补短, 可更好的发挥专业优势, 让学生对各门课程的知识点掌握得更加透彻、稳固。虽然我国的虚拟仿真实验教学在近几年取得了较大进展, 但是与一些发达国家在教学仪器使用、软件的开发等方面相比还存在不小的差距。

我国需要吸取国外先进技术在虚拟教学课程开发的先进经验, 有效地将虚拟仿真实验与实际实验课程相结合, 优化课程内容和教学方法, 加强对虚拟仿真技术的探究和实践, 使虚拟仿真技术能够推动教学的发展。虚拟仿真技术在不断的跟新和完善中, 虚拟场景与实际场景越来越接近, 随着技术的发展, 虚拟仿真实验必定可以实践及实验教学中发挥更大的作用。

摘要：能源与动力工程专业课程涉及制冷、供热、能源利用等多方面内容, 在教学过程中, 因为实验场地局限性、实验材料危险性及实验过程安全防护等原因, 致使部分课程实验或实践教学仅停留于认识学习而不能实际操作, 课程教学效果因此达不到理想效果。通过虚拟仿真教学手段, 可直观的向学生展示各种系统设备的构成, 引导学生在安全环境中全过程的参与系统调节及运行操作, 可与实际实验教学相结合, 互为补充, 完善课程教学方式, 充分提高课程教学效果。

关键词：能源与动力工程,虚拟仿真,教学