三維數(shù)值模擬技術(shù)在水工建筑物課堂教學(xué)中的應(yīng)用

摘 要 以多媒體為載體，通過三維數(shù)值模擬直觀生動(dòng)地表現(xiàn)重力壩的整體結(jié)構(gòu)及不同時(shí)期的溫度場分布，加深學(xué)生對重力壩整體結(jié)構(gòu)的認(rèn)識，以及弱導(dǎo)熱性材料和大體積結(jié)構(gòu)造成的溫度問題，可為類似專業(yè)課的課堂教學(xué)提供有益的參考。

關(guān)鍵詞 重力壩 數(shù)值模擬 課堂教學(xué)

中圖分類號：TV3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Application of 3D Numerical Simulation Technology in

Class Teaching of Hydraulic Structures

ZHANG Yang[1]， QIANG Sheng[2]

[1]College of Hydraulic Science and Engineering， Yangzhou University， Yangzhou， Jiangsu 225009;

[2] College of Water Conservancy and Hydropower Engineering， Hohai University， Nanjing， Jiangsu 210098)

AbstractUsing multi-media as the supporter， the whole structure and temperature field distribution of gravity dam are presented intuitively and vividly by 3D numerical simulation. It can help students intensify the knowledge about the gravity dam's structure and the temperature problems caused by the poor conductivity of the concrete and the dam's large volume. This teaching way may bring a beneficial reference for the classroom teaching of related specialized courses.

Key wordsgravity dam; numerical simulation; classroom teaching

0 引言

隨著科技的發(fā)展、時(shí)代的變遷，多媒體教學(xué)逐漸取代了傳統(tǒng)的板書授課，以圖文并茂、聲像俱佳的形式呈現(xiàn)在學(xué)生面前，從而將課堂教學(xué)引入一個(gè)全新的境界。水工建筑物是水利水電工程專業(yè)一門重要的專業(yè)課，由于課程內(nèi)容廣泛且與生產(chǎn)緊密結(jié)合，很多知識點(diǎn)不易在課堂內(nèi)理解，再加上大型水工建筑物多處于城郊或偏遠(yuǎn)山區(qū)或，在日常生活中不多見，因而學(xué)生的感性認(rèn)識較少，給課堂教學(xué)帶來一定的困繞。同時(shí)，對于結(jié)構(gòu)的內(nèi)部存在的物理變化，無法通過照片、錄像等教學(xué)方式進(jìn)行解釋。因此，對某些不易理解的知識點(diǎn)，有必要結(jié)合更為先進(jìn)的技術(shù)，以獲得良好的教學(xué)效果。

針對這一問題，筆者嘗試在授課過程中結(jié)合工程實(shí)例，利用三維數(shù)值模擬技術(shù)以直觀地、清晰地方式再現(xiàn)重力壩的整體面貌與考慮時(shí)間效應(yīng)的溫度場演變過程，給學(xué)生以直觀的感受，引導(dǎo)發(fā)揮想象、積極思考，有效提高課堂教學(xué)的質(zhì)量和效率。

1 數(shù)值模擬數(shù)技術(shù)

三維數(shù)值模擬主要是通過核心計(jì)算程序及前、后處理模塊直觀地、生動(dòng)地再現(xiàn)已知現(xiàn)象、預(yù)測未知情況。該方法具有靈活性、方便性及可重復(fù)性，已在結(jié)構(gòu)工程、巖土工程、橋梁工程、磨具制造等專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)廣泛應(yīng)用，并逐漸被引入到教學(xué)領(lǐng)域。本文單純從教學(xué)角度出發(fā)，以ANSYS軟件為例說明三維數(shù)值模擬技術(shù)在水工建筑物課堂教學(xué)中的應(yīng)用。

2 應(yīng)用舉例

針對水工建筑物中“重力壩混凝土體積大、溫控問題突出”這一知識點(diǎn)，以國內(nèi)某電站的攔河壩為例，應(yīng)用 ANSYS軟件進(jìn)行實(shí)體建模和溫度場仿真模擬，向?qū)W生直觀地展示不同時(shí)刻壩體橫截面溫度場云圖，使其深入理解重力壩內(nèi)施工期水泥發(fā)熱及混凝土材料導(dǎo)熱性差造成的內(nèi)部溫度不易散去這一現(xiàn)象。

2.1 工程概況

該電站上世紀(jì)五十年代建成，攔河壩為混凝土空腹重力壩，壩頂全長153米，最大壩高67.5米，最大壩底寬度58.3米。

2.2 實(shí)體建模與網(wǎng)格剖分

仿真計(jì)算以其中一個(gè)溢流壩段為分析對象，采用ANSYS建模。模型中：壩前地基長度、壩后地基長度以及地基深度均取為兩倍壩高，壩體大小符合實(shí)際尺寸。模型完成后，共劃分有限單元28276個(gè)，節(jié)點(diǎn)37593個(gè)，具體網(wǎng)格見圖1。

2.3 混凝土熱學(xué)參數(shù)

整個(gè)壩體含5種標(biāo)號的混凝土。其主體結(jié)構(gòu)混凝土絕熱溫升值為： = 25.18（1-）℃，其中為混凝土齡期。

2.4 邊界條件

壩體兩個(gè)側(cè)面、基巖底部及其四周取為絕熱邊界，裸露在空氣中的表面按照第三類邊界條件計(jì)算。

2.5 三維數(shù)值仿真結(jié)果

該壩段施工期歷時(shí)14個(gè)月，于1957年春季施工結(jié)束。圖2為施工結(jié)束后1個(gè)月時(shí)的整體溫度場云圖，圖3為1970年11月的溫度場云圖，圖3為1985年12月溫度場云圖。

2.6 教學(xué)效果

通過以上重力壩的三維實(shí)體模型的演示，學(xué)生對重力壩的形狀和基本構(gòu)造有了更加直觀、清晰的認(rèn)識。從不同時(shí)刻的溫度場云圖，不難發(fā)現(xiàn)：混凝土的表面溫度主要受外界氣溫影響，而內(nèi)部溫度下降緩慢，施工完一個(gè)月，壩體表面溫度為10℃左右時(shí)，內(nèi)部高溫仍在30℃以上（詳見圖2），最大內(nèi)外溫差達(dá)20℃以上。由圖3可見，當(dāng)該壩段運(yùn)行15年后，即便是表面遭到寒潮冷擊后，內(nèi)部高溫仍在20℃以上，這充分說明混凝土材料的導(dǎo)熱性差，內(nèi)部熱量不易發(fā)散。若不采取任何溫控措施，依靠自然降溫將是一個(gè)非常緩慢的過程。除此之外，過大的內(nèi)外溫差會給結(jié)構(gòu)帶來一系列不利的影響。

3 結(jié)語

三維數(shù)值模擬技術(shù)在水利工程的教學(xué)中有著廣闊的應(yīng)用前景。在計(jì)算機(jī)中，可以逼真地表現(xiàn)水工建筑物的整體結(jié)構(gòu)，生動(dòng)地再現(xiàn)結(jié)構(gòu)內(nèi)溫度場、滲流場、應(yīng)力及應(yīng)變的發(fā)展過程、變化規(guī)律。所以，將三維數(shù)值模擬技術(shù)與水工建筑物教學(xué)有效結(jié)合，以多媒體為載體，將教學(xué)中難以理解的理論知識以生動(dòng)的畫面展現(xiàn)在學(xué)生面前，不僅能提高教學(xué)質(zhì)量，而且還可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增加利用數(shù)值仿真技術(shù)進(jìn)行工程計(jì)算的意識，為以后的設(shè)計(jì)和科研工作打下基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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