COMSOL在礦井通風與安全實驗教學中的應用

管偉明　陳輝

摘要：為了提高“通風安全學”實驗教學的質量，對其特點和局限性進行了分析，結合新疆大學采礦工程專業實際教學工作，提出了通風安全學的數值仿真實驗方法，并通過COMSOL數值分析軟件對斷面風速分布、掘進通風效果對比、工作面瓦斯運移規律和高寒地區礦井加熱四個實驗進行了數值仿真的實踐教學嘗試。實踐證明：多場耦合數值仿真實驗方法適應本課程多學科交叉的特點，并能克服傳統實驗不易重復、可視化效果差、不易操作的局限性，對激發學生學習積極性、鞏固專業知識、培養實踐創新能力，提升高校通風安全學實驗教學質量具有重要意義。

關鍵詞：通風安全學；實驗教學；多場耦合；教學方法；COMSOL

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）12-0250-03

《通風安全學》是系統闡述礦井通風與安全的基礎理論和技術，并分析討論了煤礦災害發生原因及防治措施的課程[1]，具有多學科交叉、理論性和實踐性強的特點，是采礦工程和安全工程的必修主干課程。學生深刻理解災害發生的原因和治理措施的原理對其未來從事井下工作具有重要意義。數值仿真技術是科研的有力助手，也是傳遞科研成果到傳統教學活動中的有效媒介，可為傳統課程注入新的活力，還可提高教學質量和效果，對擴展學生的知識視野、激發學習熱情、培養創新能力具有良好效果[2]。

近5年在援疆計劃的支持下，大量先進的教學手段不斷引入到新疆大學的教學活動中。本文結合新疆大學《通風安全學》的實際教學，將數值仿真技術融于通風安全學實驗教學活動中，利用COMSOL軟件改善了斷面風速分布實驗，新開發了具有遞進層次和地方特色的實驗：掘進通風效果對比實驗、工作面瓦斯運移規律和高寒地區礦井加熱實驗，使學生參與教學活動的主動性、創造性大為增加，加深了學生對礦井安全知識的理解。

一、通風安全學實驗教學的局限性

現有的通風安全學實驗教學在實施和內容設置上還存在一些問題，在提高學生學習積極性、加深知識理解、培養創新能力方面也存在一些局限性，主要表現在以下幾點。

1.實驗次數少，現象不直觀。由于學生人數多，實驗不能反復進行，因此學生缺少了解實驗現象本質的機會；傳統實驗對物理參數的時空演化過程不能直觀展示[3]，不利于學生對知識的理解，減弱了學生的學習積極性。

2.實驗參數不可調。傳統的實驗考慮到成本和課時問題，很少讓學生進行不同實驗參數的對比實驗，工程問題中結構對物理參數和現象的影響也未能在實驗中進行對比，這使學生很難了解控制實驗過程的關鍵因素，不利于學生對知識的全面理解。

3.實驗缺乏設計性和啟發性。目前的實驗項目非常固定，大多是模式化的實驗過程，學生只需按教程操作即可，缺乏學生的思考過程，對學生沒有吸引力，造成最終的實驗報告千篇一律，不利于創新能力的培養。

4.實驗項目不完善。考慮到安全問題，通風安全學現有的實驗大多是針對風流理論進行設計，缺乏對礦井災害（水、火、瓦斯、粉塵、頂板）至災治災原理的實驗。風流理論在礦井生產實習過程中尚可進行工程觀察，而礦井災害的至災治災原理則很難在實際中進行學習，但同時它又是礦井安全生產中最為重要的工程問題，因此，設計增添有效的至災治災原理實驗，對學生理解災害發生原理和掌握防災減災技術有根本性的指導作用。

數值實驗具有可重復性強、各物理量展示的圖形化效果好、參數和研究域結構可靈活設置、能自由添加其他影響因素或輔助尋求最佳設計參數等優點[4，5]，可嘗試作為通風安全學實驗課程的輔助手段。

二、數值實驗教學方法的改進思路

針對傳統方法存在的問題提出了“2-4-3”實驗教學方法改進思路——兩個調整方向，四種遞進實驗，三個層次目標。具體思路如圖1所示，在改善“現有實驗”和新增“缺失實驗”的兩個方向上，從“改善可視化效果”、“新增可調參數功能”、“考慮結構變化影響”、“突出綜合應用”四個方面設計遞進型實驗，使得“促進學生學習積極性”、“加深知識理解”、“提高實踐創新能力”三個目標能夠在深度和廣度上分層次實現。

教師在實驗課程中只負責底層實驗任務的設計和基本指導，并最終對實驗結果進行總結評價，其他環節均由學生完成。新教學方法的實驗層次豐富，學生可根據自己的能力和興趣進行實驗并提交自己的研究成果，避免了實驗報告千篇一律的現象。

三、新教學方法在通風安全學實驗教學中的應用

COMSOL是多場耦合數值分析軟件。該軟件具有三個突出特點：第一，通過參數或方程將多個物理場進行耦合，且模塊化的物理場十分豐富，可實現快速調用組合；第二，其建模、編程、后處理完全圖形化，大部分操作均為鼠標點選完成，相比其他軟件更易入門，模型功能更可清晰地顯示建模過程中的每一步，有助于理順建模思路；第三，具有豐富的后處理方式，可以根據需要在時空上截取任何計算數據，并通過數據表單、曲線、平面、立體、動畫等多種方式表達。因此，該軟件非常適合輔助本科生實驗教學，且適應通風安全學多學科交叉的特點。

（一）斷面風速分布實驗

傳統的斷面風速分布實驗是通過皮托管或風表來測定斷面上各測點風壓、風速值，從而了解斷面風速的不均勻性，學生無法觀察到風流的分布狀態，只能通過數據來了解。為了能讓學生更加直觀地觀察風速分布情況，使用COMSOL的層流模塊結合物理實驗參數來模擬巷道斷面的風速分布。如圖2所示，可明顯看到中部風速較大，邊界較小的分布特征。直觀的實驗效果使學生對課程產生了興趣，促進了知識的了解，提高了發現問題的能力。

（二）掘進通風參數的設計

傳統實驗課程中沒有針對掘進通風效果的對比實驗，只有在課程設計時會要求利用規范進行設計，但設計參數中的有效射程對掘進通風效果的影響，并沒有相關實驗予以證明，很多學生對此參數的設置都有疑問。如圖3為壓入式局部通風，圖3（a）為局扇出風口與掘進工作面的距離L在有效射程（Le=4～5■，s為斷面積，m2）內的風流流動軌跡；學生通過修改距離參數L可進一步得到不符合《煤礦安全規程》規定的風流路線[6]，如圖3（b）在掘進工作面端頭形成了明顯的渦流，無法排出瓦斯和煙塵。學生自主調整參數增強了對實驗的控制感，增加了思考動手過程，加深了對實驗參數的理解，提高了把握問題關鍵因素的能力。

（三）工作面瓦斯運移規律

礦井瓦斯是嚴重威脅煤礦安全生產的主要自然因素之一[7]。了解瓦斯在不同工作面通風系統內的運移規律極為重要，然而，傳統實物實驗很難實現結構的變化對實驗現象的影響，利用數值實驗可以形象展示。圖4（a）為常見的后退式U型工作面通風系統，數值實驗清晰展示了采場內的風流路線和瓦斯濃度分布，可看出工作面上隅角瓦斯濃度偏大，采空區內流線呈現明顯“三帶”分布與教材理論相符，學生可通過簡單的修改得到后退式Z型工作面通風系統的瓦斯濃度和流線分布。圖4（b）所示Z型工作面上隅角瓦斯濃度較小，但進回風巷瓦斯濃度較大。

不同的巷道斷面積、風速和通風結構對瓦斯的分布均有影響，學生通過繪制不同通風結構可以得到其他諸多通風方式下瓦斯的分布規律。參數、結構的聯動調整增強了學生在實驗過程中的主導作用，強化了學生對知識的掌握程度，促進了學生解決工程問題時系統思考的能力。

（四）高寒地區礦井空氣加熱

新疆大學采礦工程專業是新疆急需緊缺的專業，學生大多來自新疆本地[8]，為提高其學習興趣和畢業后的適用性，結合新疆屬于高寒地區的特點，為礦井空調章節設計了高寒地區礦井空氣加熱實驗。如圖5（a）所示，以往的實驗只能通過物理模型上的溫度傳感器獲得巷道不同測點處的溫度值，但無法了解風速、地熱、空氣濕度對溫度場分布的影響，為更真實地反映礦井加熱風流在礦井內的傳熱過程，利用COMSOL的流體傳熱、固體傳熱、紊流三個模塊通過適當簡化設計了熱—流耦合模型，并以學生實習礦井冬季加熱的工程參數為邊界進行模擬得到如圖5（b）的實驗效果與實驗測值具有較好的吻合度[9]。2009級學生通過思考提出了熱管錨桿礦井空調裝置的思路，并進行了模擬實驗，取得了專利授權[10]。以實際工程問題為背景設計多場耦合實驗，讓學生融會貫通所學知識解決工程問題，激發學生創新思維，體會科研的成就感。

四、體會與總結

隨著高性能計算設備的日益普及和商用數值軟件的快速發展，數值技術已可作為輔助教學手段引入高校通風安全學實驗教學活動中。教學實踐證明：仿真技術可將教師的科研成果融入到實驗教學中，有效提高實驗教學質量，還可為實驗教學提供更為靈活的實驗平臺，緩解學生基數大與實驗條件有限的矛盾。通過設計具有遞進層次的數值輔助實驗，可逐步激發學生參與教學活動的興趣，不斷強化學生對知識的理解和掌握，充分發揮學生的創新性思維，提高解決問題的實踐創新能力。但需要指出的是數值仿真只是實驗教學中重要的補充手段，它無法替代真實實物實驗和現場測試，因此，二者的相輔相成將成為提高實驗課程效果的有效方法。

參考文獻：

[1]秦波濤.“礦井通風與安全”課程教學實踐與探討[J].防災科技學院學報，2008，10（1）：86-88.

[2]李永梅，胡琨，孫國富.預應力混凝土梁施工階段數值模擬[J].實驗室研究與探索，2013，（03）：51-54.

[3]秦怡，鞏瓊，李根全，宋金瓃，呂林霞.基于Matlab的光學信息安全教學實踐[J].實驗室研究與探索，2013，（05）：134-136，163.

[4]王建祥，蘇枋，李雙喜，等.基于ANSYS的工程結構仿真實驗研究[J].實驗技術與管理，2010，（4）：67-70.

[5]田園，覃振權，惠煌.基于數值實驗的信息論課程教學方法[J].實驗技術與管理，2013，（9）：173-176.

[6]國家安全生產監督管理總局.煤礦安全規程[M].北京：煤炭工業出版社，2011.

[7]張國樞.通風安全學[M].徐州：中國礦業大學，2000：182-183.

[8]張東升，劉洪林，管偉明，等.新疆大學采礦工程專業人才培養方案構建與特色[J].煤炭高等教育，2013，（5）：99-102.

[9]白天茵，管偉明，李虎威.利用熱管錨桿實現高寒地區礦井調溫的數值模擬分析[J].煤炭工程，2014，（3）：106-108.

[10]管偉明，張東升，劉洪林，等.熱管錨桿空調裝置：中國，CN202792330U[P].2013-03-13.