數值模擬仿真技術在海洋油氣工程專業主干課程中的應用研究

單丹丹 紀大偉 逯廣東

摘 要：數值模擬仿真技術具有形象直觀、可視化的優點，對于海洋油氣工程專業主干課這類涉及較多結構力學與流體力學等知識體系的課程，在提高課程教學質量、補充完善傳統實驗等方面發揮著巨大的促進作用，為此，首先在“海洋平臺工程”、“海洋油氣集輸工程”以及“海洋鉆井工程”這三門課程中探索將數值模擬仿真技術融入課堂，與海洋油氣工程專業培養目標中的工程問題、設計/開發解決方案及研究相對應，提高學生分析實際問題及解決復雜工程問題的能力。

關鍵詞：數值模擬;海洋油氣工程;海洋平臺工程;海洋油氣集輸工程;海洋鉆井工程

一、數值模擬仿真技術對于主干課教學的現實意義

1、能夠輔助課堂教學，提高課程教學質量

在知識點的講解過程中，教師們往往習慣于把每個知識點分開來講，然后再對所有知識點進行統一歸納總結，這種方法會讓學生感覺到知識點繁雜，沒有規律可循，不便于記憶。但是如果應用數值模擬仿真技術，可以針對一個工程實例進行全面講解，通過一個例子就可以掌握一類知識點，還能加深印象。學生們在前期建模的過程中能夠對實際問題進行圖形化理解，還能鍛煉繪圖能力;在力學問題加載的過程中，能夠對力學性質進行全面的認識，還能加深對公式的理解與掌握;在進行后期結果處理的過程中，可以得出該問題相應的結論，以便用于指導工程實踐。

2、能夠補充實驗教學，提高實踐教學創造性

以往的實驗教學都是一些比較基礎性的室內實驗，實驗的內容根據教師給定的教學大綱來定，往往限制了學生的大腦思維，使學生缺乏自主性、創造性，且這些實驗經常出現失敗、得不出有效數據的情況，也不能實現重復性，使學生對于實驗結果不能進行反復的分析及驗證。數值模擬仿真技術具有形象的動畫顯示以及強大的建模、數據輸出的功能，可以對材料、結構進行多層次的實驗數值模擬仿真，還可以實現反復性的驗證模型方案。學生們可以通過仿真過程將處理問題與分析工程實踐問題的能力提高，還可以實現利用計算機輔助手段提高自身科研能力，從而為日后開展創新性研究項目打下堅實基礎。

二、數值模擬仿真技術在主干課程中的應用探索

1、Ansys數值模擬軟件在海洋平臺工程課程中的應用

該課程重點對導管架平臺、自升式平臺以及半潛式平臺的主要特點與工作原理進行描述，并要求學生熟悉海洋平臺在各種工況下的力學性能及其分析方法，這些力學問題應用有限元法可以得到很好的解決。為此，將Ansys模擬軟件應用到該課程的教學之中。海洋平臺工程涵蓋平臺結構物在環境載荷作用下的受力變形與破壞等力學問題，這些問題對海洋平臺的設計、建造等具有重要的現實意義，而傳統的教學方法會使學生在扎堆的知識點里摸不清重點，采用數值模擬仿真的教學方法能夠從整體上對一個工程問題進行解決，不僅易于公式的理解與掌握，更重要的，能夠實現理論聯系實際，做到有的放矢。

2、FLUENT數值模擬軟件在海洋油氣集輸工程課程中的應用

海洋油氣集輸工程課程的核心是圍繞各類集輸管道而展開，來研究管道內外流體的流動特性，應用到工程流體力學方面的知識較多，FLUENT具有豐富的物理模型、先進的數值方法，以及強大的前后處理功能，可以運用不同的離散格式以及數值方法解決不同的流體運動復雜現象，不僅能夠提高計算速度，還能保證穩定性與結果的精度，從而可以解決各領域中的復雜流動問題計算。因此，將FLUENT數值模擬仿真技術應用于海洋油氣集輸工程的課堂講授中能夠在指導實踐，鍛煉學生處理工程實際問題的能力上發揮著重要作用。

3、COMSOL數值模擬軟件在海洋鉆井工程課程中的應用

海洋鉆井工程課程涵蓋了海洋石油天然氣鉆井的基本概念以及相關技術領域的原理、方法和主要技術體系。其中涉及到許多兩個或兩個以上物理場的耦合作用，而COMSOL Multiphysics可以基于PDE建模求解任意多物理場耦合問題。COMSOL Multiphysics的底層理論基于數學物理方程，針對不同的工程問題，可以從數學物理方法出發，修改相應的底層方程，來對物理現象的本質進行揭露，從而可以靈活的適應不斷變化的工程實際背景以及不斷發展的前沿科學，讓數值計算方法面對不斷深入的各類研究處變不驚。因此，將COMSOL Multiphysics數值模擬仿真技術應用于海洋鉆井工程的課堂講授中能夠達到很好的效果，不但能輕松處理各類工程問題，還能通過更改底層方程實現創新性研究。

三、結束語

對海洋平臺工程、海洋油氣集輸工程以及海洋鉆井工程這三門課程采取數值模擬仿真技術融入課堂教學是一種對提高教學質量行之有效的好辦法;同時，對于解決實驗室建設資金昂貴以及特殊情況下不便于帶領學生進行現場實習等問題，起到了良好的轉化作用，既能豐富學生的知識儲備，又能提高同學們的創新意識。

參考文獻

[1]李志剛.海洋油氣工程人才培養的探索與實踐[J].石油教育，2011，2：89-91.

[2]楊勇，郭子雄.數值模擬試驗在土木工程專業課程教學中的應用[J].高等建筑教育，2005，14（3）：65-68.

[3]紀大偉，楊二龍，董馳，逯廣東，張弦.基于OBE理念的海洋油氣工程專業實踐教學的改革與實踐[J].教育現代化，2019，21：49-50.

作者簡介：

單丹丹，女，（1984.8- ），黑龍江省寶清縣，碩士，講師，研究方向：海洋油氣工程。

課題項目：東北石油大學本科教育教學改革研究項目，基于數值模擬仿真技術的海洋油氣工程專業主干課程的研究與實踐，2018-22。