基于數值模擬的《普通化學》實驗課程教學研究*

張東令，王建利，李曉東，王敬飛，趙方偉，姜忠峰

(1 大連市市政設計研究院有限責任公司，遼寧 大連 116011；2 平頂山市財經學校，河南 平頂山 467000；3 襄城縣環境保護局環境監測站，河南 許昌 461700；4 河南城建學院市政與環境工程學院，河南 平頂山 467036)

2020年1月我國爆發新冠肺炎疫情，抗擊新冠肺炎成為了全國人民的首要任務[1]，新形勢下快速發展起來的線上教學讓高等教育教學面臨了新的挑戰和機遇[2]。《普通化學》課程是我校化學工程與工藝、給排水科學與工程等專業開展的一門專業基礎課程，結合我校發展規劃和專業特色，該課程開展有水質檢測、配位化合物和沉淀池處理性能等實驗，在線上教學開展的同時，實驗課程的高效完成成為了教師和學生共同面對的又一難題。虛擬仿真實驗是基于信息技術的一種全新的實驗模式，可以超越實驗條件的限制，有效解決了線上教學時實驗課程無法有效完成這一難題[3-4]。

目前我校教學中對《普通化學》課程下沉淀池處理性能研究的實驗是依靠相似準則建立相關的實驗模型進行模擬實驗，但實驗過程需在現場進行，無法滿足線上實驗的需求[5]。隨著計算流體力學(computational fluid dynamics，CFD)的發展，學者開始利用數值模擬方法對沉淀池的運行工況進行模擬，Goula等[6]采用CFD原理并依托Fluent軟件對進水溫度變化下沉淀池內懸浮物的沉降效果進行了模擬研究；Lakehal等[7]采用二維非正交網格上的k-ε湍流模型，對沉淀池徑向截面內的流動和沉降過程進行了模擬，發現不同的流變、沉降和擴散輸運參數或方法對高速區和高梯度區產生較大影響，從而造成不同的污泥覆蓋層高度；馬魯銘等[8]通過計算機編程實現了對二沉池流態的模擬，解決了二沉池流態難以測定的難題；何國建等[9]基于標準k-ε紊流模型，通過改變擋板高度對二維平流沉淀池進行模擬，得出影響懸浮物質去除效率的重要因素之一是流場中回流區的大小；曾光明等[10]通過建立渦量-流函數控制方程與實際實驗數據的對比，得出渦量-流函數法可以成功地應用于沉淀池的數值模擬研究；蔡金傍等[11]利用前人已建立的二維沉淀池數學模型，模擬改變平流沉淀池擋板布置位置、入水深度，進口流速等條件對沉淀池流態的影響。

諸如上述學者的研究，采用數值模擬方法對沉淀池的處理性能進行模擬研究，不僅節省了大量的人力、物力與財力，還可以提高沉淀池的處理效率[12]。基于此，為了應對《普通化學》線上實驗課程的需求，把數值模擬方法與虛擬仿真技術相結合建立虛擬仿真實驗系統，突破實驗操作空間和條件的限制，使實驗課程的線上教學順利完成。

1 研究方法

1.1 計算流體力學(CFD)

計算流體力學是根據流體的三大基本控制方程，通過計算機軟件模擬以獲得某種流體在某一特定的條件下的有關信息，從而實現用計算機來代替特定實驗模型完成仿真試驗，目前該技術已經廣泛應用于熱能動力、土木水利、航空航天與環境工程等領域[13-14]。

CFD技術是用特定的數值計算方法原則對所建立的研究模型的偏微分方程離散化處理，并通過數值模擬計算，求解按照流體運動的基本控制方程建立的離散方程組，獲得能夠反映出工程工況情況的結果和圖像[15]。CFD技術應用面廣，適應性較強，對于較復雜的流動問題可以比較有效且精確的找到數值解，對不具備實驗條件的實驗，可以利用計算機進行模擬，從而節省了大量的人力、物力和財力[16]。

1.2 Fluent軟件

Fluent軟件是當前比較廣泛使用的CFD軟件。由于Fluent軟件采用了多種形式的求解方法與多重網格加速收斂的技術，因此具有較高的求解精度、較快的收斂速度。Fluent軟件依靠其多變的非結構化網格，基于解的自適應網格技術，較成熟的物理模型，強大的前、后處理功能，在多相流、材料加工、航空航天、汽車設計、天然氣石油、渦輪機工程等方面都有著較為廣泛的應用[17-18]。

Fluent軟件的基本功能主要有：前處理，設置與計算，后處理；

(1)前處理：主要用于建立幾何模型及網格的生成；

(2)設置與計算：進行計算設置與求解，該步驟為數值求解的核心，主要功能是對控制方程進行離散求解;

(3)后處理：對模擬計算出的結果進行顯示與輸出，以便于觀察與分析。可通過CFD-post、Tceplot等后處理軟件進行。

1.3 虛擬仿真技術

虛擬仿真技術是基于計算機信息技術和虛擬現實等技術，創建一個虛擬可視系統來模仿另一個真實系統的新型技術。其逼真性和便捷性在用戶實際運用過程中得到了良好的體現，目前虛擬仿真技術已經廣泛應用在工程建設、農業生產研究以及環境生態保護等領域[19]。

2 斜管管徑變化對沉淀池處理性能影響的實驗研究

2.1 確定復合沉淀池運行工況

本實驗的目標的研究斜管不同管徑下沉淀池的沉淀效果，以優選出最適宜的斜管管徑。通過相關研究資料可知，斜管沉淀池的斜管管徑一般取50～90 mm，因此，假定復合沉淀池的其他擋板深度為2 m、斜管管徑設定3個工況分別為工況1：0.05 m、工況2：0.07 m和工況3：0.09 m，通過改變復合沉淀池斜管的管徑來改變復合沉淀池的流態，

各工況的局部網格劃分圖如圖1～圖3所示。

圖1 工況1時斜管處網格劃分圖

圖2 工況2時斜管處網格劃分圖

圖3 工況3時斜管處網格劃分圖

2.2 各工況流速云圖分析

沉淀池沉淀效果的好壞主要體現在其水流流態的穩定性上，而流態的穩定性是由觀察沉淀池內的旋渦與短流區情況得出的，因此基于Fluent軟件對沉淀池旋渦與短流區的流態進行數值模擬，得出并分析其速度(Velocity)云圖。各工況下斜管區速度云圖如圖4～圖6所示。

圖4 工況1斜管區速度云圖

圖5 工況2斜管區速度云圖

圖6 工況3斜管區速度云圖

通過圖4～圖6速度云圖可以看出，改變斜管管徑對沉淀池的流態總體影響不大，工況2時的流態比工況1和工況3時略好一些。

2.3 數值模擬結果分析

為了更直觀的了解各個工況平流區與斜管區的速度的情況，也為了更直觀得出哪種管徑條件下更有利于復合沉淀池流態的平穩性，在各個工況的平流區距進水口5 m、10 m與15 m處設置三個斷面，在斜管區出口設置出口斷面(簡稱ck)，在斜管上部設置斜管上部斷面(簡稱xgsb)，在斜管下部設置斜管下部斷面(簡稱xgxb)，結合Reprot菜單下的Surface Integrals功能對沉淀池各斷面平均速度進行分析，結果見下表，單位m/s。

表1 改變斜管管徑條件下復合沉淀池斜管區各斷面速度平均值表

結合各工況下流速云圖和斜管區各斷面速度進行分析可以得出，當沉淀池斜管管徑為0.07 m即工況2時，沉淀池的沉淀效果最為理想。

3 虛擬仿真實驗系統構建

為了使復合沉淀池處理性能虛擬仿真實驗得以實現，全方位展示不同工況下復合沉淀池的工作原理、結構狀況和運行時的流態狀況，虛擬仿真實驗系統的構建采用C++語言并通過Visual Studio工具進行程序開發，同時采用強大的3DS MAX作為建模工具對不同工況下的流態狀況進行建模，以實現復合沉淀池處理性能實驗的全過程、多角度仿真。

基于實驗的需求和虛擬仿真系統的特性，本研究中虛擬仿真實驗系統共分為以下幾個部分：

(1)預習考試系統：系統內有針對本實驗的題庫，教師可對題庫進行增、刪、改、查等操作；可以上傳實驗相關資料供學生下載學習，可以設置做實驗之前進行考試以及考試成績的統計功能；

(2)虛擬仿真實驗分類級管理系統：支持無限極的虛擬實驗分類，并且可以根據學習設計的分類規則進行快速的添加修改等操作；

(3)虛擬仿真實驗系統：結合實驗步驟和虛擬仿真技術建立虛擬實驗，學生可通過虛擬實驗進行操作，最終完成實驗；

(4)作業提交系統：在學生做完實驗后，可進行實驗報告、圖片信息等提交，并有統計作業提交情況等功能；

(5)成績管理系統：教師將學生自測部分成績、實驗報告成績分別設置權重比例，系統依據教師設定按課程、班級統計作業成績。

4 結 語

通過數值模擬理論對不同工況下沉淀池的運行狀況進行數值模擬，同時構建包含復合沉淀池數值模擬實驗的虛擬仿真實驗系統，數值模擬實驗高效精準的完成了復合沉淀池流態分析理論研究，虛擬仿真實驗系統突破了時間和空間的限制，極大的滿足了新冠疫情肺炎下學生對實驗教課程學習的需求，同時對其他實驗課程的教學有著重要的借鑒意義。