換熱器動(dòng)態(tài)性能測試虛擬仿真系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2024.22.042

摘 要 針對能源動(dòng)力類專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題，構(gòu)建換熱器動(dòng)態(tài)性能測試虛擬仿真系統(tǒng)，將理論教學(xué)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，開展教學(xué)方式改革。以換熱器動(dòng)態(tài)性能測試虛擬仿真系統(tǒng)為例，對虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)建設(shè)的思路和在教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行探索。

關(guān)鍵詞 能源與動(dòng)力工程專業(yè)；換熱器動(dòng)態(tài)性能測試；虛擬仿真系統(tǒng)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

中圖分類號：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）22-00-05

0 引言

節(jié)能優(yōu)先、提高能源利用率是確保我國中長期能源供需平衡的先決條件。在碳達(dá)峰、碳中和背景下，未來能源產(chǎn)業(yè)急需多學(xué)科交叉和實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力更強(qiáng)的應(yīng)用型人才。實(shí)驗(yàn)是幫助學(xué)生理解專業(yè)基礎(chǔ)理論，培養(yǎng)其對復(fù)雜的能源與動(dòng)力工程問題進(jìn)行分析，并設(shè)計(jì)開發(fā)安全合理的解決方案能力的重要途徑。實(shí)驗(yàn)教學(xué)對于提高學(xué)生素質(zhì)、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力具有至關(guān)重要的作用。

由于能源領(lǐng)域生產(chǎn)的不可間斷性和不可逆操作特性，學(xué)生無法進(jìn)行現(xiàn)場學(xué)習(xí)，而在實(shí)際教學(xué)過程中，大多數(shù)能源動(dòng)力類實(shí)驗(yàn)需要達(dá)到熱平衡，加熱時(shí)間較長，實(shí)驗(yàn)步驟較復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)傳熱過程無法直觀表達(dá)，給學(xué)生理解、掌握和鞏固專業(yè)知識，培養(yǎng)學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力帶來困難。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以很好地解決以上問題，并且具有不受空間和時(shí)間限制，可以模擬多種工況，可以進(jìn)行反復(fù)實(shí)驗(yàn)、研討等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)課前預(yù)習(xí)、課中學(xué)習(xí)、課后復(fù)習(xí)的教學(xué)閉環(huán)。利用虛擬仿真技術(shù)可以將理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，是開展教學(xué)方式改革的一種新模式，是提升教學(xué)質(zhì)量的重要手段[1-3]。本文以換熱器動(dòng)態(tài)性能測試虛擬仿真系統(tǒng)為例，對虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)建設(shè)的思路和在教學(xué)中的運(yùn)用進(jìn)行探索。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)體系建設(shè)

目前，數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、協(xié)同化正成為工業(yè)界發(fā)展的趨勢。隨著能源系統(tǒng)的變革與發(fā)展，能源與動(dòng)力工程專業(yè)核心課程如換熱器原理與設(shè)計(jì)、熱工測量及儀表等的內(nèi)容也在不斷拓展和更新，單純的傳熱過程或換熱器設(shè)備虛擬仿真軟件已難以滿足復(fù)雜熱量傳遞過程虛擬仿真的需求。山東科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程專業(yè)遵循工程教育專業(yè)認(rèn)證要求，以學(xué)生的能力獲得作為評價(jià)教學(xué)成果的依據(jù)，不斷提高教學(xué)質(zhì)量，形成結(jié)構(gòu)認(rèn)知—基本原理或操作虛擬仿真實(shí)驗(yàn)—系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)逐級遞進(jìn)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系建設(shè)思路，在學(xué)校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基礎(chǔ)上構(gòu)建了以理論課程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐環(huán)節(jié)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)為主的能源與動(dòng)力工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，同時(shí)基于SimuWorks系統(tǒng)仿真平臺(tái)開展熱力系統(tǒng)仿真建模，用于學(xué)生專業(yè)綜合課程設(shè)計(jì)、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐等，如圖1所示。換熱器動(dòng)態(tài)性能測試虛擬仿真系統(tǒng)是服務(wù)于專業(yè)基礎(chǔ)課傳熱學(xué)和專業(yè)核心課程換熱器原理與設(shè)計(jì)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，對學(xué)生理解、掌握和鞏固傳熱過程、熱交換器的性能及動(dòng)態(tài)測試在實(shí)際工程中的應(yīng)用起著非常重要的作用。

2019年10月，為適應(yīng)新時(shí)代行業(yè)和區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對高等教育人才培養(yǎng)的需求，深化教育教學(xué)改革，落實(shí)《教育部關(guān)于深化本科教育教學(xué)改革全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的意見》《普通高等學(xué)校本科專業(yè)類教學(xué)質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)》和《山東省人民政府辦公廳關(guān)于推進(jìn)新時(shí)代山東高等教育高質(zhì)量發(fā)展的若干意見》，山東科技大學(xué)啟動(dòng)了本科專業(yè)人才培養(yǎng)方案修訂工作，形成了能源與動(dòng)力工程專業(yè)2020版培養(yǎng)方案。在2020版培養(yǎng)方案中，傳熱學(xué)和換熱器原理與設(shè)計(jì)兩門課程里均有關(guān)于傳熱方面的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。傳熱學(xué)是能源與動(dòng)力工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，新版培養(yǎng)方案中，傳熱學(xué)課程由3個(gè)學(xué)分變?yōu)?.5個(gè)學(xué)分，總學(xué)時(shí)56學(xué)時(shí)不變，實(shí)驗(yàn)由8學(xué)時(shí)變?yōu)?學(xué)時(shí)。換熱器原理與設(shè)計(jì)課程2個(gè)學(xué)分保持不變，總學(xué)時(shí)由36學(xué)時(shí)變?yōu)?2學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)由4學(xué)時(shí)變?yōu)?學(xué)時(shí)。課堂教學(xué)學(xué)時(shí)和實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)均有減少，但是講解內(nèi)容和信息量卻在增多，教學(xué)內(nèi)容既要有理論知識，又要注重工程應(yīng)用，對教學(xué)模式提出新的要求，迫切需要構(gòu)建新的教學(xué)模式以適應(yīng)學(xué)時(shí)的調(diào)整。

新開發(fā)的換熱器動(dòng)態(tài)性能測試虛擬仿真系統(tǒng)，對傳熱學(xué)、換熱器原理與設(shè)計(jì)課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行了重組，將目標(biāo)能力指標(biāo)與實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的內(nèi)容結(jié)合起來，在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)上注重提高靈活性、學(xué)生選擇的自主性與創(chuàng)新性、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性與規(guī)范性，旨在達(dá)到理想的教學(xué)效果[4]。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如表1所示。同時(shí)引入先進(jìn)的虛擬仿真技術(shù)方案，進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式的改革與創(chuàng)新，以建設(shè)高質(zhì)量、可共享的課程教案和課程教學(xué)改革方案。學(xué)校利用虛擬仿真技術(shù)，通過數(shù)據(jù)的可視化和多維表達(dá)、智能分析模型、真實(shí)模擬環(huán)境特性、提供多種交互手段等方法，以學(xué)校所在的地域和發(fā)展環(huán)境為依托，以素質(zhì)教育為核心，以培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力為關(guān)鍵，探索了一條有特色、有層次、虛實(shí)結(jié)合的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革道路。

2 換熱器動(dòng)態(tài)性能測試虛擬仿真系統(tǒng)開發(fā)

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

換熱器動(dòng)態(tài)性能測試虛擬仿真系統(tǒng)包括理論學(xué)習(xí)、結(jié)構(gòu)認(rèn)知、練習(xí)、考核四個(gè)模塊，如圖2所示。

理論學(xué)習(xí)模塊主要包括實(shí)驗(yàn)裝置說明和換熱器性能綜合測試實(shí)驗(yàn)兩大部分，幫助學(xué)生課前預(yù)習(xí)，認(rèn)識實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置、換熱器，預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理等內(nèi)容。結(jié)構(gòu)認(rèn)知模塊幫助學(xué)生完成對幾種主要類型換熱器的結(jié)構(gòu)認(rèn)知，具體包括板式熱交換器、U形管式熱交換器、固定管板式熱交換器、套管式換熱器、螺旋板式熱交換器、翅片管式熱交換器、板翅式熱交換器等七種形式的間壁式熱交換器，如圖3所示。練習(xí)模塊幫助學(xué)生熟悉實(shí)驗(yàn)過程，如圖4所示?？己四K主要考查學(xué)生完成間壁式換熱器傳熱系數(shù)測定實(shí)驗(yàn)、換熱系數(shù)測定實(shí)驗(yàn)、換熱器阻力特性實(shí)驗(yàn)的情況。通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以進(jìn)一步了解熱交換器的工作原理，了解影響換熱器工作性能的因素，熟悉流體流速、流量、溫度等參數(shù)的測量技術(shù)，掌握熱交換器換熱量和對數(shù)平均溫差的計(jì)算方法，比較順流和逆流不同流動(dòng)方式對熱交換器性能參數(shù)的影響等。圖5、圖6展示了實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)儀表顯示界面圖和實(shí)驗(yàn)場景部分管路界面圖。

2.2 實(shí)驗(yàn)工作原理

換熱器動(dòng)態(tài)性能測試虛擬仿真系統(tǒng)以換熱器為實(shí)驗(yàn)對象，通過分析特定場景所需解決的核心問題并提出相應(yīng)解決方案來設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。進(jìn)行結(jié)果評價(jià)時(shí)，通過定量計(jì)算及操作步驟給出線上實(shí)驗(yàn)成績，學(xué)生提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，教師根據(jù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告完成情況給出實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績，二者相結(jié)合評價(jià)學(xué)生對該部分實(shí)驗(yàn)的掌握情況。通過該系統(tǒng)可以完成傳熱系數(shù)測定實(shí)驗(yàn)、換熱系數(shù)測定實(shí)驗(yàn)和阻力特性實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了用lt;1-2gt;管殼式換熱器、板式換熱器、套管式換熱器三種不同類型的換熱器，順流、逆流兩種不同流動(dòng)方式來構(gòu)建不同的實(shí)驗(yàn)場景。通過設(shè)定熱流體入口溫度、調(diào)整冷流體流量完成實(shí)驗(yàn)過程冷、熱流體進(jìn)出口溫度、壓力的測量，學(xué)生自主完成平均溫差、換熱量、傳熱系數(shù)的計(jì)算，并將結(jié)果輸入數(shù)據(jù)界面，與系統(tǒng)后臺(tái)根據(jù)算法完成的計(jì)算結(jié)果相對比，分析換熱器結(jié)構(gòu)、流動(dòng)方式、進(jìn)出口溫度、流量對傳熱性能的影響。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的應(yīng)用

3.1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合

實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)方法表現(xiàn)為課下虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與課上真實(shí)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合。以傳熱性能測試實(shí)驗(yàn)為例，學(xué)生在課下先通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)上的換熱器動(dòng)態(tài)性能測試虛擬仿真系統(tǒng)進(jìn)行換熱器傳熱系數(shù)測定實(shí)驗(yàn)，課上再利用綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)。將教學(xué)目標(biāo)細(xì)化，對每項(xiàng)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)對應(yīng)的教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行分析，通過目標(biāo)驅(qū)動(dòng)下的逆向設(shè)計(jì)、正向?qū)嵤┑姆椒ㄔO(shè)計(jì)和組織實(shí)驗(yàn)[5]，充分利用虛擬仿真平臺(tái)實(shí)現(xiàn)過程考核與目標(biāo)達(dá)成評價(jià)相一致。課前，學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，通過虛擬仿真系統(tǒng)的練習(xí)模塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與演練，通過演練對實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行分析總結(jié)，直至完成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。課上，學(xué)生通過現(xiàn)場操作，對前期練習(xí)過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行驗(yàn)證和討論，認(rèn)識到虛擬實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)的不同。課后，學(xué)生通過平臺(tái)提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，教師根據(jù)學(xué)生線上實(shí)驗(yàn)操作和線下實(shí)驗(yàn)報(bào)告給出成績。實(shí)踐表明，這種課下虛擬仿真、課上真實(shí)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方式，可以減少實(shí)驗(yàn)時(shí)間，提高實(shí)驗(yàn)質(zhì)量，加強(qiáng)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)原理的理解。學(xué)生在完成實(shí)驗(yàn)的過程中也實(shí)現(xiàn)了分析問題、設(shè)計(jì)解決方案、使用現(xiàn)代工具、團(tuán)隊(duì)協(xié)作、項(xiàng)目管理、溝通等方面能力的培養(yǎng)。

3.2 理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合

通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)可以把理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)有機(jī)地融合在一起。虛擬仿真技術(shù)通過對數(shù)據(jù)的可視化和多維表達(dá)，打破了時(shí)間和空間的限制，對真實(shí)場景或設(shè)備進(jìn)行模擬，提供多種交互手段，可以幫助學(xué)生深刻了解各種熱工設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、能源利用的原理及工作過程。換熱器動(dòng)態(tài)性能測試虛擬仿真系統(tǒng)涵蓋了換熱器結(jié)構(gòu)認(rèn)知、傳熱性能測試、對流換熱系數(shù)測試、阻力性能測試等多模塊知識點(diǎn)，在理論教學(xué)過程中引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)過程，可以使學(xué)生真實(shí)體驗(yàn)從實(shí)驗(yàn)方案選擇到換熱器性能測試全過程的綜合實(shí)驗(yàn)。一方面通過虛擬仿真課程體系的建立，對課程體系進(jìn)行重組，建立起理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的聯(lián)系，打破以往理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)截然分開的局面，通過對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化，解決了增多的教學(xué)內(nèi)容和減少的教學(xué)課時(shí)量之間的矛盾；另一方面，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)了其對理論知識的理解運(yùn)用能力。

3.3 優(yōu)質(zhì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源共享

虛擬仿真資源的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行特性為資源共享提供了技術(shù)條件，同時(shí)也為虛擬仿真系統(tǒng)建設(shè)帶來了更多的用戶體驗(yàn)和反饋，便于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的改進(jìn)完善。換熱器動(dòng)態(tài)性能測試虛擬仿真系統(tǒng)通過山東科技大學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)初步實(shí)現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源共享。換熱器結(jié)構(gòu)拆裝虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以在換熱器原理與設(shè)計(jì)課堂教學(xué)過程中幫助學(xué)生理解換熱器的結(jié)構(gòu)，傳熱系數(shù)測定實(shí)驗(yàn)可以在換熱器原理與設(shè)計(jì)課堂上幫助學(xué)生理解流動(dòng)方式對傳熱性能的影響，也可以在傳熱學(xué)課堂上幫助學(xué)生理解綜合傳熱過程傳熱系數(shù)的測定原理。

4 結(jié)束語

換熱器動(dòng)態(tài)性能測試虛擬仿真系統(tǒng)涵蓋了換熱器工作原理及結(jié)構(gòu)、平均溫差、傳熱系數(shù)、換熱系數(shù)、阻力性能等內(nèi)容，為能源與動(dòng)力工程專業(yè)換熱器原理與設(shè)計(jì)、傳熱學(xué)，機(jī)械類專業(yè)熱工基礎(chǔ)等相關(guān)課程的學(xué)習(xí)和創(chuàng)新實(shí)踐課題提供了有效的平臺(tái)支撐。通過虛實(shí)結(jié)合的仿真系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)、工程實(shí)際的有機(jī)結(jié)合，幫助學(xué)生了解工程技術(shù)領(lǐng)域涉及的能量轉(zhuǎn)換規(guī)律和提高能源利用效率的有效措施，較好地鍛煉了學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的實(shí)踐和創(chuàng)新能力，為畢業(yè)目標(biāo)要求的分析問題、設(shè)計(jì)解決方案、使用現(xiàn)代工具等目標(biāo)的達(dá)成提供了有力支撐。

5 參考文獻(xiàn)

[1] 牟宗龍，萬志軍，張?jiān)?，?基于虛擬仿真技術(shù)的實(shí)驗(yàn)

類課程資源建設(shè)及教學(xué)模式探索[J].教育教學(xué)論壇，

2020（1）：384-386.

[2] 楊慧婕，趙娟娟，汪穎，等.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目開

放共享探索與實(shí)踐[J].西部素質(zhì)教育，2022，8（11）：

102-105.

[3] 李紅嶺，高曉陽，賈尚云，等.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

的探索與實(shí)踐[J].新疆農(nóng)機(jī)化，2022（2）：46-48.

[4] 郝川艷，鄭安琪，姜玻，等.實(shí)驗(yàn)課程的混合學(xué)習(xí)方案

探討[J].教育教學(xué)論壇，2020（33）：326-328.

[5] 羅昊，景云，周瑋騰.基于OBE理念的國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2022，25（1）：163-167.

*項(xiàng)目來源：2020年山東科技大學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目“換熱器動(dòng)態(tài)性能測試虛擬仿真”（項(xiàng)目編號：XNFZ2020Y04）；2022山東省本科教學(xué)改革研究項(xiàng)目“雙碳背景下多學(xué)科交叉融合能源動(dòng)力類應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式研究與實(shí)踐”（項(xiàng)目編號：M2022263）。

作者簡介：衣秋杰，通信作者，副教授；劉梅，高級實(shí)驗(yàn)師；周振峰、倪鵬、郭蘭蘭，講師。