虚拟仿真实验在燃烧学教学过程中的应用实践*

    隋春杰 张斌 周艳

    

    

    

    摘 要：燃烧的常规教学实验在实施过程中面临高危险性、高成本及自主性差的问题，为此青岛科技大学建设了燃烧多参数同测虚拟仿真实验云平台。该系统以三维模型重建了逼真的燃烧实验环境和实验设备，完整再现实验操作步骤，以沉浸式的人机交互操作使学生融入实验，达到与真实实验一致的学习体验。同时，虚拟仿真实验过程集成了理论知识学习、实验步骤操作、学习效果考核、实验台参观等环节，实现“理、虚、实”有机结合，使学生进一步加深对燃烧过程及燃烧理论的理解。

    关键词：燃烧;测量;实验;虚拟仿真

    中图分类号：TK39;TP393 ? ?文献标志码：B? ? ? ? 文章编号：1673-8454（2020）20-0032-04

    随着社会对能源环保及火灾安全的重视，越来越多的高校开设燃烧学课程。燃烧学涵盖传热传质学、流体力学、化学反应热力学及动力学等内容，既强调基础理论知识，又同生产实践密切联系。在燃烧学课程学习中，不仅要求学生具备较强的理论理解能力，而且要求较高的理论与实践结合能力。燃烧实验教学的开展，能够使学生形象地认识动态燃烧过程，掌握燃烧的发生条件及现象，掌握各类燃烧设备的实现方式，更直观地理解燃烧过程的发生机制[1]。然而，开设燃烧实验课程在高校教学实验室中面临诸多问题。一方面，燃烧实验往往涉及各类燃料等易燃易爆品，具有较高危险性，在实验用品的采购及储存过程中也存在限制。另一方面，燃烧实验系统复杂，燃烧火焰的数据采集设备价格昂贵，且存在维护困难的问题。因而，教学实验限于条件难以普遍开展。即使已有一些较简单火焰的实验教学案例，但限于以上问题往往以演示为主，学生自主性较差，并且简单实验的采集数据少，不能完整表征火焰燃烧过程，教学效果差强人意。

    虚拟仿真实验是随着信息化、智能化的发展而兴起的一种全新的教学方式[2][3]，通过虚拟仿真实验，学生的学习兴趣及主动性有效提高，可取得更佳的学习效率[4]。虚拟仿真实验应用在燃烧学教学实验过程中，能够以虚拟化手段构建逼真的燃烧实验装置，搭建完备的燃烧实验平台，实现真实燃烧实验的效果。虚拟仿真实验能够在理论教学和实验操作之间搭建起过渡的桥梁，贯通燃烧的理论基础知识与燃烧实验场景，具有极大的应用价值。目前已经有高校针对类似燃烧过程的危险实验工况开设虚拟仿真实验，如化学反应过程[5]、锅炉内部燃烧过程[6]、石油工程油气生产过程[7]等，但将燃烧数据的精准测量引入虚拟仿真实验还未有报道，在燃烧过程的全数据分析方面有所欠缺。本文将以青岛科技大学正在开展建设的燃烧多参数同测虚拟仿真实验云平台为例，探索虚拟仿真实验在燃烧学实验教学过程中的应用实践。

    一、燃烧多参数同测虚拟仿真实验系统

    在燃烧设备中，为保证燃烧的持续，需采用不同方式的火焰保证燃烧的稳定，流动及传热传质机理也不同，其中射流及旋流火焰是广泛应用的两种典型火焰形式。理解这两种形式的火焰的燃烧过程是燃烧学教学中的重点和难点，对其进行温度和速度等参数的实验测量，完成燃烧过程的全数据分析是对燃烧理论学习的有效补充，让学生形象并且深入地掌握这两种典型火焰结构，进而加深对燃烧理论知识的理解。

    燃烧多参数同测实验系统的构成复杂，包含燃烧系统、测速系统以及测温系统等。燃烧系统包含燃烧器、燃气和空气供应系统，涉及易燃易爆品，常规实验操作具有较大危险性。燃烧场的速度测量采用了Particle Image Velocimetry（PIV）系统，又称粒子图像测速系统，由计算机、同步器、CCD相机、激光器组成，系统结构复杂，包括易损精密仪器，且价格昂贵，难于开展学生普遍参与操作的常规教学实验。燃烧场测温运用光偏折计算层析技术，即Computed Tomography（CT）测温系统[8]，其对实验系统调试的精度要求极高，调试系统所花费的时间甚至可能超过一天，若进行常规实验则严重影响教学进度。

    针对以上在常规实验中所遇到的问题，我校开发建设了燃烧多参数同测虚拟仿真实验系统。通过对燃烧实验室以及实验系统各部件进行几何模型测绘并三维重建，基于杭州万维镜像科技有限公司的VeryEngine技术，完成了实验系统的虚拟化、程序化。虚拟仿真实验系统内搭建了生动的实验环境、完备的实验系统和逼真的实验装置组件，达到虚拟仿真实验的沉浸式体验，精准还原燃烧实验的全程操作。如图1—3分别为燃烧多参数同测实验系統的实物图像以及虚拟仿真实验系统的程序截图。

    燃烧多参数同测虚拟仿真实验系统将实验教学与理论学习紧密融合，在系统建设的同时注重细节。针对燃烧系统所包括的甲烷气瓶、电磁阀、流量计等各部件，虚拟仿真实验系统内均设有鼠标指向提示，学生可在实验过程中即时获取这些部件的信息。PIV测速系统是一种先进的瞬态、多点、无接触式测速方法，通过时间相近的两个瞬态流场内示踪粒子的位置信息，计算获得流场的速度分布信息。CT测温系统通过电脑控制的拍摄软件获得火焰图和被火焰偏折的莫尔条纹图，通过偏折角的修正和重建，实现燃烧场内温度分布测量。PIV测速原理及CT测温原理均在虚拟仿真实验系统内以白板讲解的形式展现，如图4所示。

    燃烧多参数同测虚拟仿真实验配建虚拟仿真云学习平台，学生在云平台上以操作电脑的形式开展虚拟仿真实验，达到接近常规实验的效果，并在完成虚拟仿真实验之后参观燃烧实验室，观察实验系统各部件实物，实现“理、虚、实”有机结合，提高实验教学效果。

    燃烧多参数同测虚拟仿真实验面向能源与动力工程、新能源科学与工程专业的大二或大三学生，要求学生具备燃烧学、流体力学、传热传质等理论知识。通过实验，要求学生加深理解燃烧理论基础知识，掌握实验平台的安装与调试过程，完成实验基本步骤，掌握准确记录并处理实验数据的方法，能够用实验的基本理论与数据对实验所得到的燃烧过程加以说明，进而掌握射流及旋流火焰燃烧特征。燃烧多参数同测虚拟仿真实验具有高自由性、高独立性、全开放、可回溯、安全稳定、资源占用低的特点，并且在实验过程中可实现教师一对一辅导，提高了学生实验掌握程度及理论知识学习深度。图5、图6展示了虚拟仿真实验教学过程以及学生参观实验室过程的照片。