虚拟仿真技术在“热工基础及设备”课程教学中的应用

2019-02-16高增丽

山东化工 2019年7期

高增丽

(山东理工大学材料科学与工程学院，山东淄博 255049)

虚拟仿真技术是信息化发展的产物，它集声音、实验、图画一体，打破时间和空间的限制，是借助计算机生成虚拟系统来模仿另一个真实物理系统的技术，该技术具有沉浸性、直观性、虚幻性等基本特性[1]。根据所依赖的硬件条件，虚拟仿真技术又可分为 PC 端虚拟仿真技术和具有可穿戴设备的虚拟现实( VR)[2-3]技术。虚拟仿真技术通过对数据实现可视化和多维表达、智能化分析模型、真实模拟环境特性、提供多种交互，手段已日臻完善，并在不同领域得到了不同程度的应用，同时其作为现代信息化教育手段，在教学中起到了非常重要的作用。

1 “热工基础及设备”建立虚拟仿真平台的必要性

1.1 虚拟仿真平台对于课程教学的必要性

“热工基础及设备”是一门实践性很强的专业基础课程，教学内容体系包括经典基础理论以及基础理论的应用热工设备两大知识板块，所选教材没有直观的的热工设备相关内容，因此，“热工基础及设备”的课程教学一直是侧重基础理论的教学，而关于热工设备因为教材中没有相关内容，一直处于被忽略的境地，但是对于知识的学习最终是为了“学以致用”，教材中热工设备内容的缺失，使得学生无法利用所学的理论知识解决实际问题，仅仅是为了应对考试，这与培养应用型的人才的初衷是违背的。鉴于高效教育经费的紧张，高校没有经费购置相应的设备用于学生教学，而针对山东理工大学的材料学院的材料科学与工程专业的专业基础课程-“热工基础及设备”，更不可能购置课程中涉及的热工设备，因为该课程的热工设备大多是大型的工业炉窑，诸如炼铁高炉、炼钢转炉、水泥回转窑、陶瓷耐火材料隧道窑、浮法玻璃窑等，基础理论在这些烧成设备的应用对于走上工作岗位的学生经常面对的问题，必须采用必要的信息化教学手段克服实际教学中存在的困难，让学生掌握热工设备的相关知识，虚拟仿真是一种直观有效的教学手段。

1.2 虚拟仿真平台对于学生认知、生产实习的必要性

在山东理工大学材料科学与工程学院的本科生培养方案中，本科生的认知、生产实习是必要环节，而学生进行认知、生产实习中在现场见到的也多数是热工窑炉。由于参加实习的人数众多，加长生产的噪音，学生几乎听不到技术人员的讲解，再者由于现场存在高温设备，危险性高，在现场实习的时间短，对于多数学生来说，实习成了一种“走过场”，想学却学不到东西。在现场走一圈，所见到的也只是热工设备的外部大体框架，至于内部的具体结构、空气是如何流入、燃料如何与空气混合燃烧、烟气如何流动、大量烟气余热如何回收利用等重要的知识学生无法从现场的实习中获得。因此，利用虚拟仿真手段，剖开热工设备的内部结构，采用直观动画形式生动再现工业炉内部结构、气体流动、余热回收过程，是一种直观有效的手段。通过虚拟仿真平台，学生在实习前可以了解各种工艺过程，然后在实习过程中将实物与虚拟仿真平台的内容对应起来，从而可以深刻了解各种热工设备的结构及工作原理。

2 热工基础及设备课程教学虚拟仿真平台的建设内容

“热工基础及设备”课程中所设涉及的材料学院材料科学与工程专业的热工窑炉，主要包括金属方向的炼铁高炉、炼钢转炉以及非金属方向的现代水泥回转窑、陶瓷耐火材料烧成隧道窑、浮法玻璃窑。

利用现代虚拟仿真技术，将炼铁高炉的内部结构剖开，以动画的形式模拟炼铁过程中炼铁原料从顶部进入高炉，煤粉与高温空气进入高炉并开始燃烧放热提供炼铁过程炼铁过程所学的热量，炼铁过程中的高炉煤气流出高炉，进行余热回收后进行下一步处理利用，生动向学生讲解高炉炼铁工艺。炼钢的工艺同炼铁不同，炼钢的是去杂质、除碳的过程，热工设备采用的是转炉。除了采用虚拟仿真的形式讲解炼铁、炼钢工艺外，金属的铸造成型也是金属方向课程的重要内容，具体的浇注过程采用动画的形式呈现出来。

对于材料学院无机非金属方向的学生，硅酸盐工业产品的烧成工艺是重要的内容，现代水泥生产的完整工艺设备包括与分解窑、回转窑、悬浮预热器、篦式冷却机，通过虚拟仿真手段向学生讲解回转窑输运、烧成原理、悬浮预热器的热回收与除尘原理。陶瓷与耐火材料的烧成设备都采用隧道窑，窑内物料的码放原理，气体在窑内的流动加热，烟气对物料的余热都可以通过虚拟仿真的形式呈现出来。浮法玻璃生产工艺是硅酸盐窑炉中自动化程度较高的热工设备，其独特的高温烟气的热风炉余热回收过程可以通过虚拟仿真再现出来。