基于数值模拟的《普通化学》实验课程教学研究*

张东令，王建利，李晓东，王敬飞，赵方伟，姜忠峰

(1 大连市市政设计研究院有限责任公司，辽宁 大连 116011；2 平顶山市财经学校，河南 平顶山 467000；3 襄城县环境保护局环境监测站，河南 许昌 461700；4 河南城建学院市政与环境工程学院，河南 平顶山 467036)

2020年1月我国爆发新冠肺炎疫情，抗击新冠肺炎成为了全国人民的首要任务[1]，新形势下快速发展起来的线上教学让高等教育教学面临了新的挑战和机遇[2]。《普通化学》课程是我校化学工程与工艺、给排水科学与工程等专业开展的一门专业基础课程，结合我校发展规划和专业特色，该课程开展有水质检测、配位化合物和沉淀池处理性能等实验，在线上教学开展的同时，实验课程的高效完成成为了教师和学生共同面对的又一难题。虚拟仿真实验是基于信息技术的一种全新的实验模式，可以超越实验条件的限制，有效解决了线上教学时实验课程无法有效完成这一难题[3-4]。

目前我校教学中对《普通化学》课程下沉淀池处理性能研究的实验是依靠相似准则建立相关的实验模型进行模拟实验，但实验过程需在现场进行，无法满足线上实验的需求[5]。随着计算流体力学(computational fluid dynamics，CFD)的发展，学者开始利用数值模拟方法对沉淀池的运行工况进行模拟，Goula等[6]采用CFD原理并依托Fluent软件对进水温度变化下沉淀池内悬浮物的沉降效果进行了模拟研究；Lakehal等[7]采用二维非正交网格上的k-ε湍流模型，对沉淀池径向截面内的流动和沉降过程进行了模拟，发现不同的流变、沉降和扩散输运参数或方法对高速区和高梯度区产生较大影响，从而造成不同的污泥覆盖层高度；马鲁铭等[8]通过计算机编程实现了对二沉池流态的模拟，解决了二沉池流态难以测定的难题；何国建等[9]基于标准k-ε紊流模型，通过改变挡板高度对二维平流沉淀池进行模拟，得出影响悬浮物质去除效率的重要因素之一是流场中回流区的大小；曾光明等[10]通过建立涡量-流函数控制方程与实际实验数据的对比，得出涡量-流函数法可以成功地应用于沉淀池的数值模拟研究；蔡金傍等[11]利用前人已建立的二维沉淀池数学模型，模拟改变平流沉淀池挡板布置位置、入水深度，进口流速等条件对沉淀池流态的影响。

诸如上述学者的研究，采用数值模拟方法对沉淀池的处理性能进行模拟研究，不仅节省了大量的人力、物力与财力，还可以提高沉淀池的处理效率[12]。基于此，为了应对《普通化学》线上实验课程的需求，把数值模拟方法与虚拟仿真技术相结合建立虚拟仿真实验系统，突破实验操作空间和条件的限制，使实验课程的线上教学顺利完成。

1 研究方法

1.1 计算流体力学(CFD)

计算流体力学是根据流体的三大基本控制方程，通过计算机软件模拟以获得某种流体在某一特定的条件下的有关信息，从而实现用计算机来代替特定实验模型完成仿真试验，目前该技术已经广泛应用于热能动力、土木水利、航空航天与环境工程等领域[13-14]。

CFD技术是用特定的数值计算方法原则对所建立的研究模型的偏微分方程离散化处理，并通过数值模拟计算，求解按照流体运动的基本控制方程建立的离散方程组，获得能够反映出工程工况情况的结果和图像[15]。CFD技术应用面广，适应性较强，对于较复杂的流动问题可以比较有效且精确的找到数值解，对不具备实验条件的实验，可以利用计算机进行模拟，从而节省了大量的人力、物力和财力[16]。

1.2 Fluent软件

Fluent软件是当前比较广泛使用的CFD软件。由于Fluent软件采用了多种形式的求解方法与多重网格加速收敛的技术，因此具有较高的求解精度、较快的收敛速度。Fluent软件依靠其多变的非结构化网格，基于解的自适应网格技术，较成熟的物理模型，强大的前、后处理功能，在多相流、材料加工、航空航天、汽车设计、天然气石油、涡轮机工程等方面都有着较为广泛的应用[17-18]。

Fluent软件的基本功能主要有：前处理，设置与计算，后处理；

(1)前处理：主要用于建立几何模型及网格的生成；

(2)设置与计算：进行计算设置与求解，该步骤为数值求解的核心，主要功能是对控制方程进行离散求解;

(3)后处理：对模拟计算出的结果进行显示与输出，以便于观察与分析。可通过CFD-post、Tceplot等后处理软件进行。

1.3 虚拟仿真技术

虚拟仿真技术是基于计算机信息技术和虚拟现实等技术，创建一个虚拟可视系统来模仿另一个真实系统的新型技术。其逼真性和便捷性在用户实际运用过程中得到了良好的体现，目前虚拟仿真技术已经广泛应用在工程建设、农业生产研究以及环境生态保护等领域[19]。

2 斜管管径变化对沉淀池处理性能影响的实验研究

2.1 确定复合沉淀池运行工况

本实验的目标的研究斜管不同管径下沉淀池的沉淀效果，以优选出最适宜的斜管管径。通过相关研究资料可知，斜管沉淀池的斜管管径一般取50～90 mm，因此，假定复合沉淀池的其他挡板深度为2 m、斜管管径设定3个工况分别为工况1：0.05 m、工况2：0.07 m和工况3：0.09 m，通过改变复合沉淀池斜管的管径来改变复合沉淀池的流态，

各工况的局部网格划分图如图1～图3所示。

图1 工况1时斜管处网格划分图

图2 工况2时斜管处网格划分图

图3 工况3时斜管处网格划分图

2.2 各工况流速云图分析

沉淀池沉淀效果的好坏主要体现在其水流流态的稳定性上，而流态的稳定性是由观察沉淀池内的旋涡与短流区情况得出的，因此基于Fluent软件对沉淀池旋涡与短流区的流态进行数值模拟，得出并分析其速度(Velocity)云图。各工况下斜管区速度云图如图4～图6所示。

图4 工况1斜管区速度云图

图5 工况2斜管区速度云图

图6 工况3斜管区速度云图

通过图4～图6速度云图可以看出，改变斜管管径对沉淀池的流态总体影响不大，工况2时的流态比工况1和工况3时略好一些。

2.3 数值模拟结果分析

为了更直观的了解各个工况平流区与斜管区的速度的情况，也为了更直观得出哪种管径条件下更有利于复合沉淀池流态的平稳性，在各个工况的平流区距进水口5 m、10 m与15 m处设置三个断面，在斜管区出口设置出口断面(简称ck)，在斜管上部设置斜管上部断面(简称xgsb)，在斜管下部设置斜管下部断面(简称xgxb)，结合Reprot菜单下的Surface Integrals功能对沉淀池各断面平均速度进行分析，结果见下表，单位m/s。

表1 改变斜管管径条件下复合沉淀池斜管区各断面速度平均值表

结合各工况下流速云图和斜管区各断面速度进行分析可以得出，当沉淀池斜管管径为0.07 m即工况2时，沉淀池的沉淀效果最为理想。

3 虚拟仿真实验系统构建

为了使复合沉淀池处理性能虚拟仿真实验得以实现，全方位展示不同工况下复合沉淀池的工作原理、结构状况和运行时的流态状况，虚拟仿真实验系统的构建采用C++语言并通过Visual Studio工具进行程序开发，同时采用强大的3DS MAX作为建模工具对不同工况下的流态状况进行建模，以实现复合沉淀池处理性能实验的全过程、多角度仿真。

基于实验的需求和虚拟仿真系统的特性，本研究中虚拟仿真实验系统共分为以下几个部分：

(1)预习考试系统：系统内有针对本实验的题库，教师可对题库进行增、删、改、查等操作；可以上传实验相关资料供学生下载学习，可以设置做实验之前进行考试以及考试成绩的统计功能；

(2)虚拟仿真实验分类级管理系统：支持无限极的虚拟实验分类，并且可以根据学习设计的分类规则进行快速的添加修改等操作；

(3)虚拟仿真实验系统：结合实验步骤和虚拟仿真技术建立虚拟实验，学生可通过虚拟实验进行操作，最终完成实验；

(4)作业提交系统：在学生做完实验后，可进行实验报告、图片信息等提交，并有统计作业提交情况等功能；

(5)成绩管理系统：教师将学生自测部分成绩、实验报告成绩分别设置权重比例，系统依据教师设定按课程、班级统计作业成绩。

4 结 语

通过数值模拟理论对不同工况下沉淀池的运行状况进行数值模拟，同时构建包含复合沉淀池数值模拟实验的虚拟仿真实验系统，数值模拟实验高效精准的完成了复合沉淀池流态分析理论研究，虚拟仿真实验系统突破了时间和空间的限制，极大的满足了新冠疫情肺炎下学生对实验教课程学习的需求，同时对其他实验课程的教学有着重要的借鉴意义。