“新工科”背景下港航专业实验教学仿真的探索与实践——以“桩基冲刷实验”为例

沈 超，王 琛，付小莉，李君菡

（1. 同济大学 水利工程系，上海 200092；2. 同济大学 地下建筑与工程系，上海 200092）

随着“互联网＋”时代的到来，以新技术、新业态、新模式、新产业为代表的“四新”经济蓬勃发展，不断提升人们生产与生活中各个环节的质量。对教育行业而言，这不仅对工程科技人才提出了更高要求，更对传统工程教育加快进行改革创新提出了更高期望，以迎接新的机遇与挑战[1]。近年来，多媒体、数据库、网络以及虚拟现实等数字化技术已在教育领域展开应用，达到了良好的效果。针对传统物理模型实验易受时间、设备和场地等因素限制的问题[2-3]，国内部分高校相继开展了仿真技术和基于网络的虚拟实验及教学应用等方面的研究[4]。在当前新工科“理念引导，结构优化，模式创新”思想的倡导下[5]，结合数值仿真技术自由度高、仿真度强等优点，利用虚拟仿真等技术以创新传统实验教学已见成效。因此，本文秉持相同的理念，以我校港口航道与海岸工程专业的本科教学实验——桩基冲刷实验——为例，在物理模型实验中加入虚拟仿真技术，为课程扩充丰富的实验内涵，为学生提供多元的学习平台，旨在培养工程实践水平高、创新思维能力强的高素质、复合型“新工科”人才。

1 数值仿真实验的建设

1.1 总体思路

实验教学环节在港口航道与海岸工程专业人才的培养过程中不可或缺，是加深学生对专业知识理解的重要手段，是培养学生实践与创新能力的重要过程[6]。然而，传统的实验教学环节受课时和场地限制，学生只能对少数工况开展实验，且无法清晰地捕捉细观的实验现象[3,7-8]。针对上述不足，基于桩基础的物理模型实验理论与条件，在保持传统环节的同时，本文引入虚拟仿真技术，以便将线上线下教学相结合，实现个性化、智能化、泛在化的实验教学新模式，从而推进教学体系的转型与升级，加深学生对实验理论与内涵的理解。与此同时，数值仿真实验的建设可以开拓学生视野与思维，适应实际工程中对数值计算能力日益提高的要求，锻炼学生将课本上的理论知识化散为整、综合运用的实践能力。

1.2 数值仿真计算模型

考虑到数值计算的准确性并兼顾计算效率，本实验对桩基冲刷进行仿真计算时，采用RNGk-ε模型，

式中：ρ为流体的密度；k=0.4，为冯卡曼常数；ui为i方向的速度分量；t为时间；xi和xj为i和j方向的位移分量；kα和εα为有效普朗特数的倒数；μeff为液体的有效黏度；Gk为平均速度梯度引起的湍流动能；ε为湍流耗散率；为校准后的流体模型参数，在本计算模型中分别取1.44 和1.92。

在计算泥沙起动与沉积时，河床剪切力是一个重要参数，它表征流体作用于河床表面时产生的剪切应力，可通过式（1）计算得到：

式中：u为流速；为剪切速度，τ为河床剪切应力，mρ为流体-床砂混合物的体密度，m表示泥沙为试验中的第m种；ν为流体的动力黏度；Y为计算点与边界的距离；ks为Nikuradse 砂粒糙率。

对于泥沙起动过程，认为颗粒在达到上举流速时即离开其所处位置，上举流速可由式（4）计算得到：

式中：ulift,n为上举流速，bn为河床泥沙表面外侧的法向量，nα为泥沙n的起动系数，在本模型中取0.018，n表示该泥沙为实验中的第n种，d*,n为量纲为1 的粒径，nθ和θcr,n分别表示谢尔兹参数和临界谢尔兹参数，g为重力加速度，dn为河床材料n的粒径，sn为流体动力黏度。

对于泥沙沉积过程，采用泥沙沉积速度判定其是否填补河床位置，可以由式（5）计算得到：

式中：usettle,n为泥沙沉积速度，νf为流体动力黏度。

1.3 数值仿真实验建设

桩基冲刷数值仿真实验采用计算流体力学软件，可以对实验中涉及的典型桥梁深水基础局部冲刷作用进行较好的模拟，并且计算得到河床相应位置的剪切应力分布，进而模拟局部水流结构在冲刷过程中的动态演化过程。在计算局部冲刷深度时，可以通过泥沙模型直接求解，得到基础周围位置的冲刷深度变化规律[9]。以单桩的数值模型为例，使用数值仿真计算对桩基附近的自由液面在受到波流作用时进行模拟，其操作流程为[10-11]：

（1）设置计算域及创建具体实验对象的几何结构、尺寸及计算域的大小。可在波流水槽中段设置与进行物理实验时尺寸一致的沉砂池，即深1.0 m、宽0.65 m、长2.7 m。取与物理实验尺寸相同的单桩、床砂范围、水深条件和流速条件进行计算。将直径为D的单桩布置在计算域中央位置，取0.3 m 厚度的床砂范围进行计算。为模拟实际环境中的围压条件，在床砂的前、后、左、右端加设了0.01 m 厚的挡板。根据实验设备的最佳工作条件，将水深设为25 cm，流速设为22.5 m/s。

（2）利用软件中自带功能划分网格。取流体域网络体积为Δx=Δy=Δz=0.008 m ，对桩基周围的网格进行加密和优化，总网格数量大于42 000 000。分好网络的单桩局部冲刷计算模型如图1 所示。

图1 单桩数值计算模型网格划分示意图[11]

（3）选定合适的边界条件及流体特性。入口边界采用速度边界条件（specified velocity），出口边界采用流出边界（outflow），侧边边界采用对称边界条件（symmetry），上边界同样采用对称边界条件（symmetry），下边界采用壁面边界条件（wall），初试条件压力选项选择静水压力，用水流高度25 cm 来对流体进行初始化。

（4）运行模拟，分析结果。模型采用瞬态计算，有助于较好地被捕捉到单桩周围的局部冲刷发展过程[3,9]。水流从入口处流入，经过一段时间后到达桩基础模型处，稍后水流稳定，纵向剖面上的流速分布不再变化，河床在冲刷作用下高程逐渐降低，起初发展迅速，经过一段时间后相对趋于平稳。计算时间为30 min 时，冲刷深度已经基本不再发生变化，此时认为达到了平衡状态。其计算结果和演化过程如图2 和3 所示。可以看到，靠近桩周围的河床高程最低，远离桩周围的高程较高。冲刷坑的大致形状和最大冲刷深度发生的位置与物模实验得到的结果基本一致。

通过上述方法，对双桩、群桩等多种不同形式的模型进行建模（图4 和5），学生可以任意调取上述模型进行实验观测。此外，数值仿真计算的开源软件较多，学生在掌握有限元计算的基础知识与操作流程后，在课下可根据自己的兴趣及需求选择计算软件，并根据不同实验目标建构相应的模型，对实验进行自主设计。

图2 单桩周围局部冲刷随时间发展计算结果示意图（单位：m）[11]

图3 河流条件作用下大直径单桩周围河床演化规律（节选）[11]

图4 左右并排双桩周围局部冲刷数值模拟计算结果（单位：m）[11]

图5 2×2 排式布置群桩周围局部冲刷数值模拟计算结果（单位：m）[11]

图6 传统模型试验设备及布置（以桩基础冲刷与河床演化分析为例）[10]

2 数值仿真实验的建设成效

2.1 突破物模实验瓶颈，提升实验内涵

该数值仿真实验形象、逼真地模拟了实际物理模型试验中模型布置、设备运行及实验过程，获得了与物理模型实验相一致的实验现象及有效结论。与物理模型实验相比，其优势包括：①数值仿真实验可以减小尺寸效应造成的影响，同时消除传感器尺寸及模型变形等因素对局部流场结构和冲刷过程产生的影响，还可以避免模型布置及数据采集过程中人为因素造成的数据偏差；②在物理模型实验中，由于采集仪器和波流水槽尺寸等因素的限制，对某些实验数据无法精确观察测量，例如冲刷坑深度和形状随时间发展变化的动态过程等，而数值模型则可弥补这一不足；③常规实体模型试验（见图6）受水槽物理参数影响，无法实现大尺度、大规模的群桩研究，但在实际工程中，群桩和大规模群桩的应用已经越来越普遍，而通过桩基础冲刷数值仿真实验的建设，可以模拟各种模型工况，能在较大的范围内变换实验参数、再现物理模型实验无法完成的复杂工程问题及其求解路径[12]。因此，在港航工程相关专业的实验教学环节中，引入虚拟仿真技术，可以实现传统实验与虚拟实验的优势互补，在理论教学内容的基础上，突破物理模型实验教学的技术瓶颈，提升实验内涵，更好地满足港航工程对复合型人才培养的要求。

2.2 打破时间空间壁垒，创新教学模式

桩基础是港航工程中常见的基础结构，也是相关专业所需掌握的重要基础知识之一。然而，大型试验设备投资成本高、占地面积大，我校水利港口综合实验室仅有一台波流水槽设备，无法满足每位学生进行全过程学习实践的需求。建设虚拟仿真试验后，学生可以随时使用计算流体力学软件开展仿真实验，有效弥补了以往实验教学中设备不足的缺点[13-15]。此外，学生在课上理论与实践学习的基础上，还可以在课下自主设计实验，选择实验内容、设计实验过程、分析实验现象、总结客观规律，将以往的被动实验转化为主动实验。实践表明，将数值仿真实验与现有教学模式紧密结合，对教学大纲、实验指导书、实验过程重新进行设计整合，通过课堂教学进行理念引导，以物理模型实验作为实践教学基础，将虚拟实验作为教学补充和创新设计平台，可以有效地打破时间和空间的壁垒，形成全过程、全时段的实验教学体系，优化了教学结构，创新了教学模式，扩展了教学资源。

2.3 激发学生学习热情，提高教学质量

桩基冲刷数值仿真实验的建设，不仅能促进学生对存在多元参数变化的物理现象有更全面、深刻的认识，还可以激发学生的创造力，锻炼学生实践操作能力。在掌握了比较简单的数值建模之后，学生可进一步根据自身需要，采用仿真计算软件对不同工况进行研究，有利于激发学生的实验兴趣与科研探究的积极性，拓展学生的思维发展空间，培养和提高学生的综合实验能力，为进一步参加创新课题、攻读研究生学位等打下良好基础。这一教学过程使学生有时间、空间和平台进行思考、探索与创新，可以帮助他们将不同领域的知识和技能综合为一个整体，将学习到的理论知识应用到解决实际问题中去。综上所述，将虚拟仿真实验教学与传统物理模型实验教学有机结合，不仅可以夯实专业理论知识，还能培养学生自我钻研意识、创新思维，对其日后参与港航工程相关的研究或工作十分有益。

3 结语

桩基冲刷数值仿真实验的建设，将物理模型实验线下操作与数值仿真线上训练相结合，实现了传统实验与虚拟实验的优势补充，创新了实践教学模式，在保证教学质量的同时，提升了实验内涵，开拓了学生的视野与思维，激发了学生自主学习的积极性，加强了学生对实验操作的动手能力。这是将专业知识体系融入到现代信息技术的良好实践，是对传统实验课程进行改革和创新的具体表现。本文中的教学改革实践成效显著，未来我校水利港口综合实验室将以物理模型实验为基础，以互联网技术为手段，以提升学生综合创新能力和科研素养为目标，深化虚拟仿真技术在实验教学中的应用，不断创新教学模式，培养出更多更好适应“新工科”发展需求的卓越工程师。