基于Web实时CFD技术的流体力学虚拟仿真实验探索.pdf

西南交通大学学报（社会科学版）2023 年 2 月 JOURNAL OF SOUTHWEST JIAOTONG UNIVERSITY Feb.2023 第 24 卷 （Social Sciences)Vol.24 增刊第 2 期 实验教学 基于 Web 实时 CFD 技术的 流体力学虚拟仿真实验探索 陈 力，魏晓玢，史晨晨，边明源，侯昱杉 路雅欣，王若溪，崔海航，陈登峰，胡 静（西安建筑科技大学）摘 要：虚拟仿真教学是现实实验教学的重要补充，而多数流体力学虚拟仿真实验的流动过程及实验数据均源自“人为制造”，虚拟仿真体现为预先准备的实验的结果展示，没有体现出真实流动现象的随机性和实验过程的偶然性。本文基于 Web实时（real-time）CFD数值计算技术，探索适用于流体力学类课程的体现物理真实的虚拟仿真实验方法，设计了两类流体力学实验，在小范围学生中进行了测试，证实了该方法的可行性。1.引言 传统的线下实验教学模式历史悠久，教育理论成熟，积累了丰富的经验，对各类人才的培养发挥了重要作用。然而实验教学存在普遍问题，如实验内容模式单一，实验设备数目等条件阻碍学生的参与度；教学内容缺少开放性，限制了学生的创造力，难以满足学生的求知欲；教学方法陈旧，学生往往按照固有的步骤完成实验并记录数据，学生对实验内在机制缺乏理解1。在计算机仿真技术的飞速发展、迫切的实验教学需求、疫情期间线下教学受阻等多重因素的影响下，虚拟仿真实验近年来得到广泛的重视和支持。2018 年，教育部启动了首批国家虚拟仿真实验教学项目，教育部高等教育司司长吴岩指出，“如果我们把这样的虚拟仿真项目持续地推进，将对中国的高等教育质量提高、推进公平，将会在卓越拔尖人才的培养方面取得非常重要的、有效的一个手段，一个创新。”目前，国家虚拟仿真实验教学课程共享平台已开放 1171 项虚拟仿真实验（截止 2022 年7 月），对应 43 个专业类别，可供全国各高校学生使用。然而，通过调研发现，在国内已建成的流体力学类在线虚拟仿真平台中，多数实验的流动过程及实验数据均源自“人为制造”，虚拟仿真体现为预先准备的实验的结果展示，没有体现出真实流动现象中的随机性和实验过程的不可控性。因此，许多高校在流体力学实验教学中引入计算流体力学（CFD）软件来避免流动数据的失真，然而 CFD 软件的使用需要较高的门槛，学生在参与实践的过程中对各增刊第 2 期 155 陈 力 基于 Web 实时 CFD 技术的流体力学虚拟仿真实验探索 个求解器的选择、物理模型的选择理解不足，最终又会演变成传统的照本宣科的实验模式2-8。本文基于 Web 的实时（real-time）CFD 数值计算技术，探索适用于流体力学类课程的体现物理真实的虚拟仿真实验方法，合理设计实验方案以降低 CFD 软件的使用门槛，使学生可以通过访问 Web页面完成虚拟仿真实验，并可以进行 CFD 线上学习与模拟计算。二、基于 Web 实时 CFD 技术的流体力学实验 1.Web 实时 CFD 技术简介 CFD 的本质是利用数值模型求解如 Navier-Stokes 等控制方程，工程中常用的有限体积法、有限元法往往难以满足实时计算的需求，需要高性能硬件的支持，若要实现多用户的计算访问，服务器的计算压力极大。基于 Web 页面的计算程序避免了计算需求的集中化，将计算任务分摊到用户端，调用学生本地的计算资源。然而，学生端计算机性能往往无法预计，在 CFD 方法的选择上需要有很高的兼容性。目前对硬件要求较低的高效实时 CFD 计算方法有两种，快速流体动力学（Fast Fluid Dynamics,FFD）9和格子 Boltzmann 方法（Lattice Boltzmann Method,LBM）10。前者主要用于娱乐用途的流体动画显示，其求解精度较低；后者为近几十年发展起来的求解方法，与传统 CFD 方法具有同等精度，此外还有天然并行性、易于处理复杂边界等特点。因此，LBM 十分适合用于 Web 页面实时计算。目前，韦伯州立大学物理系丹施罗德用 JavaScript 编写的 Web 页面 LBM 程序可以实现二维绕流问题的实时流体现象的模拟11。基于 Web 实时 CFD 技术的虚拟仿真实验具有多种优势：仅通过浏览器就可以在多平台上（电脑、手机、平板等）运行，提供多样化的实验方式；通过合理的交互界面设计，隐藏复杂的物理模型的设置，避免学生对于 CFD 软件操作陌生的问题；基于 Web 页面开发的实验，可以通过互联网分享给更多的人使用，且不需要额外安装 CFD 软件，点开链接就能直接使用，实现所见即所得。另外，由于学生端硬件的限制，流动计算域网格数会受到限制，难以用于三维问题的模拟计算。2.流体力学虚拟仿真实验的实施 本文开发拓展了韦伯州立大学的流动模拟页面程序，利用 LBM 通过 Web 前端 JavaScript 脚本调用学生端硬件资源，在实现实时 CFD 流场数值模拟的基础上，设计了两类流体力学实验：卡门涡现象与脱离周期（外流问题，图 1a）和突然扩大管的局部阻力（内流问题，图 1b）。以前者为例，学生可以在交互界面中设置合适的初始条件与边界条件，自由绘制障碍物的形状和大小，进行流场的计算与页面的绘图显示，学生在交互界面中可以查看并记录流场数值模拟的结果，经过数据处理后得到 Re数与 St 数的关系（图 1c）。（a）卡门涡现象与脱离周期实验页面；（b）突然扩大管的局部阻力实验页面；（c）某学生实验数据及得到的Re-St数关系；（d）实验课现场照片。西安建筑科技大学建筑环境与能源应用工程 2020 级学生（130 人）的流体力学实验课中，我们初次应用了卡门涡现象与脱离周期 Web 页面实验（图 1d），通过课后作业批阅及调查问卷显示，实验作业完成率达到 100%，学生满意度达到 97.5%，但人机交互和流畅度有待提高。此次实践测试说明Web 实时 CFD 技术可以用于流体力学类实验教学。156 西南交通大学学报（社会科学版）第 24 卷 图 1 基于 Web 实时 CFD 技术虚拟仿真实验的实施 三、结语 虚拟仿真技术应用于实验教学为新工科教育模式提供了新的发展方向，虚拟仿真教学是现实实验教学的重要补充。而常见的基于网页图像引擎的虚拟实验平台一般已经将实验结果提前预设，丧失了实验的真实性。因此，我们采用的可体现物理真实的实时 CFD 流场数值模拟技术，让学生能够观察到真实的流动现象，增强感性认识，并且通过学生主动参与流动参数的设置、流动物理量的测量，既获得了教学过程中实验与理论的相互印证，又实现了从理论到实验过程的深入认知。本团队后续工作中拟发展建立基于高效实时 CFD 数值模拟技术的网络实验平台，探索适用于流体和热工类课程的体现物理真实的虚拟仿真实验方法，并通过建立网络实验平台进行实践验证。参考文献：1 方奕栋.关于工程流体力学本科教学的反思J.课程教育研究,2017(32):223-224.2 赵青林,成诚,谢丰,等.虚拟仿真实验教学建设中现存问题及改进建议J.郧阳师范高等专科学校学报,2019.3 朱近赤,谢迎春,李相坤,等.基于CFD的工程流体力学实验教学改革初探J.教育观察,2022,11(07):121-124.4 牛海波,李育新,刘会玲,等.基于Unity 3D的物理实验仪器虚拟系统J.物理实验,2021,41(11):32-37.5 韦维.WebGL在线三维虚拟仿真实验教学项目开发模式探索J.教育教学论坛,2021(26):108-111.6 郗艳红.本科流体力学课程中引入CFD内容的探索与实践J.高等建筑教育,2019,28(04):85-89.7 唐婉.CFD模拟技术在流体力学实验教学改革中的若干探索J.教育教学论坛,2020(09):119-120.8 杨忠国,谢秋菊,于海明.基于CFD的流体力学雷诺实验模拟J.牡丹江师范学院学报(自然科学版),2009(01):38-39.9 Khan M A I,Delbosc N,Noakes C J,et al.Real-time flow simulation of indoor environments using lattice Boltzmann methodJ.Building Simulation,2015,8(4):405-414.10 郭照立,郑楚光.格子Boltzmann 方法的原理及应用M.北京:科学出版社,2009.11 Schroeder D.Fluid Dynamics SimulationEB/OL.https:/physics.weber.edu/schroeder/fluids/.