爆燃灾害演化虚拟仿真实验教学系统建设与应用.pdf
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1、 ISSN1672-4305CN12-1352/N实 验 室 科 学LABORATORY SCIENCE第 26 卷 第 3 期 2023 年 6 月Vol.26 No.3 Jun.2023 爆燃灾害演化虚拟仿真实验教学系统建设与应用王云艳,赵 蕊,陈东平,王 成(北京理工大学 爆炸科学与技术国家重点实验室,北京 100081)摘 要:针对气体爆燃灾害实验的实施困难和场地限制等问题,设计了基于 Unity 软件的爆燃灾害演化虚拟仿真实验,建立了多种爆燃现象的虚拟仿真资源,阐述了管道爆燃实验中不同约束条件下爆燃灾害的演化过程。学生可以远程开展爆燃灾害虚拟实验,将理论教学中的相关知识与实验过程有机
2、结合。实验结果表明,基于爆燃灾害演化虚拟仿真系统教学直观形象,不受时间和空间的限制,通过逼真的实验场景重现,附以图形文字、深度互动等方式,让学生犹如身临其境,深入浅出地掌握实验的原理、方法和操作步骤,对课程理论教学起到了很好的支撑作用。关键词:气体爆燃实验;仿真系统;实验教学中图分类号:G642 文献标识码:A doi:10.3969/j.issn.1672-4305.2023.03.022Construction and application of virtual simulation teaching system for evolution of deflagration disast
3、erWANG Yunyan,ZHAO Rui,CHEN Dongping,WANG Cheng(State Key Laboratory of Explosion Science and Technology,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China)Abstract:A virtual teaching system of gas deflagration was designed based on Unity software to over-come the current limitations in the experi
4、ments.The teaching system includes virtual resources for mul-tiple deflagration experiments,which reveal the detailed evolution process of deflagration in the pipe-line experiment.Students can carry out virtual experiments on the gas deflagration remotely,and com-bine theoretical knowledge with the
5、experimental process.The applications of the virtual teaching sys-tem show that the virtual system provides a better visualization on the detailed evolution of gas deflagra-tion and overcomes the limitation of practical experiments in time and space.The realistic visualization experience reproduces
6、the practical experiments,but the interactions via graphics and images help students understand the principles of the experiment,the method and operation steps in a straightfor-ward way.Overall,the virtual teaching system plays an important role in the experimental practices and serves as the supple
7、ment of theoretical teaching.Key words:gas deflagration experiment;simulation system;experimental teaching 收稿日期:2021-03-30 修改日期:2022-10-07作者简介:王云艳,学士,高级实验师,爆炸科学与技术国家重点实验室计算与仿真中心主任,主要研究方向为安全工程、机械设计。E-mail:yywang 通讯作者:赵蕊,硕士,工程师,主要研究方向为分子动力学。E-mail:18010055903 可燃气体爆燃事故是工业生产以及日常生活中相对频发的一类灾难性事故,一旦发生爆燃,产生
8、的高温、高压气体会给生命和财产安全造成严重威胁。因此,迫切需要对气体爆燃现象的致灾机理和传播过程进行研究。气体爆燃是一个复杂的过程,包括流动现象与化学反应间的耦合、火焰与激波的相互作用等多种因素1-3。北京理工大学爆炸科学与技王云艳,等:爆燃灾害演化虚拟仿真实验教学系统建设与应用术国家重点实验室面向国家需要,结合安全工程专业,建设了爆燃灾害演化虚拟仿真实验平台,进行危险性实验与虚拟仿真结合的探索。1 实验教学存在的问题“爆燃灾害演化实验”是安全专业方向教学的重要实验环节,为燃烧学基础、流体力学等骨干必修课提供实践教学支撑。爆燃灾害演化实验涵盖常见气体在促爆和抑爆等外在因素作用下的火焰传播行为,
9、使学生全面掌握不同条件下爆燃现象致灾原因,致灾行为和相应的抑制手段4-6。但是,传统的实验面临以下难题。1.1 实验难以独立操作爆燃灾害实验采用了大型、昂贵的长管路实验设备(如图 1 所示),实验过程具有高温、高速、高危险等特点,实验设备台套数少,难以满足本科实验教学的需要。传统实验的整体过程中多以学生观摩为主,教师操作实验设备,这导致学生没有实际独立的操作训练的机会,教学过程中缺乏互动和即时信息反馈。图 1 爆燃灾害长管道实验现场1.2 难以近距离的观察从安全的角度上考虑,爆燃实验禁止学生在实验过程中进入实验室近距离的观察。同时受到管路的结构限制,无法观察到内部气体的流动、金属挡板附件边界层
10、的形成等关键流场状态,使得传统实验的教学内容设计与实施存在局限性。1.3 无法开展极限条件下的实验传统的实验过程中,由于实验现象都是瞬时发生,学生在实验中无法观察具体过程。1.4 实验过程中无法对突发的情况和故障开展针对性的实验,特别是安全事故在实际过程中,致灾事故多由于不规范操作和意外因素所致,在传统实验过程中由于考虑学生安全等因素,无法开展针对性实验。以上因素严重影响和制约了爆燃灾害的实验教学效果,不利于安全专业人才培养目标的实现。虚拟仿真实验为解决上述问题提供了有效的教学手段。2 虚拟仿真实验教学系统建设内容2.1 虚拟仿真实验教学资源的构建在传统实物实验中,北京理工大学爆炸科学与技术国
11、家重点实验室的长管路实验设备可以实现多种类型的爆炸过程参数测试与不同模式的控制实验,包括了速度特性、压力特性、爆燃转爆轰特性、边界条件、抑制方法等7-9。这些内容远远超出了基本课程的综合与研究,以达到对于知识点的深层次理解。因此,爆燃灾害演化虚拟仿真实验以北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室的长管路实验 10-11设备为建模对象(如图 2 所示),基于 Unity对真实场景进行完整重现,支持学生自主操作设备。在实验说明的指导下,复习巩固爆燃相关基本原理,对设备进行认知和操作,独立地完成全部的实验,可以让学生了解设备工作原理,熟悉实验操作流程,近距离地观察设备运行的情况,应对多方突发紧急情况
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