“新工科”背景下港航專業實驗教學仿真的探索與實踐——以“樁基沖刷實驗”為例

沈 超，王 琛，付小莉，李君菡

（1. 同濟大學 水利工程系，上海 200092；
2. 同濟大學 地下建筑與工程系，上海 200092）

隨著“互聯網＋”時代的到來，以新技術、新業態、新模式、新產業為代表的“四新”經濟蓬勃發展，不斷提升人們生產與生活中各個環節的質量。對教育行業而言，這不僅對工程科技人才提出了更高要求，更對傳統工程教育加快進行改革創新提出了更高期望，以迎接新的機遇與挑戰[1]。近年來，多媒體、數據庫、網絡以及虛擬現實等數字化技術已在教育領域展開應用，達到了良好的效果。針對傳統物理模型實驗易受時間、設備和場地等因素限制的問題[2-3]，國內部分高校相繼開展了仿真技術和基于網絡的虛擬實驗及教學應用等方面的研究[4]。在當前新工科“理念引導，結構優化，模式創新”思想的倡導下[5]，結合數值仿真技術自由度高、仿真度強等優點，利用虛擬仿真等技術以創新傳統實驗教學已見成效。因此，本文秉持相同的理念，以我校港口航道與海岸工程專業的本科教學實驗——樁基沖刷實驗——為例，在物理模型實驗中加入虛擬仿真技術，為課程擴充豐富的實驗內涵，為學生提供多元的學習平臺，旨在培養工程實踐水平高、創新思維能力強的高素質、復合型“新工科”人才。

1.1 總體思路

實驗教學環節在港口航道與海岸工程專業人才的培養過程中不可或缺，是加深學生對專業知識理解的重要手段，是培養學生實踐與創新能力的重要過程[6]。然而，傳統的實驗教學環節受課時和場地限制，學生只能對少數工況開展實驗，且無法清晰地捕捉細觀的實驗現象[3,7-8]。針對上述不足，基于樁基礎的物理模型實驗理論與條件，在保持傳統環節的同時，本文引入虛擬仿真技術，以便將線上線下教學相結合，實現個性化、智能化、泛在化的實驗教學新模式，從而推進教學體系的轉型與升級，加深學生對實驗理論與內涵的理解。與此同時，數值仿真實驗的建設可以開拓學生視野與思維，適應實際工程中對數值計算能力日益提高的要求，鍛煉學生將課本上的理論知識化散為整、綜合運用的實踐能力。

1.2 數值仿真計算模型

考慮到數值計算的準確性并兼顧計算效率，本實驗對樁基沖刷進行仿真計算時，采用RNGk-ε模型，

式中：ρ為流體的密度；
k=0.4，為馮卡曼常數；
ui為i方向的速度分量；
t為時間；
xi和xj為i和j方向的位移分量；
kα和εα為有效普朗特數的倒數；
μeff為液體的有效黏度；
Gk為平均速度梯度引起的湍流動能；
ε為湍流耗散率；
為校準后的流體模型參數，在本計算模型中分別取1.44 和1.92。

在計算泥沙起動與沉積時，河床剪切力是一個重要參數，它表征流體作用于河床表面時產生的剪切應力，可通過式（1）計算得到：

式中：u為流速；
為剪切速度，τ為河床剪切應力，mρ為流體-床砂混合物的體密度，m表示泥沙為試驗中的第m種；
ν為流體的動力黏度；
Y為計算點與邊界的距離；
ks為Nikuradse 砂粒糙率。

對于泥沙起動過程，認為顆粒在達到上舉流速時即離開其所處位置，上舉流速可由式（4）計算得到：

式中：ulift,n為上舉流速，bn為河床泥沙表面外側的法向量，nα為泥沙n的起動系數，在本模型中取0.018，n表示該泥沙為實驗中的第n種，d*,n為量綱為1 的粒徑，nθ和θcr,n分別表示謝爾茲參數和臨界謝爾茲參數，g為重力加速度，dn為河床材料n的粒徑，sn為流體動力黏度。

對于泥沙沉積過程，采用泥沙沉積速度判定其是否填補河床位置，可以由式（5）計算得到：

式中：usettle,n為泥沙沉積速度，νf為流體動力黏度。

1.3 數值仿真實驗建設

樁基沖刷數值仿真實驗采用計算流體力學軟件，可以對實驗中涉及的典型橋梁深水基礎局部沖刷作用進行較好的模擬，并且計算得到河床相應位置的剪切應力分布，進而模擬局部水流結構在沖刷過程中的動態演化過程。在計算局部沖刷深度時，可以通過泥沙模型直接求解，得到基礎周圍位置的沖刷深度變化規律[9]。以單樁的數值模型為例，使用數值仿真計算對樁基附近的自由液面在受到波流作用時進行模擬，其操作流程為[10-11]：

（1）設置計算域及創建具體實驗對象的幾何結構、尺寸及計算域的大小?？稍诓魉壑卸卧O置與進行物理實驗時尺寸一致的沉砂池，即深1.0 m、寬0.65 m、長2.7 m。取與物理實驗尺寸相同的單樁、床砂范圍、水深條件和流速條件進行計算。將直徑為D的單樁布置在計算域中央位置，取0.3 m 厚度的床砂范圍進行計算。為模擬實際環境中的圍壓條件，在床砂的前、后、左、右端加設了0.01 m 厚的擋板。根據實驗設備的最佳工作條件，將水深設為25 cm，流速設為22.5 m/s。

（2）利用軟件中自帶功能劃分網格。取流體域網絡體積為Δx=Δy=Δz=0.008 m ，對樁基周圍的網格進行加密和優化，總網格數量大于42 000 000。分好網絡的單樁局部沖刷計算模型如圖1 所示。

圖1 單樁數值計算模型網格劃分示意圖[11]

（3）選定合適的邊界條件及流體特性。入口邊界采用速度邊界條件（specified velocity），出口邊界采用流出邊界（outflow），側邊邊界采用對稱邊界條件（symmetry），上邊界同樣采用對稱邊界條件（symmetry），下邊界采用壁面邊界條件（wall），初試條件壓力選項選擇靜水壓力，用水流高度25 cm 來對流體進行初始化。

（4）運行模擬，分析結果。模型采用瞬態計算，有助于較好地被捕捉到單樁周圍的局部沖刷發展過程[3,9]。水流從入口處流入，經過一段時間后到達樁基礎模型處，稍后水流穩定，縱向剖面上的流速分布不再變化，河床在沖刷作用下高程逐漸降低，起初發展迅速，經過一段時間后相對趨于平穩。計算時間為30 min 時，沖刷深度已經基本不再發生變化，此時認為達到了平衡狀態。其計算結果和演化過程如圖2 和3 所示?？梢钥吹?，靠近樁周圍的河床高程最低，遠離樁周圍的高程較高。沖刷坑的大致形狀和最大沖刷深度發生的位置與物模實驗得到的結果基本一致。

通過上述方法，對雙樁、群樁等多種不同形式的模型進行建模（圖4 和5），學生可以任意調取上述模型進行實驗觀測。此外，數值仿真計算的開源軟件較多，學生在掌握有限元計算的基礎知識與操作流程后，在課下可根據自己的興趣及需求選擇計算軟件，并根據不同實驗目標建構相應的模型，對實驗進行自主設計。

圖2 單樁周圍局部沖刷隨時間發展計算結果示意圖（單位：m）[11]

圖3 河流條件作用下大直徑單樁周圍河床演化規律（節選）[11]

圖4 左右并排雙樁周圍局部沖刷數值模擬計算結果（單位：m）[11]

圖5 2×2 排式布置群樁周圍局部沖刷數值模擬計算結果（單位：m）[11]

圖6 傳統模型試驗設備及布置（以樁基礎沖刷與河床演化分析為例）[10]

2.1 突破物模實驗瓶頸，提升實驗內涵

該數值仿真實驗形象、逼真地模擬了實際物理模型試驗中模型布置、設備運行及實驗過程，獲得了與物理模型實驗相一致的實驗現象及有效結論。與物理模型實驗相比，其優勢包括：①數值仿真實驗可以減小尺寸效應造成的影響，同時消除傳感器尺寸及模型變形等因素對局部流場結構和沖刷過程產生的影響，還可以避免模型布置及數據采集過程中人為因素造成的數據偏差；
②在物理模型實驗中，由于采集儀器和波流水槽尺寸等因素的限制，對某些實驗數據無法精確觀察測量，例如沖刷坑深度和形狀隨時間發展變化的動態過程等，而數值模型則可彌補這一不足；
③常規實體模型試驗（見圖6）受水槽物理參數影響，無法實現大尺度、大規模的群樁研究，但在實際工程中，群樁和大規模群樁的應用已經越來越普遍，而通過樁基礎沖刷數值仿真實驗的建設，可以模擬各種模型工況，能在較大的范圍內變換實驗參數、再現物理模型實驗無法完成的復雜工程問題及其求解路徑[12]。因此，在港航工程相關專業的實驗教學環節中，引入虛擬仿真技術，可以實現傳統實驗與虛擬實驗的優勢互補，在理論教學內容的基礎上，突破物理模型實驗教學的技術瓶頸，提升實驗內涵，更好地滿足港航工程對復合型人才培養的要求。

2.2 打破時間空間壁壘，創新教學模式

樁基礎是港航工程中常見的基礎結構，也是相關專業所需掌握的重要基礎知識之一。然而，大型試驗設備投資成本高、占地面積大，我校水利港口綜合實驗室僅有一臺波流水槽設備，無法滿足每位學生進行全過程學習實踐的需求。建設虛擬仿真試驗后，學生可以隨時使用計算流體力學軟件開展仿真實驗，有效彌補了以往實驗教學中設備不足的缺點[13-15]。此外，學生在課上理論與實踐學習的基礎上，還可以在課下自主設計實驗，選擇實驗內容、設計實驗過程、分析實驗現象、總結客觀規律，將以往的被動實驗轉化為主動實驗。實踐表明，將數值仿真實驗與現有教學模式緊密結合，對教學大綱、實驗指導書、實驗過程重新進行設計整合，通過課堂教學進行理念引導，以物理模型實驗作為實踐教學基礎，將虛擬實驗作為教學補充和創新設計平臺，可以有效地打破時間和空間的壁壘，形成全過程、全時段的實驗教學體系，優化了教學結構，創新了教學模式，擴展了教學資源。

2.3 激發學生學習熱情，提高教學質量

樁基沖刷數值仿真實驗的建設，不僅能促進學生對存在多元參數變化的物理現象有更全面、深刻的認識，還可以激發學生的創造力，鍛煉學生實踐操作能力。在掌握了比較簡單的數值建模之后，學生可進一步根據自身需要，采用仿真計算軟件對不同工況進行研究，有利于激發學生的實驗興趣與科研探究的積極性，拓展學生的思維發展空間，培養和提高學生的綜合實驗能力，為進一步參加創新課題、攻讀研究生學位等打下良好基礎。這一教學過程使學生有時間、空間和平臺進行思考、探索與創新，可以幫助他們將不同領域的知識和技能綜合為一個整體，將學習到的理論知識應用到解決實際問題中去。綜上所述，將虛擬仿真實驗教學與傳統物理模型實驗教學有機結合，不僅可以夯實專業理論知識，還能培養學生自我鉆研意識、創新思維，對其日后參與港航工程相關的研究或工作十分有益。

樁基沖刷數值仿真實驗的建設，將物理模型實驗線下操作與數值仿真線上訓練相結合，實現了傳統實驗與虛擬實驗的優勢補充，創新了實踐教學模式，在保證教學質量的同時，提升了實驗內涵，開拓了學生的視野與思維，激發了學生自主學習的積極性，加強了學生對實驗操作的動手能力。這是將專業知識體系融入到現代信息技術的良好實踐，是對傳統實驗課程進行改革和創新的具體表現。本文中的教學改革實踐成效顯著，未來我校水利港口綜合實驗室將以物理模型實驗為基礎，以互聯網技術為手段，以提升學生綜合創新能力和科研素養為目標，深化虛擬仿真技術在實驗教學中的應用，不斷創新教學模式，培養出更多更好適應“新工科”發展需求的卓越工程師。