單丹丹 紀(jì)大偉 逯廣東

摘 要：數(shù)值模擬仿真技術(shù)具有形象直觀、可視化的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于海洋油氣工程專(zhuān)業(yè)主干課這類(lèi)涉及較多結(jié)構(gòu)力學(xué)與流體力學(xué)等知識(shí)體系的課程，在提高課程教學(xué)質(zhì)量、補(bǔ)充完善傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)等方面發(fā)揮著巨大的促進(jìn)作用，為此，首先在“海洋平臺(tái)工程”、“海洋油氣集輸工程”以及“海洋鉆井工程”這三門(mén)課程中探索將數(shù)值模擬仿真技術(shù)融入課堂，與海洋油氣工程專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)中的工程問(wèn)題、設(shè)計(jì)/開(kāi)發(fā)解決方案及研究相對(duì)應(yīng)，提高學(xué)生分析實(shí)際問(wèn)題及解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。

關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬;海洋油氣工程;海洋平臺(tái)工程;海洋油氣集輸工程;海洋鉆井工程

一、數(shù)值模擬仿真技術(shù)對(duì)于主干課教學(xué)的現(xiàn)實(shí)意義

1、能夠輔助課堂教學(xué)，提高課程教學(xué)質(zhì)量

在知識(shí)點(diǎn)的講解過(guò)程中，教師們往往習(xí)慣于把每個(gè)知識(shí)點(diǎn)分開(kāi)來(lái)講，然后再對(duì)所有知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)一歸納總結(jié)，這種方法會(huì)讓學(xué)生感覺(jué)到知識(shí)點(diǎn)繁雜，沒(méi)有規(guī)律可循，不便于記憶。但是如果應(yīng)用數(shù)值模擬仿真技術(shù)，可以針對(duì)一個(gè)工程實(shí)例進(jìn)行全面講解，通過(guò)一個(gè)例子就可以掌握一類(lèi)知識(shí)點(diǎn)，還能加深印象。學(xué)生們?cè)谇捌诮５倪^(guò)程中能夠?qū)?shí)際問(wèn)題進(jìn)行圖形化理解，還能鍛煉繪圖能力;在力學(xué)問(wèn)題加載的過(guò)程中，能夠?qū)αW(xué)性質(zhì)進(jìn)行全面的認(rèn)識(shí)，還能加深對(duì)公式的理解與掌握;在進(jìn)行后期結(jié)果處理的過(guò)程中，可以得出該問(wèn)題相應(yīng)的結(jié)論，以便用于指導(dǎo)工程實(shí)踐。

2、能夠補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提高實(shí)踐教學(xué)創(chuàng)造性

以往的實(shí)驗(yàn)教學(xué)都是一些比較基礎(chǔ)性的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容根據(jù)教師給定的教學(xué)大綱來(lái)定，往往限制了學(xué)生的大腦思維，使學(xué)生缺乏自主性、創(chuàng)造性，且這些實(shí)驗(yàn)經(jīng)常出現(xiàn)失敗、得不出有效數(shù)據(jù)的情況，也不能實(shí)現(xiàn)重復(fù)性，使學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果不能進(jìn)行反復(fù)的分析及驗(yàn)證。數(shù)值模擬仿真技術(shù)具有形象的動(dòng)畫(huà)顯示以及強(qiáng)大的建模、數(shù)據(jù)輸出的功能，可以對(duì)材料、結(jié)構(gòu)進(jìn)行多層次的實(shí)驗(yàn)數(shù)值模擬仿真，還可以實(shí)現(xiàn)反復(fù)性的驗(yàn)證模型方案。學(xué)生們可以通過(guò)仿真過(guò)程將處理問(wèn)題與分析工程實(shí)踐問(wèn)題的能力提高，還可以實(shí)現(xiàn)利用計(jì)算機(jī)輔助手段提高自身科研能力，從而為日后開(kāi)展創(chuàng)新性研究項(xiàng)目打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

二、數(shù)值模擬仿真技術(shù)在主干課程中的應(yīng)用探索

1、Ansys數(shù)值模擬軟件在海洋平臺(tái)工程課程中的應(yīng)用

該課程重點(diǎn)對(duì)導(dǎo)管架平臺(tái)、自升式平臺(tái)以及半潛式平臺(tái)的主要特點(diǎn)與工作原理進(jìn)行描述，并要求學(xué)生熟悉海洋平臺(tái)在各種工況下的力學(xué)性能及其分析方法，這些力學(xué)問(wèn)題應(yīng)用有限元法可以得到很好的解決。為此，將Ansys模擬軟件應(yīng)用到該課程的教學(xué)之中。海洋平臺(tái)工程涵蓋平臺(tái)結(jié)構(gòu)物在環(huán)境載荷作用下的受力變形與破壞等力學(xué)問(wèn)題，這些問(wèn)題對(duì)海洋平臺(tái)的設(shè)計(jì)、建造等具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，而傳統(tǒng)的教學(xué)方法會(huì)使學(xué)生在扎堆的知識(shí)點(diǎn)里摸不清重點(diǎn)，采用數(shù)值模擬仿真的教學(xué)方法能夠從整體上對(duì)一個(gè)工程問(wèn)題進(jìn)行解決，不僅易于公式的理解與掌握，更重要的，能夠?qū)崿F(xiàn)理論聯(lián)系實(shí)際，做到有的放矢。

2、FLUENT數(shù)值模擬軟件在海洋油氣集輸工程課程中的應(yīng)用

海洋油氣集輸工程課程的核心是圍繞各類(lèi)集輸管道而展開(kāi)，來(lái)研究管道內(nèi)外流體的流動(dòng)特性，應(yīng)用到工程流體力學(xué)方面的知識(shí)較多，F(xiàn)LUENT具有豐富的物理模型、先進(jìn)的數(shù)值方法，以及強(qiáng)大的前后處理功能，可以運(yùn)用不同的離散格式以及數(shù)值方法解決不同的流體運(yùn)動(dòng)復(fù)雜現(xiàn)象，不僅能夠提高計(jì)算速度，還能保證穩(wěn)定性與結(jié)果的精度，從而可以解決各領(lǐng)域中的復(fù)雜流動(dòng)問(wèn)題計(jì)算。因此，將FLUENT數(shù)值模擬仿真技術(shù)應(yīng)用于海洋油氣集輸工程的課堂講授中能夠在指導(dǎo)實(shí)踐，鍛煉學(xué)生處理工程實(shí)際問(wèn)題的能力上發(fā)揮著重要作用。

3、COMSOL數(shù)值模擬軟件在海洋鉆井工程課程中的應(yīng)用

海洋鉆井工程課程涵蓋了海洋石油天然氣鉆井的基本概念以及相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的原理、方法和主要技術(shù)體系。其中涉及到許多兩個(gè)或兩個(gè)以上物理場(chǎng)的耦合作用，而COMSOL Multiphysics可以基于PDE建模求解任意多物理場(chǎng)耦合問(wèn)題。COMSOL Multiphysics的底層理論基于數(shù)學(xué)物理方程，針對(duì)不同的工程問(wèn)題，可以從數(shù)學(xué)物理方法出發(fā)，修改相應(yīng)的底層方程，來(lái)對(duì)物理現(xiàn)象的本質(zhì)進(jìn)行揭露，從而可以靈活的適應(yīng)不斷變化的工程實(shí)際背景以及不斷發(fā)展的前沿科學(xué)，讓數(shù)值計(jì)算方法面對(duì)不斷深入的各類(lèi)研究處變不驚。因此，將COMSOL Multiphysics數(shù)值模擬仿真技術(shù)應(yīng)用于海洋鉆井工程的課堂講授中能夠達(dá)到很好的效果，不但能輕松處理各類(lèi)工程問(wèn)題，還能通過(guò)更改底層方程實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新性研究。

三、結(jié)束語(yǔ)

對(duì)海洋平臺(tái)工程、海洋油氣集輸工程以及海洋鉆井工程這三門(mén)課程采取數(shù)值模擬仿真技術(shù)融入課堂教學(xué)是一種對(duì)提高教學(xué)質(zhì)量行之有效的好辦法;同時(shí)，對(duì)于解決實(shí)驗(yàn)室建設(shè)資金昂貴以及特殊情況下不便于帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)等問(wèn)題，起到了良好的轉(zhuǎn)化作用，既能豐富學(xué)生的知識(shí)儲(chǔ)備，又能提高同學(xué)們的創(chuàng)新意識(shí)。

參考文獻(xiàn)

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[3]紀(jì)大偉，楊二龍，董馳，逯廣東，張弦.基于OBE理念的海洋油氣工程專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)的改革與實(shí)踐[J].教育現(xiàn)代化，2019，21：49-50.

作者簡(jiǎn)介：

單丹丹，女，（1984.8- ），黑龍江省寶清縣，碩士，講師，研究方向：海洋油氣工程。

課題項(xiàng)目：東北石油大學(xué)本科教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目，基于數(shù)值模擬仿真技術(shù)的海洋油氣工程專(zhuān)業(yè)主干課程的研究與實(shí)踐，2018-22。