数值模拟技术

1、数值模拟技术 三维数值模拟技术在水工建筑物课堂教学中的应用 摘 要 以多媒体为载体，通过三维数值模拟直观生动地表现重力坝的整体结构及不同时期的温度场分布， 加深学生对重力坝整体结构的认识，以及弱导热性材料和大体积结构造成的温度问题， 可为类似专业课的课堂教学提供有益的参考。关键词重力坝 数值模拟课堂教学： TV3 ：AApplication of 3D Numerical Simulation Technology inClass Teaching of Hydraulic StructuresZHANG Yang1, QIANG Sheng21Collegeof HydraulicScien

2、ce and Engineering,YangzhouUniversity, Yangzhou, Jiangsu 225009;2 College of Water Conservancy and Hydropower Engineering, Hohai University, Nan _g, Jiangsu 210098)AbstractUsing multi-media as the supporter, the wholestructureand temperaturefielddistributionof gravitydamarepresented intuitivelyand v

3、ividlyby 3D numerical simulation.Itcan help studentsintensifythe knowledge about the gravitydam"s structureand the temperatureproblems caused by the poorconductivity of the concrete and the dam"s large volume. Thisteachingway may bringa beneficialreferencefor the classroomteaching of relat

4、ed specialized courses.Key wordsgravity dam; numerical simulation; classroom teaching0 引言随着科技的发展、时代的变迁，多媒体教学逐渐取代了传统的板书授课，以图文并茂、声像俱佳的形式呈现在学生面前，从而将课堂教学引入一个全新的境界。 水工建筑物是水利水电工程专业一门重要的专业课，由于课程内容广泛且与生产紧密结合， 很多知识点不易在课堂内理解， 再加上大型水工建筑物多处于城郊或偏远山区或， 在日常生活中不多见， 因而学生的感性认识较少， 给课堂教学带来一定的困绕。同时，对于结构的内部存在的物理变化，无法通过照片

5、、录像等教学方式进行解释。因此，对某些不易理解的知识点，有必要结合更为先进的技术，以获得良好的教学效果。针对这一问题，笔者尝试在授课过程中结合工程实例，利用三维数值模拟技术以直观地、 清晰地方式再现重力坝的整体面貌与考虑时间效应的温度场演变过程，给学生以直观的感受，引导发挥想象、积极思考，有效提高课堂教学的质量和效率。1 数值模拟数技术三维数值模拟主要是通过核心计算程序及前、后处理模块直观地、生动地再现已知现象、预测情况。该方法具有灵活性、方便性及可重复性，已在结构工程、岩土工程、桥梁工程、磨具制造等专业领域内广泛应用，并逐渐被引入到教学领域。 本文单纯从教学角度出发，以 ANSYS软件为例说

6、明三维数值模拟技术在水工建筑物课堂教学中的应用。2 应用举例针对水工建筑物中“重力坝混凝土体积大、温控问题突出”这一知识点，以国内某电站的拦河坝为例，应用 ANSYS软件进行实体建模和温度场仿真模拟， 向学生直观地展示不同时刻坝体横截面温度场云图，使其深入理解重力坝内施工期水泥发热及混凝土材料导热性差造成的内部温度不易散去这一现象。2.1工程概况该电站上世纪五十年代建成，拦河坝为混凝土空腹重力坝，坝顶全长 153 米，最大坝高 67.5 米，最大坝底宽度58.3 米。2.2实体建模与网格剖分仿真计算以其中一个溢流坝段为分析对象，采用ANSYS建模。模型中：坝前地基长度、坝后地基长度以及地基深度

7、均取为两倍坝高，坝体大小符合实际尺寸。模型完成后，共划分有限单元28276 个，节点 37593 个，具体网格见图1。2.3混凝土热学参数整个坝体含 5 种标号的混凝土。其主体结构混凝土绝热温升值为： = 25.18 （1- ），其中为混凝土龄期。2.4边界条件坝体两个侧面、基岩底部及其四周取为绝热边界，裸露在空气中的表面按照第三类边界条件计算。2.5三维数值仿真结果该坝段施工期历时 14 个月，于 1957 年春季施工结束。图 2 为施工结束后 1 个月时的整体温度场云图， 图 3 为 1970 年 11 月的温度场云图，图 3 为 1985 年 12 月温度场云图。2.6教学效果通过以上重

8、力坝的三维实体模型的演示，学生对重力坝的形状和基本构造有了更加直观、清晰的认识。从不同时刻的温度场云图，不难发现：混凝土的表面温度主要受外界气温影响，而内部温度下降缓慢，施工完一个月，坝体表面温度为10左右时，内部高温仍在30以上（详见图 2），最大内外温差达 20以上。由图 3 可见，当该坝段运行 15 年后，即便是表面遭到寒潮冷击后， 内部高温仍在 20以上，这充分说明混凝土材料的导热性差，内部热量不易发散。若不采取任何温控措施， 依靠自然降温将是一个非常缓慢的过程。除此之外，过大的内外温差会给结构带来一系列不利的影响。3 结语三维数值模拟技术在水利工程的教学中有着广阔的应用前景。在计算机中，可以逼真地表现水工建筑物的整体结构，生动地再现结构内温度场、渗流场、应力及应变的发展过程、变化规律。所以，将三维数值模拟技术与水工建筑物教学有效结合，以多媒体为载体， 将教学中难以理解的理论知识以生动的画面展现在学生面前，不仅能提高教学质量，而且还可以激发学生的学习兴趣，增加利用数值仿真技术进行工程计算的意识，为以后的设计和科研工作打下基础。_1 朱伯芳 . 大体积混凝土温度应力与温度控制 M. 北京 : 中国电力出版社 ,19