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
中图分类号：TV3 文献标识码：A
Application of 3D Numerical Simulation Technology in
Class Teaching of Hydraulic Structures
ZHANG Yang[1], QIANG Sheng[2]
[1]College of Hydraulic Science and Engineering, Yangzhou University, Yangzhou, Jiangsu 225009;
[2] College of Water Conservancy and Hydropower Engineering, Hohai University, Nanjing, Jiangsu 210098)
AbstractUsing multi-media as the supporter, the whole structure and temperature field distribution of gravity dam are presented intuitively and vividly by 3D numerical simulation. It can help students intensify the knowledge about the gravity dam"s structure and the temperature problems caused by the poor conductivity of the concrete and the dam"s large volume. This teaching way may bring a beneficial reference for the classroom teaching of related specialized courses.
Key wordsgravity dam; numerical simulation; classroom teaching
0 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、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、预测未知情况。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，共划分有限單元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。
参考文献
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[2]王泽鹏,张秀辉,胡仁喜.ANSYS 12.0热力学有限元分析从入门到精通[M].北京:机械工业出版社,2010.
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