可交互過程在工程設(shè)計教學(xué)中的應(yīng)用
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摘要：在工程設(shè)計教學(xué)過程中，以往的動畫或者實驗演示視頻教學(xué)，是既不能打開操作，又不能從外部直接觀察其內(nèi)部狀態(tài)的系統(tǒng)。文章使用虛實并舉的可交互過程，根據(jù)所設(shè)定的地層和施工參數(shù)，通過軟件對壓裂模型進(jìn)行選擇，并計算得到最優(yōu)壓裂幾何形狀，可以將“黑箱問題”轉(zhuǎn)化為“灰箱問題”，對參數(shù)進(jìn)行直接修改。通過該虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)，可以使學(xué)生直觀地看到參數(shù)變化對水力壓裂的影響。通過虛實結(jié)合的可交互過程，既可以展示設(shè)計內(nèi)容的直接效果，又得到了教學(xué)講授相關(guān)的計算原理及應(yīng)用效果，使學(xué)生深入理解工程設(shè)計與應(yīng)用過程。
關(guān)鍵詞：水力壓裂；可交互過程；虛擬仿真；實驗教學(xué)；石油工程
一、可交互水力壓裂教學(xué)軟件設(shè)計
計算機的VisualBasic語言的可視化編程可以很好地滿足建立虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)的要求。在對裂縫二維模型的裂縫幾何形狀進(jìn)行計算時，首先在窗體上設(shè)置各個參數(shù)的輸入對話框，當(dāng)所有的必要參數(shù)全部編寫完成后，在計算方面，調(diào)用之前所編寫的參數(shù)對話框中的輸入值，通過計算公式與之對應(yīng)，就可以快速地得到所需要的裂縫幾何形狀，從而擺脫了煩瑣的人工計算。同時其也在界面上展示了不同模型的示意圖和假設(shè)條件，并且在每個模型模擬壓裂過程中會根據(jù)他們的假設(shè)條件，給出壓裂過程中的裂縫長度和裂縫寬度的動畫演示圖，這樣教師在日后的二維模型教學(xué)過程中就可以更好地將程序展示給學(xué)生，使學(xué)生對于二維模型的認(rèn)識更加深刻，對初期的壓裂有進(jìn)一步的認(rèn)識。該交互式軟件為學(xué)生提供了一個室內(nèi)現(xiàn)場模擬操作平臺，學(xué)生通過實踐能夠了解油層酸化、水力壓裂的基本概念，熟悉現(xiàn)場布局、設(shè)備操作。該模塊由模擬混砂車操作控制臺、壓裂車操作控制臺、多媒體教學(xué)系統(tǒng)三大部分構(gòu)成。教師可以利用多媒體動畫課件模擬現(xiàn)場，通過多媒體教學(xué)投影系統(tǒng)講解演示壓裂酸化工具結(jié)構(gòu)、原理以及壓裂酸化作業(yè)流程。利用仿真模擬預(yù)期水力壓裂的效果，讓學(xué)生能直觀地看出地層起裂過程，也可以改變部分參數(shù)并進(jìn)行不同情況下（兩套以上）的起裂時間與裂縫幾何參數(shù)等效果對比，讓學(xué)生能夠直觀評價地層水力壓裂方案的可行性。在程序設(shè)計中，利用其高度的可視化特點可以在其界面設(shè)置一系列的操作區(qū)域，如輸入?yún)^(qū)域、計算區(qū)域和演示區(qū)域。其中在PKN模型的可視化窗體上顯示的模型假設(shè)條件可以很清楚地知道PKN模型的假設(shè)來源，方便學(xué)生了解其原理。模型的示意圖展示了PKN模型所計算的裂縫在地下的分布狀況，在輸入?yún)?shù)方面顯示了地層參數(shù)和施工參數(shù)的輸入框，可以輸入一系列的施工或者地層參數(shù)；計算區(qū)域則根據(jù)輸入框的參數(shù)值，應(yīng)用計算公式得到裂縫的幾何形狀；公式展示區(qū)域顯示了裂縫幾何形狀的計算公式，方便學(xué)生自己推導(dǎo)計算；最后的裂縫壓裂過程中的模擬動畫，則更加直觀地展現(xiàn)了地層裂縫從開始壓裂到結(jié)束的裂縫變化狀態(tài)。這樣在程序的界面上就完全展示了PKN模型的所需要素。在其他壓裂計算模型的模塊中也采用相同的設(shè)計原理，通過簡單明了地輸入計算演示功能可以很好地使學(xué)生理解不同模型的適用性和區(qū)別。
二、可交互水力壓裂教學(xué)軟件的應(yīng)用
根據(jù)虛擬現(xiàn)實視覺、聽覺和觸覺等優(yōu)勢，水力壓裂虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)有以下特色：1.外部與內(nèi)部仿真相結(jié)合，原理與設(shè)計并舉。本軟件在操作演示的同時，還注重剖析內(nèi)部的本質(zhì)變化，詳細(xì)還原了壓裂過程中的地層起裂等過程，使學(xué)生能夠更加深入地理解工程工藝原理的相關(guān)教學(xué)內(nèi)容。2.直觀反映工程設(shè)計與效果之間的影響，變“黑箱問題”為“灰箱問題”。以往的動畫或者實驗演示視頻，既不能打開操作，又不能從外部直接觀察其內(nèi)部狀態(tài)的系統(tǒng)。該虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)首先從整理好的算例出發(fā)，預(yù)定兩套以上仿真方案，并能夠進(jìn)行不同參數(shù)下的仿真模擬，在基本展示水力壓裂的直接效果的基礎(chǔ)上，又得到了教學(xué)講授相關(guān)的計算及原理應(yīng)用效果，使學(xué)生深入理解水力壓裂的工藝工程設(shè)計與應(yīng)用過程。
三、結(jié)論
在實際教學(xué)中，該虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)同時實現(xiàn)了演示和交互的雙重目的，為學(xué)生提供了一個室內(nèi)現(xiàn)場模擬操作平臺，讓學(xué)生能直觀地看出地層起裂過程。此外，還可以改變部分參數(shù)并進(jìn)行不同情況下的起裂時間與裂縫幾何參數(shù)等效果對比，讓學(xué)生能夠直觀評價地層水力壓裂方案的可行性，從而使學(xué)生深入掌握在教學(xué)過程中該部分的計算與設(shè)計原理，激發(fā)學(xué)生的科研興趣，加深對基礎(chǔ)知識的綜合理解，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。
作者：袁士寶 蔣海巖 蔡文斌 任宗孝 周德勝 單位：西安石油大學(xué)