一种明渠水流衔接虚拟仿真实验平台、方法、系统及应用技术方案

本发明专利技术属于虚拟仿真技术领域，公开了一种明渠水流衔接虚拟仿真实验平台、方法、系统及应用。该实验平台采用精细化3D建模、水流动画仿真和人机交互等技术进行三维场景的搭建及水流现象的还原，包括实验介绍模块、基础知识模块、实验设计模块、现象观测模块、智能计算模块和实验考核模块。本发明专利技术坚持以需补实、能实不虚和虚实结合的原则，借助虚拟仿真实验平台将专业教学与虚拟现实技术深度融合，通过灵活多样的交互环节，提出一种全新的实验方法和教学方式是水利工程专业实验教学改革的新路径。本发明专利技术利用深度融合知识逻辑与工程实践，将传统单项实验整合为综合设计实验，实现了不同水流现象有机衔接，提升实验效率和效果。提升实验效率和效果。提升实验效率和效果。

【技术实现步骤摘要】
一种明渠水流衔接虚拟仿真实验平台、方法、系统及应用


[0001]本专利技术属于虚拟仿真
，尤其涉及一种明渠水流衔接虚拟仿真实验平台、方法、系统及应用。

技术介绍

[0002]现有技术中，以演示为主的传统实验教学模式已不能满足工科人才的培养要求，培养全新工程科技人才势在必行。
[0003]明渠流是重要的水流现象之一，其衔接方式复杂多样。高校水力学实验教学中一般设置“明渠水面线实验”、“水跃实验”、“堰流实验”、“闸孔出流实验”等单项实验，主要以演示为主兼顾学生动手能力，尚存在诸多不足：(1)实验教学与工程实践脱节，在水流衔接方式、流动特性上差异较大；(2)实验室实验装置和控制条件的局限性，同实际明渠相比渠道断面形状不同，水深、流量等均较小，无法全面再现真实尺度的明渠工程及水流现象；(3)实验教学案例单一，单项实验各自独立分割了各水流现象的联系，综合性差；(4)仪器数量有限，学生参与度低。
[0004]通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
[0005](1)传统实验教学手段具有局限性，工程尺度实验成本高、消耗高、实际运行困难。
[0006](2)现有技术实验教学设备可重复使用效果差，实验周期长，且实验不可逆等，实验效率低下。

技术实现思路

[0007]为克服相关技术中存在的问题，本专利技术公开实施例提供了一种明渠水流衔接虚拟仿真实验平台、方法、系统及应用。
[0008]所述技术方案如下：一种明渠水流衔接虚拟仿真实验平台，包括：
[0009]实验介绍模块，用于获取实验目的、实验原理、考核知识点及实验步骤数据信息，并设置全局、局部和渡槽槽顶巡视路不同视角用于识别工程背景和实验场景图像；
[0010]基础知识模块，用于获取明渠、水工建筑物的体型和参数数据信息，以及获取水位、流速及流量量测仪器的工作原理数据信息；
[0011]实验设计模块，用于获取自主选择的上游底坡、下游底坡、堰型、闸门型式可变参量，进行实验设计工况的设置；
[0012]现象观测模块，用于获取自主选择的来水流量、闸门开度、下游水位可变参量，进行运行工况的设置，形成有序的明渠流动信息；还用于获取明渠水面曲线和水跃衔接形式、闸孔出流、堰流局部水流现象信息；以及还用于依次循环实验设计模块设置的实验设计工况和设置的运行工况，再次形成有序的明渠流动信息，得到新的水面曲线和局部水流现象图像；
[0013]智能计算模块，用于智能水力模拟得到水跃跃前/跃后水深及跃长、闸孔出流或堰流的流量系数、作用全水头及出流流量变量，绘制出闸孔出流或堰流的流量
‑
作用全水头关
系曲线图，并获得流量和作用全水头之间的关系，以及通过采用水位量测获取量测仪器适用条件及使用方法信息；
[0014]实验考核模块，用于通过输入的思维训练、理论和操作考核数据，生成并导出实验报告，进行可视化示出。
[0015]在一实施例中，所述实验介绍模块还用于获取不同水工建筑物布置、不同运行工况及取水调度情况下水面曲线变化规律及局部水流现象的信息。
[0016]在一实施例中，所述基础知识模块包括：
[0017]水工建筑物三维仿真模块，用于获取明渠及平板闸门、弧形闸门、宽顶堰、实用断面堰水工建筑物三维仿真模型，以及还用于将获得的水力参数、公式和文字进行配对组合；
[0018]量测仪器三维仿真模块，用于获取水位、流速和流量量测仪器三维仿真模型，并进行水位、流速和流量量测仪器的名称、用途和适用范围配对组合。
[0019]在一实施例中，所述实验设计模块进行实验设计工况(实验工况包括“实验设计工况”和“实验运行工况”；实验设计工况包括4个参数，在“实验设计模块”选择；实验运行工况包括3个参数，在“现象观测模块”选择)的设置，包括上游明渠底坡、下游明渠底坡、堰型和闸门型式实验设计工况，其中实验设计工况上游和下游明渠底坡选择范围均为0.00003
‑
0.00008(间隔0.00001)，实验设计工况堰型包括宽顶堰和实用断面堰，实验设计工况闸门型式包括平板闸门和弧形闸门。
[0020]在一实施例中，所述现象观测模块包括：
[0021]进行实验运行工况设置，包括来水流量、闸门开度和下游水位实验运行工况，其中实验运行工况来水流量选择范围为0.5
‑
5m(间隔0.5m)，实验运行工况闸门开度选择范围为15
‑
135m3/s(间隔15m3/s)，实验运行工况下游水深选择范围为1.5
‑
5m(间隔0.5m)；
[0022]通过明渠水面曲线水力模拟计算，获取明渠水面曲线信息；
[0023]通过放水河节制闸处局部水流现象仿真模拟，以翻转卡牌形式获取实验工况的局部水流现象，并通过三维仿真动画，获取不同出流现象及水跃衔接形式，以及获取不同类型局部水流现象剖面图及水力参数示意图。
[0024]在一实施例中，所述智能计算模块包括：
[0025]智能水力模拟模块，自动计算得到水力模拟实验数据，结合工程实际运行随机选择实验工况并自动计算随机模拟实验数据，实验数据包括水跃跃前/跃后水深及跃长、闸孔出流或堰流的流量系数、作用全水头及出流流量，用于绘制出闸孔出流或堰流的流量
‑
作用全水头关系曲线图，获取流量和作用全水头之间的关系；
[0026]水位量测模块采用虚拟现实手法，进行量测仪器适用条件及使用方法模拟。
[0027]具体的，智能计算模块还用于：
[0028]水力模拟实验数据：智能水力模拟得到水跃跃前/跃后水深及跃长、闸孔出流或堰流的流量系数、作用全水头及出流流量，至少10组实验工况，后“归类”保留同类数据，如10组中保留6组同类数据；
[0029]随机模拟实验数据：结合工程实际运行，系统随机生成同类实验工况，智能水力模拟得到水跃跃前/跃后水深及跃长、流量系数、作用全水头及出流流量，同水力模拟实验数据共保留至少10组数据；如在6组水力模拟实验数据基础上，随机生成4组随机模拟实验数据，最终得到10组同类实验数据；
[0030]“曲线”：出现闸孔出流或堰流流量
‑
作用全水头散点图，并绘制平滑的关系曲线。
[0031]在一实施例中，所述实验考核模块中生成并导出实验报告包括：根据操作准确度和完整度分步打分；结合现象观测模块和智能计算模块的功能进行考核题、思考分析考核题的设置，获取最后得分，生成并导出实验报告。
[0032]本专利技术的另一目的在于提供一种支撑所述明渠水流衔接虚拟仿真实验平台运行的实验系统，从上至下包括：
[0033]数据层，用于设置虚拟实验的基础元件库、实验课程库、典型实验库、标准答案库、规则库、实验数据、用户信息实现对相应数据的存放和管理；
[0034]支撑层，用于数据信息的运行、维护和管理；
[0035]通用服务层，用于提供虚拟实验教学环境的通用支持组件，在虚拟实验环境完成虚拟仿真实验；本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种明渠水流衔接虚拟仿真实验平台，其特征在于，该明渠水流衔接虚拟仿真实验平台包括：实验介绍模块(1)，用于获取实验目的、实验原理、考核知识点及实验步骤数据信息，并设置全局、局部和渡槽槽顶巡视路的视角，用于识别工程背景和实验场景图像；基础知识模块(2)，用于获取明渠、水工建筑物的体型和参数数据信息，以及获取水位、流速及流量量测仪器的工作原理数据信息；实验设计模块(3)，用于获取自主选择的上游底坡、下游底坡、堰型、闸门型式可变参量，进行实验设计工况的设置；现象观测模块(4)，用于获取自主选择的来水流量、闸门开度、下游水位可变参量，进行运行工况的设置，形成有序的明渠流动信息；获取明渠水面曲线和水跃衔接形式、闸孔出流、堰流局部水流现象信息；以及依次设置循环实验设计模块(3)的实验设计工况和设置的运行工况，再次形成有序的明渠流动信息，得到新的水面曲线和局部水流现象图像；智能计算模块(5)，用于智能水力模拟得到水跃跃前/跃后水深及跃长、闸孔出流或堰流的流量系数、作用全水头及出流流量变量，绘制出闸孔出流或堰流的流量
‑
作用全水头关系曲线图，获得流量和作用全水头之间的关系，以及通过采用水位量测获取量测仪器适用条件及使用方法信息；实验考核模块(6)，用于通过输入的思维训练、理论和操作考核数据，生成并导出实验报告，进行可视化示出。2.根据权利要求1所述的明渠水流衔接虚拟仿真实验平台，其特征在于，所述实验介绍模块(1)还用于获取不同水工建筑物布置、不同运行工况及取水调度情况下水面曲线变化规律及局部水流现象的信息。3.根据权利要求1所述的明渠水流衔接虚拟仿真实验平台，其特征在于，所述基础知识模块(2)包括：水工建筑物三维仿真模块，用于获取明渠及平板闸门、弧形闸门、宽顶堰、实用断面堰水工建筑物三维仿真模型，以及还用于将获得的水力参数、公式和文字进行配对组合；量测仪器三维仿真模块，用于获取水位、流速和流量量测仪器三维仿真模型，并进行水位、流速和流量量测仪器的名称、用途和适用范围配对组合。4.根据权利要求1所述的明渠水流衔接虚拟仿真实验平台，其特征在于，所述实验设计模块(3)进行实验设计工况的设置包括进行上下游明渠底坡、堰型和闸门型式实验工况，其中实验设计工况上游和下游明渠底坡以间隔0.00001为准，选择范围为0.00003
‑
0.00008；实验设计工况堰型包括：宽顶堰和实用断面堰；实验设计工况闸门型式包括：平板闸门和弧形闸门。5.根据权利要求1所述的明渠水流衔接虚拟仿真实验平台，其特征在于，所述现象观测模块(4)进行实验运行工况设置包括：进行来水流量、闸门开度和下游水位实验运行工况，其中实验运行工况来水流量选择范围为0.5
‑
5m，实验运行工况闸门开度选择范围为15
‑
135m3/s...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘殷竹，张晨，高学平，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：