可交互過程在工程設計教學中的應用

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摘要：在工程設計教學過程中，以往的動畫或者實驗演示視頻教學，是既不能打開操作，又不能從外部直接觀察其內部狀態的系統。文章使用虛實并舉的可交互過程，根據所設定的地層和施工參數，通過軟件對壓裂模型進行選擇，并計算得到最優壓裂幾何形狀，可以將“黑箱問題”轉化為“灰箱問題”，對參數進行直接修改。通過該虛擬仿真實驗教學系統，可以使學生直觀地看到參數變化對水力壓裂的影響。通過虛實結合的可交互過程，既可以展示設計內容的直接效果，又得到了教學講授相關的計算原理及應用效果，使學生深入理解工程設計與應用過程。

關鍵詞：水力壓裂；可交互過程；虛擬仿真；實驗教學；石油工程

一、可交互水力壓裂教學軟件設計

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系統的要求。在對裂縫二維模型的裂縫幾何形狀進行計算時，首先在窗體上設置各個參數的輸入對話框，當所有的必要參數全部編寫完成后，在計算方面，調用之前所編寫的參數對話框中的輸入值，通過計算公式與之對應，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條件，并且在每個模型模擬壓裂過程中會根據他們的假設條件，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過程中就可以更好地將程序展示給學生，使學生對于二維模型的認識更加深刻，對初期的壓裂有進一步的認識。該交互式軟件為學生提供了一個室內現場模擬操作平臺，學生通過實踐能夠了解油層酸化、水力壓裂的基本概念，熟悉現場布局、設備操作。該模塊由模擬混砂車操作控制臺、壓裂車操作控制臺、多媒體教學系統三大部分構成。教師可以利用多媒體動畫課件模擬現場，通過多媒體教學投影系統講解演示壓裂酸化工具結構、原理以及壓裂酸化作業流程。利用仿真模擬預期水力壓裂的效果，讓學生能直觀地看出地層起裂過程，也可以改變部分參數并進行不同情況下（兩套以上）的起裂時間與裂縫幾何參數等效果對比，讓學生能夠直觀評價地層水力壓裂方案的可行性。在程序設計中，利用其高度的可視化特點可以在其界面設置一系列的操作區域，如輸入區域、計算區域和演示區域。其中在PKN模型的可視化窗體上顯示的模型假設條件可以很清楚地知道PKN模型的假設來源，方便學生了解其原理。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，在輸入參數方面顯示了地層參數和施工參數的輸入框，可以輸入一系列的施工或者地層參數；計算區域則根據輸入框的參數值，應用計算公式得到裂縫的幾何形狀；公式展示區域顯示了裂縫幾何形狀的計算公式，方便學生自己推導計算；最后的裂縫壓裂過程中的模擬動畫，則更加直觀地展現了地層裂縫從開始壓裂到結束的裂縫變化狀態。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生理解不同模型的適用性和區別。

二、可交互水力壓裂教學軟件的應用

根據虛擬現實視覺、聽覺和觸覺等優勢，水力壓裂虛擬仿真實驗教學系統有以下特色：1.外部與內部仿真相結合，原理與設計并舉。本軟件在操作演示的同時，還注重剖析內部的本質變化，詳細還原了壓裂過程中的地層起裂等過程，使學生能夠更加深入地理解工程工藝原理的相關教學內容。2.直觀反映工程設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部狀態的系統。該虛擬仿真實驗教學系統首先從整理好的算例出發，預定兩套以上仿真方案，并能夠進行不同參數下的仿真模擬，在基本展示水力壓裂的直接效果的基礎上，又得到了教學講授相關的計算及原理應用效果，使學生深入理解水力壓裂的工藝工程設計與應用過程。

三、結論

在實際教學中，該虛擬仿真實驗教學系統同時實現了演示和交互的雙重目的，為學生提供了一個室內現場模擬操作平臺，讓學生能直觀地看出地層起裂過程。此外，還可以改變部分參數并進行不同情況下的起裂時間與裂縫幾何參數等效果對比，讓學生能夠直觀評價地層水力壓裂方案的可行性，從而使學生深入掌握在教學過程中該部分的計算與設計原理，激發學生的科研興趣，加深對基礎知識的綜合理解，培養學生的創新能力。

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