（1）专业与年级要求

本实验属于南京理工大学新能源科学与技术专业三年级学生的专业基础课《风能转化原理与风电场规划》课程的授课内容。鉴于本实验课程的实验内容具有较强的专业针对性，全校其它专业的学生也可根据专业需求和个人能力选择进行选修。

（2）基本知识和能力要求

具备一定的风力发电基础知识和一定的计算机使用能力，具备流体力学、空气动力学等知识储备，具有自主学习能力和一定的自主探索能力，能够在实验过程中总结分析特定实验结果背后的原因，将专业理论知识活学活用。

（3）实验注意事项

本实验为综合型课程实验，具有较强的高阶性、创新性和挑战度，对于本科大三学生而言难度略大。为确保教学质量，提出以下实验注意事项。

① 实验前，学生应认真阅读实验指导书，在教师指导下明确实验目的及各环节的知识点和重难点，奠定实验理论基础；

② 请选择符合条件要求的软硬件实验环境开展实验，以保证实验操作的流畅性。

③ 实验过程中，请仔细阅读各环节任务要求，并根据步骤引导开展实验。当实验结果不理想时，请思考问题出现的原因并认真修改；同时，还可通过微信群、QQ等方式寻求在线指导。

④ 请充分利用知识角，通过知识点课件库开展拓展阅读，扩充自己的专业知识。

⑤ 完成实验后，请及时提交实验报告，并结合实验报告认真回顾实验过程，针对不足查找原因，并积极开展互动交流，以进一步巩固理论知识、提升创新思维能力。

1、我国风电并网装机容量已连续12年稳居全球第一，能源供应方式正在悄悄发生变革。

在国家政策的大力扶持下，风力发电技术发展迅猛，自2010年开始，我国风电并网装机容量已连续12年稳居全球第一。在“碳达峰、碳中和”的宏伟目标下，国务院印发了《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》，明确指出2030年，非化石能源消费比重达到25%左右，风电、太阳能发电总装机容量达到12亿千瓦以上；据世界能源理事会预测，到2060年光伏和风力发电占全球电源比重最大将达39%。2021年，中国风电并网装机容量更是突破3亿千瓦大关，风电装机量占全国电源总装机量的13.9%，占全球风电装机的40%，风电利用率达96.9%。

2、风电领域建设急需具备自主创新实践能力的优秀风力发电技术人才。

未来的风力发电趋势表现为风电机组单机容量持续增大、海上风电技术成为重要发展方向等方面。此外，提高机群安装场地选择的准确性、改进机群布局的合理性、提高运行的可靠性、稳定性，实现运行的最佳控制以及进一步降低设备投资及发电成本等也是风电领域专家须不断努力的研究方向。而加强新一代青年投入风力发电研究，为风电研发储备更多人才是目前需要关注的问题；持续的研发投入才能使我国风力发电的发展处于稳步增长的发展水平。本次风力发电虚拟仿真实验的学习，可使同学们掌握风力发电能量一次转化的原理并具备实践应用能力，而且潜移默化地激发学生投身风力发电建设的情怀和使命感，是教学所面临的重要挑战。

3、风力发电原理实验现场无法开展，传统教学方式难以理解，急需应用虚拟仿真方法进行实验教学。

风力发电方面优秀的公开课程并不多，除了在有限的科研论文和书籍中有关于风力发电原理技术的论述外，目前可供学生参考学习的实验操作步骤并不多，从而使学生的学习仅仅停留在理论环节，并没有真正达到实践与掌握的目的。此外，现代大型风力机单机容量持续增大，叶片长度已到达百米级别，无法在实际实验室进行测量，必须借助计算机仿真来评估其发电性能。传统的教学，包括风洞缩比模型的实验测量，并不能真实反映风力机的实际特性，因此急需应用虚拟仿真方法进行实验教学。

为形象生动地传授风能转化原理实验知识，本项目团队遵循“学生为本-循序渐进-容错优化-科教融合”的设计原则，自主设计了风能转化原理虚拟仿真实验。

（1）坚持以学生为本、自主学习探究的教学理念。

坚持以学生为中心，以任务驱动为导向，科学合理地设置实验教学环节。实验基于风力发电能量一级转化过程，真实还原了从空气流动拥有的动能到风力机叶轮旋转获得的机械能的实验场景，并提供了内容详实的知识点和知识角，引导学生围绕任务开展自主式的学习和探究，身临其境地通过虚拟仿真操作，高效有序地开展实验。

（2）设置科学合理、循序渐进的实验环节。

实验依据《风能转化原理与风电场规划》课程大纲和关键知识点建立了多层次、多模块的实验教学体系，使学生逐步完成“基础认知、分析设计、应用探索”三个层面的实验，循序渐进地开展“基本原理知识学习、设计分析能力训练、创新工程思维培养”的实践学习过程，充分掌握风力发电能量一级转化过程的基本原理，初步构建风能转化原理知识体系。

（3）实现容错探究、修正优化的实践操作。

实验结果错误或不理想时，学生可根据提示和评估结果进行多次尝试，实现实验结果的修正和优化，从而使学生充分感受到探索、解决问题的乐趣，提升求知欲和探索能力，培养学生建立理论设计、仿真验证、反复优化的工程设计思维，以及设计计算、实践操作和工程应用的能力。

（4）坚持科教融合、立德树人的教育理念。

在国家政策的大力扶持下，风力发电技术发展迅猛，而我国风电领域建设急需具备自主创新实践能力的优秀风力发电技术人才。本实验充分利用团队所掌握的最新的风力发电技术虚拟仿真手段，将科研成果转化为教学资源，在传授风力发电技术新知识的同时，潜移默化地激发学生投身风力发电的情怀和使命感。

本实验坚持以学生为中心、以立德树人为根本的教学理念，通过虚拟仿真所营造的情景体验式的教学环境，使学生循序渐进地开展“基本原理知识学习、分析设计基础构筑、创新思维能力提升”的学习实践过程，完成“基础认知、分析设计、应用探索”三个层次的训练，实现以下具体教学目标：

① 在风力发电原理认知环节：帮助学生认知消化风力机、翼型、发电叶片、尖速比等与风能转换原理虚拟仿真实验密切相关的专业名词，使学生掌握风力发电工作原理的知识。

② 在风力发电模型构建环节：帮助学生掌握表征风力机性能的各项参数；掌握风能利用系数各项的含义，能够设计气动性能优良的风力机翼型叶片；使学生掌握风力发电原理的数值计算方法，培养学生风力发电的知识素养，构筑风力发电模型虚拟仿真实验的基础。

③ 在虚拟仿真实验环节：通过虚拟仿真软件，建立仿真所需要的场域，选择合适的求解算法，设定合理的求解步数及时间步长，理解仿真设置背后的科学依据，锻炼学生应用理论知识解决实际工程问题的能力，提升创新思维能力。

④ 通过知识角中风力发电国内外进展等方面的拓展阅读和对比，结合我国近年来在风力发电领域取得的巨大进展，将思政教育潜移默化地融入到实验教学过程中，激发学生的专业认同感以及投身风力发电建设的情怀和使命感。

本实验采用任务驱动式教学方法，学生开展实验的过程，就是完成任务的过程，学生完成任务的质量是实验成绩评定的主要依据。

根据“风能转化原理虚拟仿真实验”的具体操作步骤，本实验将分为3部分（实验模型准备、仿真模型设置、后处理及结果分析），分别对学生在3个实验环节中的完成情况进行评分，最后再按照3个实验环节分别占20%、45%和35%的权重计算学生的最终实验成绩。

每个实验环节的实验成绩评价标准如下：

一、风能转化原理风力机实验模型准备（占总成绩20%）

1、选定叶片种类，生成叶片不同展向位置的叶片翼型，并构建发电叶片；（10分）

2、根据风力机塔筒、机舱等参数，构建整个风力机风几何外形。（10分）

二、风能转化原理仿真模型设置（占总成绩45%）

1、根据不同几何部位特征（叶轮旋转、塔筒静止等），构建流场域，并设定子域；（5分）

2、根据流场流速梯度变化，为整个模型构建流场域计算的网格；（10分）

3、了解计算流体力学的不同湍流模型，并选定适用于本实验的湍流模型；（10分）

4、给定计算域的边界条件（包括进口、出口、四周边界及子域之间的交界面等）；（10分）

5、设置域的运动状态，比如本实验需要给定叶轮的转动；（5分）

6、了解不同求解方法，并给定本实验所用的求解方法。（5分）

三、风能转换原理后处理及结果分析（占总成绩35%）

1、计算完成，数据读取并分析结果是否可靠收敛；（10分）

2、数据处理。带入功率系数、力矩系数等公式计算风力机性能参数；（15分）

3、实验分析及讨论。（风力机功率系数与力矩系数之间有何关联？如何实现风力机力矩和推力的测试？）（10分）