張宏偉 周 永 馮瑋珺 杭 偉 宋雨衡 孫燁彤

(大連海洋大學(xué)土木與海洋學(xué)院，遼寧 大連 116023)

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多功能水力學(xué)實(shí)驗(yàn)水槽教學(xué)器材研制

張宏偉 周 永 馮瑋珺 杭 偉 宋雨衡 孫燁彤

(大連海洋大學(xué)土木與海洋學(xué)院，遼寧 大連 116023)

以伯努利控制方程為理論依據(jù)，量綱分析為研究手段，把流體靜力學(xué)實(shí)驗(yàn)、不可壓縮流體恒定流能量方程實(shí)驗(yàn)等7個(gè)實(shí)驗(yàn)課程的器材作為研究?jī)?nèi)容，對(duì)水箱的尺寸、水箱和管道連接布局進(jìn)行優(yōu)化，從而在整體上將結(jié)構(gòu)近似、功能單一的水槽實(shí)驗(yàn)器材整合一體化，解決了現(xiàn)存水力學(xué)實(shí)驗(yàn)器材功能單一、占地面積大、結(jié)構(gòu)維護(hù)復(fù)雜等問題。

水力學(xué)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)儀器，水槽，教學(xué)大綱

水力學(xué)實(shí)驗(yàn)，是水力學(xué)科教學(xué)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，由于人們對(duì)流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律認(rèn)識(shí)的局限性，很多流動(dòng)的規(guī)律和公式是通過實(shí)驗(yàn)分析而總結(jié)出來的。在深化改革，完成教學(xué)大綱的要求，以及培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析和解決問題的能力，都占有重要的位置。而各高校水力學(xué)實(shí)驗(yàn)室水槽器材，1999年以來大多數(shù)依從浙江大學(xué)毛根海先生[1]的實(shí)驗(yàn)思想而建立。但這套儀器存在功能單一、占地面積大、維護(hù)構(gòu)件復(fù)雜等缺陷，顯然現(xiàn)存實(shí)驗(yàn)器材數(shù)量和近年來的高校大幅度擴(kuò)招以及教學(xué)大綱對(duì)學(xué)生的獨(dú)立分析和解決實(shí)際問題的能力要求相背馳的。因此，研制多功能實(shí)驗(yàn)水槽的工作是迫在眉睫的一項(xiàng)任務(wù)。

1 原理分析

本文把流體靜力學(xué)實(shí)驗(yàn)、不可壓縮流體恒定流能量方程實(shí)驗(yàn)、局部水頭損失實(shí)驗(yàn)、沿程水頭損失實(shí)驗(yàn)、雷諾實(shí)驗(yàn)、孔口與管嘴出流實(shí)驗(yàn)、水頭損失綜合實(shí)驗(yàn)等7個(gè)實(shí)驗(yàn)課程的器材作為研究?jī)?nèi)容。分別對(duì)不同實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵?、?shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)原理進(jìn)行了歸類整理[2]。

1.1 實(shí)驗(yàn)的目的歸納

表1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康臍w納表

本文分別針對(duì)上述7個(gè)實(shí)驗(yàn)，所涉及到的測(cè)量參數(shù)和實(shí)驗(yàn)?zāi)康倪M(jìn)行了歸納如表1所示。

由表1可以看出，所涉及的7個(gè)實(shí)驗(yàn)所測(cè)量的參數(shù)和目的，具有相似性。也為我們進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)備整合，利用一套測(cè)量設(shè)備，分別對(duì)7個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)量提供了很好的理論依據(jù)。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備歸納

除實(shí)驗(yàn)1(靜水壓強(qiáng)實(shí)驗(yàn))以外，其余6個(gè)實(shí)驗(yàn)共用儀器：自循環(huán)供水器、實(shí)驗(yàn)臺(tái)、可控硅無極調(diào)速器、溢流板、穩(wěn)水孔板、恒壓水箱、測(cè)壓計(jì)、滑動(dòng)測(cè)量尺、測(cè)壓管、實(shí)驗(yàn)流量調(diào)節(jié)閥、回水管、匯水器、實(shí)驗(yàn)管道。而不同儀器：靜水壓強(qiáng)實(shí)驗(yàn)有自己獨(dú)特的測(cè)壓管、帶標(biāo)尺測(cè)壓管、連通管、真空測(cè)壓管、U型測(cè)壓管、通氣閥、加壓打氣球、截止閥、油柱、水柱、減壓放水閥；實(shí)驗(yàn)2(不可壓縮流體恒定流能量方程實(shí)驗(yàn))畢托管測(cè)壓點(diǎn)、實(shí)驗(yàn)3(局部水頭損失實(shí)驗(yàn))擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)管段、收縮實(shí)驗(yàn)管段。實(shí)驗(yàn)4(沿程水頭損失實(shí)驗(yàn))自循環(huán)高壓恒定全自動(dòng)供水器。實(shí)驗(yàn)5(雷諾實(shí)驗(yàn))有色指示水供給箱。實(shí)驗(yàn)6(孔口與管嘴出流實(shí)驗(yàn))孔口管嘴、防濺旋扳、測(cè)量孔口射流收縮直徑的移動(dòng)觸頭。實(shí)驗(yàn)7(水頭損失綜合實(shí)驗(yàn))普通測(cè)壓點(diǎn)、畢托管測(cè)壓點(diǎn)。

通過分析，整體上除了實(shí)驗(yàn)1(靜水壓強(qiáng)實(shí)驗(yàn))由于自身測(cè)量特點(diǎn)所決定具有獨(dú)特的設(shè)備外，其他6個(gè)實(shí)驗(yàn)皆由恒壓水箱、實(shí)驗(yàn)管道和測(cè)壓管構(gòu)成；而細(xì)節(jié)上的不同主要體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的不同的設(shè)備上。

1.3 實(shí)驗(yàn)控制方程歸納

7個(gè)實(shí)驗(yàn)都是基于伯努利控制能量守恒方程(見表2)，進(jìn)行量綱處理后，將能量單位轉(zhuǎn)化成長(zhǎng)度單位。因此所測(cè)量的物理量都具有速度水頭(凈水壓強(qiáng)實(shí)驗(yàn)速度水頭為0)和測(cè)壓管水頭這兩個(gè)關(guān)鍵物理量。

表2 實(shí)驗(yàn)控制方程歸納

綜上所述，對(duì)于高校水力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱所開設(shè)的7個(gè)實(shí)驗(yàn)：流體靜力學(xué)實(shí)驗(yàn)、不可壓縮流體恒定流能量方程實(shí)驗(yàn)、局部水頭損失實(shí)驗(yàn)、沿程水頭損失實(shí)驗(yàn)、雷諾實(shí)驗(yàn)、孔口與管嘴出流實(shí)驗(yàn)、水頭損失綜合實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容、原理等進(jìn)行歸納分析，可以看出該7組實(shí)驗(yàn)主要以伯努利控制方程為理論依據(jù)，各組實(shí)驗(yàn)儀器結(jié)構(gòu)相似度較大、需測(cè)量的數(shù)據(jù)方法相近。因此，多功能水力學(xué)實(shí)驗(yàn)水

槽以及相應(yīng)配件優(yōu)化的研制工作，具有可行性。

依據(jù)上述分析，我們將所涉及的7個(gè)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行了多功能實(shí)驗(yàn)水槽的組合設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

2 成果展示

依據(jù)上述理論分析和設(shè)計(jì)圖紙，我們將流體靜力學(xué)實(shí)驗(yàn)、不可壓縮流體恒定流能量方程實(shí)驗(yàn)、局部水頭損失實(shí)驗(yàn)、沿程水頭損失實(shí)驗(yàn)、雷諾實(shí)驗(yàn)、孔口與管嘴出流實(shí)驗(yàn)、水頭損失綜合實(shí)驗(yàn)等7個(gè)實(shí)驗(yàn)課程的器材相近功能進(jìn)行整合，最終形成綜合實(shí)驗(yàn)儀器，見圖2。

在該儀器中通過旋轉(zhuǎn)中間開閉控制裝置，保證開啟一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，其他水槽試管為閉合狀態(tài)。后置的靜水壓強(qiáng)水箱可單獨(dú)進(jìn)行靜水壓強(qiáng)實(shí)驗(yàn)。從而實(shí)現(xiàn)了上述7個(gè)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蜏y(cè)量數(shù)據(jù)可在此多功能水力教學(xué)儀器實(shí)現(xiàn)。從而達(dá)到了占地面積小、一機(jī)多能的目的。

3 結(jié)語

本文分別通過原理分析、設(shè)計(jì)改造，最終研制成功了多功能實(shí)驗(yàn)水槽教學(xué)儀器。從而解決現(xiàn)存水力學(xué)實(shí)驗(yàn)器材的功能單一、占地面積大、結(jié)構(gòu)維護(hù)復(fù)雜等問題。

[1] 毛根海.工程流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書與報(bào)告[Z].

[2] 高 潮,周 永.土木工程實(shí)驗(yàn)教程[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2015.

On development of multifunction hydradulics experimental educational equipment

Zhang Hongwei Zhou Yong Feng Weijun Hang Wei Song Yuheng Sun Yetong

(DepartmentofCivilandMarineInstitute,DalianOceanUniversity,Dalian116023,China)

Based on the bernoulic control equation, the paper takes the equipment for the seven experimental courses including the hydrostatics experiment and various compressive fluid constant energy equation and so on by means of the dimension analysis, optimizes the sizes of the tank, tank and the pipeline connection allocation, so as to integrate the water channels’ test devices with similarities and single function, solve the problems in the single function of the existing hydradulics experimental devices, large coverage and complicated structural maintenance.

hydradulics experiment, experimental devices, water channel, teaching program

1009-6825(2017)13-0234-02

2017-02-28

張宏偉(1980- )，男，博士，高級(jí)工程師

G642

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