俞浩丹　江海斌　侯景鑫　黃珊珊　李放放　夏銀鋒

【摘 要】流體力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用可擴(kuò)展、多功能的設(shè)計(jì)思路，使用一臺(tái)設(shè)備能夠同時(shí)進(jìn)行多組相同或不同的流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)，采用該設(shè)備可以大大提高實(shí)驗(yàn)室的場(chǎng)地利用率。同時(shí)，該實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的各種被測(cè)管可以靈活設(shè)計(jì)和組裝。被測(cè)管采用一端固定，另一端采用軟管連接，中間使用快速接頭，大大方便了被測(cè)管子的設(shè)計(jì)和更換。本文詳細(xì)介紹了該綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)原理和功能特點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】流體力學(xué);綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái);創(chuàng)新

中圖分類(lèi)號(hào)： TQ021.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）36-0094-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.36.043

0 前言

實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為教學(xué)過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它能夠?qū)W(xué)生產(chǎn)生重要的影響。實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以培養(yǎng)學(xué)生的工程技術(shù)能力，從基本技能開(kāi)始，逐步提高學(xué)生的設(shè)計(jì)能力、綜合能力、研究能力和創(chuàng)新能力，同時(shí)提高學(xué)生的動(dòng)手能力。目前，從我?，F(xiàn)階段實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)設(shè)備來(lái)看，部分設(shè)備相對(duì)落后，不符合培養(yǎng)學(xué)生上述能力的要求。就流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室來(lái)說(shuō)，大多數(shù)實(shí)驗(yàn)臺(tái)購(gòu)置時(shí)就確定了在該實(shí)驗(yàn)臺(tái)上所能做的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，不能很好地給學(xué)生提供做創(chuàng)新性的開(kāi)放性項(xiàng)目平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)臺(tái)的利用率不高，不利于優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，也不利于實(shí)踐教學(xué)的創(chuàng)新和發(fā)展。

為此，我們?cè)O(shè)計(jì)并制作了一種流體力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用可擴(kuò)展、多功能的設(shè)計(jì)思路，使一臺(tái)設(shè)備能同時(shí)進(jìn)行多組相同或不同的流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)，以達(dá)到方便靈活、節(jié)能、提高場(chǎng)地利用率的目的。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可供學(xué)生自由設(shè)計(jì)流體力學(xué)方面的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)生可以自己設(shè)計(jì)各種被測(cè)管段，動(dòng)手組裝被測(cè)管子。被測(cè)管子采用一端固定，另一端通過(guò)軟管與恒壓水箱連接，被測(cè)管子可以是使用快速接頭連接的各管段，大大方便了被測(cè)管子的組裝和更換。設(shè)備底部安裝腳輪，因此移動(dòng)和換水都非常方便。

圖1 流體力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)示意圖

1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)與性能分析

1.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖1所示，由給水箱、恒壓水箱、計(jì)量水箱、支架、測(cè)壓板、測(cè)壓管、鋼尺等組成。實(shí)臺(tái)驗(yàn)的支架橫截面為“凸”字形，給水箱、恒壓水箱和計(jì)量水箱分別放置在支架內(nèi)、支架上和支架一側(cè)。在支架上部?jī)蓚?cè)各放置一塊測(cè)壓板在測(cè)壓板上安裝一組測(cè)壓管和鋼尺，因此該實(shí)驗(yàn)臺(tái)有兩套測(cè)試系統(tǒng)，可以同時(shí)進(jìn)行測(cè)量。我們?cè)O(shè)計(jì)了雷諾管段、沿程阻力管段、局部阻力管段、文丘里管段、能量方程管段等一系列被測(cè)管段，這些管段可以采用快速接頭連接成被測(cè)管子，管子一端固定，以方便用計(jì)量水箱測(cè)試被測(cè)管子的水流量，所以一根被測(cè)管子也可以有幾個(gè)管段通過(guò)快速接頭連接，實(shí)現(xiàn)同時(shí)做幾個(gè)實(shí)驗(yàn)的目的。另一端采用軟管連接，以方便被測(cè)管子長(zhǎng)度不固定而進(jìn)行的自由設(shè)計(jì)，以及方便快速更換。

為放置這些備用的被測(cè)管段，提高設(shè)備的美觀(guān)性，在測(cè)壓板之間設(shè)計(jì)與制作橫檔或橫板，用于放置各種備用的被測(cè)管，以及快速接頭、連接乳膠管等配件。

1.2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)的性能分析

根據(jù)流體力學(xué)課程的伯努利方程，達(dá)西公式等相關(guān)基本原理，設(shè)計(jì)了系列被測(cè)管段。在同樣的實(shí)驗(yàn)效果下，現(xiàn)設(shè)計(jì)與制作的一臺(tái)設(shè)備相當(dāng)于原來(lái)兩臺(tái)及以上設(shè)備的性能，原來(lái)兩臺(tái)設(shè)備的總電功率為300w，現(xiàn)設(shè)備電功率為210w，節(jié)省了30%的電能，原來(lái)兩臺(tái)設(shè)備布置需要6平方米，現(xiàn)有設(shè)備一臺(tái)只需4平方米，節(jié)省實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的面積將近33.3%。節(jié)約了能源與實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)地，提高了設(shè)備和實(shí)驗(yàn)室的利用率。

2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)的特點(diǎn)和功能

2.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)的特點(diǎn)

1）實(shí)驗(yàn)臺(tái)具有綜合性。采用一機(jī)多組使用設(shè)計(jì)，可以讓兩組及兩組以上的同學(xué)同時(shí)做相同或不同的流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)，每塊側(cè)壓板裝有多達(dá)16個(gè)測(cè)壓管，也就是說(shuō)可以每根測(cè)壓管提供16個(gè)點(diǎn)的測(cè)壓功能，滿(mǎn)足大部分的被測(cè)試管所需的測(cè)點(diǎn)要求;

2）實(shí)驗(yàn)臺(tái)具有靈活性。被測(cè)管子可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理自主設(shè)計(jì)和制作，采用快速接頭連接，安裝非常方便;并且實(shí)驗(yàn)臺(tái)底部安裝腳輪，設(shè)備移動(dòng)和水箱換水都非常方便;

3）實(shí)驗(yàn)臺(tái)具有經(jīng)濟(jì)性。測(cè)壓管價(jià)格較低，主要成本在支架與水箱上，而且一臺(tái)設(shè)備可以做兩組實(shí)驗(yàn)，性能上可以抵兩臺(tái)及兩臺(tái)以上原有設(shè)備，但成本上與原有一臺(tái)設(shè)備不相上下，所以總體來(lái)說(shuō)是經(jīng)濟(jì)的;

4）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠性。測(cè)壓板上每支測(cè)壓管旁邊都安裝一把鋼尺，測(cè)壓管高度讀數(shù)更準(zhǔn)確;

5）實(shí)驗(yàn)臺(tái)具有節(jié)約資源的特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)耗電量、設(shè)備布置面積均減少30%以上。

2.2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)的功能

實(shí)驗(yàn)臺(tái)可以開(kāi)展雷諾實(shí)驗(yàn)、沿程阻力系數(shù)實(shí)驗(yàn)、局部阻力系數(shù)實(shí)驗(yàn)、文丘里測(cè)流量實(shí)驗(yàn)、孔板測(cè)流量實(shí)驗(yàn)、能量方程實(shí)驗(yàn)等。

1）雷諾實(shí)驗(yàn)

該實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生觀(guān)察顏色水來(lái)判斷液體流動(dòng)時(shí)的層流和紊流現(xiàn)象，區(qū)分兩種不同流態(tài)的特征，了解兩種流態(tài)產(chǎn)生的條件和圓管流態(tài)轉(zhuǎn)化的規(guī)律，并對(duì)各狀態(tài)的雷諾數(shù)進(jìn)行測(cè)量;通過(guò)該實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)古典流體力學(xué)中應(yīng)用無(wú)量綱參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的方法，并了解其實(shí)用意義。

2）沿程阻力系數(shù)實(shí)驗(yàn)

該實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生學(xué)會(huì)測(cè)定圓管管道沿程阻力系數(shù)λ的方法，掌握?qǐng)A管層流和紊流的沿程損失隨平均流速變化的規(guī)律。

3）局部阻力系數(shù)實(shí)驗(yàn)

該實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生了分析局部阻力產(chǎn)生的機(jī)理，了解突然擴(kuò)大突然縮小局部阻力、漸擴(kuò)漸縮局部阻力、閥門(mén)局部阻力等不同形式的局部阻力，掌握各種不同局部阻力系數(shù)的測(cè)定方法;了解阻力系數(shù)在不同流態(tài)、不同雷諾數(shù)下的變化情況。

4）文丘里管測(cè)流量實(shí)驗(yàn)

該實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生掌握文丘里管測(cè)流量的原理，通過(guò)測(cè)定流量系數(shù)，掌握文丘里流量計(jì)測(cè)量管道流量的技術(shù)。

5）孔板測(cè)流量實(shí)驗(yàn)

該實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生掌握孔板流量計(jì)測(cè)量流量的原理，掌握孔板流量計(jì)的流量測(cè)量技術(shù)。

6）能量方程實(shí)驗(yàn)

該實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生掌握流速、流量、壓強(qiáng)等測(cè)量技能，驗(yàn)證流體定常的能量方程，通過(guò)對(duì)動(dòng)水力學(xué)諸多水力現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)分析研究，進(jìn)一步掌握有壓管流中動(dòng)水力學(xué)的能量轉(zhuǎn)換特性。

3 結(jié)語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)臺(tái)向?qū)W生全面開(kāi)放，學(xué)生可以在該實(shí)驗(yàn)臺(tái)上自己選做綜合實(shí)驗(yàn)和進(jìn)行科學(xué)研究，為學(xué)生充分發(fā)揮其聰明才智提供了條件。采用一機(jī)多組使用設(shè)計(jì)的創(chuàng)新思路，可以讓多組同學(xué)在一臺(tái)設(shè)備上同時(shí)做相同或不同的流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)，可以節(jié)約實(shí)驗(yàn)用電量，提高設(shè)備和實(shí)驗(yàn)室的利用率。流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要成本在支架與水箱上，有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。實(shí)驗(yàn)用的管子采用快速接頭連接，同學(xué)們可以自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行驗(yàn)證。經(jīng)與原實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行對(duì)比，本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)耗電量、設(shè)備放置場(chǎng)地面積均減少30%以上，具有良好的節(jié)約資源效果。通過(guò)設(shè)計(jì)與制作這一實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以加深學(xué)生對(duì)各種相關(guān)實(shí)驗(yàn)理論的理解，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀(guān)能動(dòng)性，鍛煉和提高學(xué)生的設(shè)計(jì)和動(dòng)手能力。

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