郭平業(yè) 高愷 王蒙

摘 ?要：介紹了Micro-PIV工程流體力學(xué)教學(xué)過程中的應(yīng)用。主要從以下3方面進行介紹，1.Micro-PIV的技術(shù)原理以及試驗裝置;2.Micro-PIV在裂隙滲流領(lǐng)域的應(yīng)用情況;3.如何把Micro-PIV的試驗相關(guān)案例與目前的礦業(yè)類工程流體力學(xué)教學(xué)相結(jié)合。

關(guān)鍵詞：Micro-PIV;裂隙滲流;教學(xué)案例

中圖分類號：G642 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-000X（2019）12-0111-03

Abstract： The application of Micro-PIV in fracture seepage teaching is introduced. This paper mainly introduces the following three aspects： 1. the technical principle and current research progress of Micro-PIV; 2. application of Micro-PIV in fracture seepage field; 3. how to combine the Micro-PIV experimental cases with the current fracture seepage teaching.

Keywords： micro-PIV; fracture hydrology flow; teaching case

一、概述

目前的《流體力學(xué)》課本大部分都圍繞著土木，水利等學(xué)科為背景，課本中的相關(guān)實驗和題目也都以此為基礎(chǔ)展開，其教學(xué)應(yīng)用的部分很少涵蓋采礦工程和安全工程等學(xué)科的專業(yè)領(lǐng)域。

為了針對學(xué)校的礦業(yè)類重點專業(yè)特色，中國礦業(yè)大學(xué)（北京）圍繞礦業(yè)相關(guān)專業(yè)，開展了32個學(xué)時的《礦業(yè)類工程流體力學(xué)》這門課程，構(gòu)建突出礦業(yè)工程特色的《流體力學(xué)》課程體系。重點便是結(jié)合礦業(yè)類專業(yè)在實際礦業(yè)工程中特有的學(xué)科特點與傳統(tǒng)的流體力學(xué)課程相結(jié)合[1]。在流體力學(xué)基本理論的基礎(chǔ)上，將流體力學(xué)在礦業(yè)工程領(lǐng)域常用的案例添加到相應(yīng)章節(jié)，重新構(gòu)建流體力學(xué)課程體系規(guī)劃框架。這是流體力學(xué)教學(xué)改革的基礎(chǔ)和重要環(huán)節(jié)[2，3]。而流體力學(xué)在礦業(yè)工程領(lǐng)域常用的案例的其中之一便是觀測流體在裂隙-孔隙型多孔介質(zhì)地質(zhì)體中微觀條件下的滲流現(xiàn)象。

微觀條件下的滲流現(xiàn)象在實際生活中非常普遍， 同時在工程中起著非常重要的作用。但是目前對于微觀條件下的滲流現(xiàn)象的研究還停留在很淺的一個階段。這是因為在具體的研究過程中遇到了許多的困難，其中一個很棘手的問題便是如何直觀的觀測到微觀條件下的滲流現(xiàn)象。這也就在研究中需要采用更先進的技術(shù)和設(shè)備。

顯微粒子圖像測速技術(shù)（Micro-scale particle image velocimetry， Micro-PIV）是上世紀(jì)90年代發(fā)展起來的一種針對微觀流動測量與顯示的技術(shù)，其有效測量的尺度范圍為0.1～100μm，且可以達到非常高的分辨率，這也就使其成為了目前研究微觀滲流現(xiàn)象的一種很受歡迎的選擇并獲得了廣泛的關(guān)注。[4，5]。

二、Micro-PIV的技術(shù)原理和試驗裝置

Micro-PIV粒子圖像測速原理如下：在流體中加入示蹤粒子，用激光對示蹤粒子進行照明和追蹤。再用CCD相機拍下示蹤粒子的照片，根據(jù)照片以及照片拍攝之間的時間間隔，由計算機生成相關(guān)的速度場圖像。

Micro-PIV 測速技術(shù)的系統(tǒng)組成如圖1所示，其中主要部件有脈沖激光器、CCD 相機、同步控制器、倒置顯微鏡和微流動器件。Micro-PIV 系統(tǒng)實物圖如圖2，3，4 所示。

三、Micro-PIV在裂隙滲流領(lǐng)域的應(yīng)用

在裂隙滲流領(lǐng)域中，裂隙的高速非達西滲流情況一直是目前的裂隙滲流領(lǐng)域研究中的重點和難點問題。其中的一個關(guān)鍵點便是如何實現(xiàn)裂隙高速非達西滲流的可視化。而Micro-PIV技術(shù)有著準(zhǔn)確度高，放大倍數(shù)高等優(yōu)點為此提供了一個解決方案。

圖5即為通過Micro-PIV系統(tǒng)觀測到的某裂隙在不同流速下孔腔內(nèi)的流動情況，其中可以看到隨著流速的增加，腔內(nèi)有很明顯的渦流出現(xiàn)，并且渦流的面積很大。圖6為多支道交叉情況下裂隙的速度場圖像，其中上下兩條裂隙通道被人為關(guān)閉，中間的裂隙通道開放，在其中可以很直觀的看到，上下兩裂隙通道與主通道的交界處有回流以及渦流現(xiàn)象，與圖5相比圖6部分區(qū)域放大后可以看到更加明顯的渦流以及回流的情況。

四、Micro-PIV實驗案例與礦業(yè)類工程流體力學(xué)教學(xué)的結(jié)合

在目前的流體力學(xué)教學(xué)中，多以理論教學(xué)為主，實驗教學(xué)為輔。而如何讓學(xué)生成功把理論融會貫通，則需要相對應(yīng)實驗教學(xué)的保證[6]。而受限于目前的技術(shù)等原因，實驗中得出的結(jié)果并不能直觀地反映出裂隙滲流的流態(tài)與流速場的情況。Micro-PIV技術(shù)則能很好地解決這一問題。

將Micro-PIV對裂隙達西-非達西流的滲流情況試驗作為一個典型的教學(xué)案例加入到目前流體力學(xué)的教學(xué)中可以有效地改善目前礦業(yè)類工程流體力學(xué)教學(xué)中所暴露出來的問題，即如何更加直觀地通過實驗讓學(xué)生們理解理論知識。通過讓學(xué)生們了解Micro-PIV的原理和試驗設(shè)備，學(xué)習(xí)Micro-PIV系統(tǒng)設(shè)備的操作，進行裂隙滲流的試驗，觀察所得出的實驗圖像，分析實驗結(jié)果，與所學(xué)理論知識進行比較;這一循序漸進的步驟，可以讓學(xué)生們更加直觀深刻地理解裂隙滲流的具體演變情況。分析流動現(xiàn)象，結(jié)合流態(tài)判斷與流體力學(xué)課程中的雷諾數(shù)，立方定律、高速非達西滲流等知識點與現(xiàn)象都結(jié)合在課程的實驗中讓學(xué)生在其中達到融會貫通的效果。

五、結(jié)束語

Micro-PIV對裂隙達西-非達西流的微尺度滲流情況試驗這一案例也僅僅是眾多裂隙滲流試驗中的一個。將Micro-PIV運用到更多的試驗中，充分發(fā)揮其優(yōu)勢來豐富目前的教學(xué)也是未來教學(xué)的重點。而將Micro-PIV的實驗案例引入教學(xué)也是對傳統(tǒng)教育方法的一次嘗試性的改革，為傳統(tǒng)教學(xué)注入新的生機和活力。針對于傳統(tǒng)教育重理論，但教學(xué)內(nèi)容僵化的特點，取其精華去其糟粕。讓傳統(tǒng)教學(xué)模式與更多的新技術(shù)，新科技接軌，讓學(xué)生能接受到更加直觀清晰，立體而多元化的教學(xué)。這才是流體力學(xué)學(xué)科教學(xué)改革的根本宗旨，同時也是響應(yīng)國家深化教育改革的號召[7，8]。通過實際的教學(xué)實踐表明，該方法能較大程度提高教學(xué)效果，提高學(xué)生的主觀能動性，同時也為探索相似的課程教學(xué)改革提供了新的方向與經(jīng)驗。

參考文獻：

[1]林龍沅.安全工程專業(yè)流體力學(xué)課程教學(xué)實踐探析[J].中國科教創(chuàng)新導(dǎo)刊，2011（26）.

[2]馮軍發(fā)，李海軍，金志遠，等.突顯礦業(yè)工程特色的流體力學(xué)課程案例式教學(xué)改革與實踐[J].高教學(xué)刊，2018，85（13）：142-144.

[3]甄洪.礦業(yè)工程類專業(yè)《流體力學(xué)》教學(xué)初探[J].六盤水師范學(xué)院學(xué)報，2012，24（3）：58-60.

[4]王昊利，王元.Micro-PIV技術(shù)——粒子圖像測速技術(shù)的新進展[J].力學(xué)進展，2005，35（1）.

[5]申峰，劉趙淼.顯微粒子圖像測速技術(shù)——微流場可視化測速技術(shù)及應(yīng)用綜述[J].機械工程學(xué)報，2012，48（4）：155-168.

[6]李玲，陳永燦，孟令野.突擴圓管局部水頭損失實驗教學(xué)的改進[J].實驗技術(shù)與管理，2015，32（2）.

[7]朱克勤，任仲泉.關(guān)于美國幾所著名高校的流體力學(xué)新生研討課[J].力學(xué)與實踐，2016，27（01）：78-80.

[8]賈永霞.創(chuàng)新性實驗教學(xué)的探究與實踐[J].實驗室研究與探索， 2018（12）：206-208.