流体力学综合实验台的创新设计与制作

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　　【摘 要】流体力学综合实验台采用可扩展、多功能的设计思路，使用一台设备能够同时进行多组相同或不同的流体力学实验，采用该设备可以大大提高实验室的场地利用率。同时，该实验台上的各种被测管可以灵活设计和组装。被测管采用一端固定，另一端采用软管连接，中间使用快速接头，大大方便了被测管子的设计和更换。本文详细介绍了该综合实验台的结构原理和功能特点。
　　【关键词】流体力学;综合实验台;创新
　　中图分类号： TQ021.1 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）36-0094-002
　　DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.36.043
　　0 前言
　　实验教学作为教学过程中的一个重要环节，它能够对学生产生重要的影响。实验教学可以培养学生的工程技术能力，从基本技能开始，逐步提高学生的设计能力、综合能力、研究能力和创新能力，同时提高学生的动手能力。目前，从我校现阶段实验室的实验设备来看，部分设备相对落后，不符合培养学生上述能力的要求。就流体力学实验室来说，大多数实验台购置时就确定了在该实验台上所能做的实验项目，不能很好地给学生提供做创新性的开放性项目平台，实验台的利用率不高，不利于优化实验教学资源，也不利于实践教学的创新和发展。
　　为此，我们设计并制作了一种流体力学综合实验平台。该实验台采用可扩展、多功能的设计思路，使一台设备能同时进行多组相同或不同的流体力学实验，以达到方便灵活、节能、提高场地利用率的目的。该实验平台可供学生自由设计流体力学方面的实验项目，学生可以自己设计各种被测管段，动手组装被测管子。被测管子采用一端固定，另一端通过软管与恒压水箱连接，被测管子可以是使用快速接头连接的各管段，大大方便了被测管子的组装和更换。设备底部安装脚轮，因此移动和换水都非常方便。
　　图1 流体力学综合实验台示意图
　　1 实验台的结构与性能分析
　　1.1 实验台的结构
　　实验台如图1所示，由给水箱、恒压水箱、计量水箱、支架、测压板、测压管、钢尺等组成。实台验的支架横截面为“凸”字形，给水箱、恒压水箱和计量水箱分别放置在支架内、支架上和支架一侧。在支架上部两侧各放置一块测压板在测压板上安装一组测压管和钢尺，因此该实验台有两套测试系统，可以同时进行测量。我们设计了雷诺管段、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测管段，这些管段可以采用快速接头连接成被测管子，管子一端固定，以方便用计量水箱测试被测管子的水流量，所以一根被测管子也可以有几个管段通过快速接头连接，实现同时做几个实验的目的。另一端采用软管连接，以方便被测管子长度不固定而进行的自由设计，以及方便快速更换。
　　为放置这些备用的被测管段，提高设备的美观性，在测压板之间设计与制作横档或横板，用于放置各种备用的被测管，以及快速接头、连接乳胶管等配件。
　　1.2 实验台的性能分析
　　根据流体力学课程的伯努利方程，达西公式等相关基本原理，设计了系列被测管段。在同樣的实验效果下，现设计与制作的一台设备相当于原来两台及以上设备的性能，原来两台设备的总电功率为300w，现设备电功率为210w，节省了30%的电能，原来两台设备布置需要6平方米，现有设备一台只需4平方米，节省实验场地的面积将近33.3%。节约了能源与实验室场地，提高了设备和实验室的利用率。
　　2 实验台的特点和功能
　　2.1 实验台的特点
　　1）实验台具有综合性。采用一机多组使用设计，可以让两组及两组以上的同学同时做相同或不同的流体力学实验，每块侧压板装有多达16个测压管，也就是说可以每根测压管提供16个点的测压功能，满足大部分的被测试管所需的测点要求;
　　2）实验台具有灵活性。被测管子可以根据实验原理自主设计和制作，采用快速接头连接，安装非常方便;并且实验台底部安装脚轮，设备移动和水箱换水都非常方便;
　　3）实验台具有经济性。测压管价格较低，主要成本在支架与水箱上，而且一台设备可以做两组实验，性能上可以抵两台及两台以上原有设备，但成本上与原有一台设备不相上下，所以总体来说是经济的;
　　4）实验数据可靠性。测压板上每支测压管旁边都安装一把钢尺，测压管高度读数更准确;
　　5）实验台具有节约资源的特点。实验平台耗电量、设备布置面积均减少30%以上。
　　2.2 实验台的功能
　　实验台可以开展雷诺实验、沿程阻力系数实验、局部阻力系数实验、文丘里测流量实验、孔板测流量实验、能量方程实验等。
　　1）雷诺实验
　　该实验可以让学生观察颜色水来判断液体流动时的层流和紊流现象，区分两种不同流态的特征，了解两种流态产生的条件和圆管流态转化的规律，并对各状态的雷诺数进行测量;通过该实验学习古典流体力学中应用无量纲参数进行实验研究的方法，并了解其实用意义。
　　2）沿程阻力系数实验
　　该实验可以让学生学会测定圆管管道沿程阻力系数λ的方法，掌握圆管层流和紊流的沿程损失随平均流速变化的规律。
　　3）局部阻力系数实验
　　该实验可以让学生了分析局部阻力产生的机理，了解突然扩大突然缩小局部阻力、渐扩渐缩局部阻力、阀门局部阻力等不同形式的局部阻力，掌握各种不同局部阻力系数的测定方法;了解阻力系数在不同流态、不同雷诺数下的变化情况。
　　4）文丘里管测流量实验
　　该实验可以让学生掌握文丘里管测流量的原理，通过测定流量系数，掌握文丘里流量计测量管道流量的技术。
　　5）孔板测流量实验
　　该实验可以让学生掌握孔板流量计测量流量的原理，掌握孔板流量计的流量测量技术。 　　6）能量方程实验
　　该实验可以让学生掌握流速、流量、压强等测量技能，验证流体定常的能量方程，通过对动水力学诸多水力现象的实验分析研究，进一步掌握有压管流中动水力学的能量转换特性。
　　3 结语
　　实验台向学生全面开放，学生可以在该实验台上自己选做综合实验和进行科学研究，为学生充分发挥其聪明才智提供了条件。采用一机多组使用设计的创新思路，可以让多组同学在一台设备上同时做相同或不同的流体力学实验，可以节约实验用电量，提高设备和实验室的利用率。流体力学实验平台主要成本在支架与水箱上，有明显的经济效益。实验用的管子采用快速接头连接，同学们可以自己设计实验并进行验证。经与原实验平台进行对比，本实验平台耗电量、设备放置场地面积均减少30%以上，具有良好的节约资源效果。通过设计与制作这一实验平台可以加深学生对各种相关实验理论的理解，充分调动学生學习的主观能动性，锻炼和提高学生的设计和动手能力。
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