流體力學綜合實驗臺的創新設計與制作

俞浩丹　江海斌　侯景鑫　黃珊珊　李放放　夏銀鋒

【摘 要】流體力學綜合實驗臺采用可擴展、多功能的設計思路，使用一臺設備能夠同時進行多組相同或不同的流體力學實驗，采用該設備可以大大提高實驗室的場地利用率。同時，該實驗臺上的各種被測管可以靈活設計和組裝。被測管采用一端固定，另一端采用軟管連接，中間使用快速接頭，大大方便了被測管子的設計和更換。本文詳細介紹了該綜合實驗臺的結構原理和功能特點。

【關鍵詞】流體力學;綜合實驗臺;創新

中圖分類號： TQ021.1文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）36-0094-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.36.043

0 前言

實驗教學作為教學過程中的一個重要環節，它能夠對學生產生重要的影響。實驗教學可以培養學生的工程技術能力，從基本技能開始，逐步提高學生的設計能力、綜合能力、研究能力和創新能力，同時提高學生的動手能力。目前，從我校現階段實驗室的實驗設備來看，部分設備相對落后，不符合培養學生上述能力的要求。就流體力學實驗室來說，大多數實驗臺購置時就確定了在該實驗臺上所能做的實驗項目，不能很好地給學生提供做創新性的開放性項目平臺，實驗臺的利用率不高，不利于優化實驗教學資源，也不利于實踐教學的創新和發展。

為此，我們設計并制作了一種流體力學綜合實驗平臺。該實驗臺采用可擴展、多功能的設計思路，使一臺設備能同時進行多組相同或不同的流體力學實驗，以達到方便靈活、節能、提高場地利用率的目的。該實驗平臺可供學生自由設計流體力學方面的實驗項目，學生可以自己設計各種被測管段，動手組裝被測管子。被測管子采用一端固定，另一端通過軟管與恒壓水箱連接，被測管子可以是使用快速接頭連接的各管段，大大方便了被測管子的組裝和更換。設備底部安裝腳輪，因此移動和換水都非常方便。

圖1 流體力學綜合實驗臺示意圖

1 實驗臺的結構與性能分析

1.1 實驗臺的結構

實驗臺如圖1所示，由給水箱、恒壓水箱、計量水箱、支架、測壓板、測壓管、鋼尺等組成。實臺驗的支架橫截面為“凸”字形，給水箱、恒壓水箱和計量水箱分別放置在支架內、支架上和支架一側。在支架上部兩側各放置一塊測壓板在測壓板上安裝一組測壓管和鋼尺，因此該實驗臺有兩套測試系統，可以同時進行測量。我們設計了雷諾管段、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管段，這些管段可以采用快速接頭連接成被測管子，管子一端固定，以方便用計量水箱測試被測管子的水流量，所以一根被測管子也可以有幾個管段通過快速接頭連接，實現同時做幾個實驗的目的。另一端采用軟管連接，以方便被測管子長度不固定而進行的自由設計，以及方便快速更換。

為放置這些備用的被測管段，提高設備的美觀性，在測壓板之間設計與制作橫檔或橫板，用于放置各種備用的被測管，以及快速接頭、連接乳膠管等配件。

1.2 實驗臺的性能分析

根據流體力學課程的伯努利方程，達西公式等相關基本原理，設計了系列被測管段。在同樣的實驗效果下，現設計與制作的一臺設備相當于原來兩臺及以上設備的性能，原來兩臺設備的總電功率為300w，現設備電功率為210w，節省了30%的電能，原來兩臺設備布置需要6平方米，現有設備一臺只需4平方米，節省實驗場地的面積將近33.3%。節約了能源與實驗室場地，提高了設備和實驗室的利用率。

2 實驗臺的特點和功能

2.1 實驗臺的特點

1）實驗臺具有綜合性。采用一機多組使用設計，可以讓兩組及兩組以上的同學同時做相同或不同的流體力學實驗，每塊側壓板裝有多達16個測壓管，也就是說可以每根測壓管提供16個點的測壓功能，滿足大部分的被測試管所需的測點要求;

2）實驗臺具有靈活性。被測管子可以根據實驗原理自主設計和制作，采用快速接頭連接，安裝非常方便;并且實驗臺底部安裝腳輪，設備移動和水箱換水都非常方便;

3）實驗臺具有經濟性。測壓管價格較低，主要成本在支架與水箱上，而且一臺設備可以做兩組實驗，性能上可以抵兩臺及兩臺以上原有設備，但成本上與原有一臺設備不相上下，所以總體來說是經濟的;

4）實驗數據可靠性。測壓板上每支測壓管旁邊都安裝一把鋼尺，測壓管高度讀數更準確;

5）實驗臺具有節約資源的特點。實驗平臺耗電量、設備布置面積均減少30%以上。

2.2 實驗臺的功能

實驗臺可以開展雷諾實驗、沿程阻力系數實驗、局部阻力系數實驗、文丘里測流量實驗、孔板測流量實驗、能量方程實驗等。

1）雷諾實驗

該實驗可以讓學生觀察顏色水來判斷液體流動時的層流和紊流現象，區分兩種不同流態的特征，了解兩種流態產生的條件和圓管流態轉化的規律，并對各狀態的雷諾數進行測量;通過該實驗學習古典流體力學中應用無量綱參數進行實驗研究的方法，并了解其實用意義。

2）沿程阻力系數實驗

該實驗可以讓學生學會測定圓管管道沿程阻力系數λ的方法，掌握圓管層流和紊流的沿程損失隨平均流速變化的規律。

3）局部阻力系數實驗

該實驗可以讓學生了分析局部阻力產生的機理，了解突然擴大突然縮小局部阻力、漸擴漸縮局部阻力、閥門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的測定方法;了解阻力系數在不同流態、不同雷諾數下的變化情況。

4）文丘里管測流量實驗

該實驗可以讓學生掌握文丘里管測流量的原理，通過測定流量系數，掌握文丘里流量計測量管道流量的技術。

5）孔板測流量實驗

該實驗可以讓學生掌握孔板流量計測量流量的原理，掌握孔板流量計的流量測量技術。

6）能量方程實驗

該實驗可以讓學生掌握流速、流量、壓強等測量技能，驗證流體定常的能量方程，通過對動水力學諸多水力現象的實驗分析研究，進一步掌握有壓管流中動水力學的能量轉換特性。

3 結語

實驗臺向學生全面開放，學生可以在該實驗臺上自己選做綜合實驗和進行科學研究，為學生充分發揮其聰明才智提供了條件。采用一機多組使用設計的創新思路，可以讓多組同學在一臺設備上同時做相同或不同的流體力學實驗，可以節約實驗用電量，提高設備和實驗室的利用率。流體力學實驗平臺主要成本在支架與水箱上，有明顯的經濟效益。實驗用的管子采用快速接頭連接，同學們可以自己設計實驗并進行驗證。經與原實驗平臺進行對比，本實驗平臺耗電量、設備放置場地面積均減少30%以上，具有良好的節約資源效果。通過設計與制作這一實驗平臺可以加深學生對各種相關實驗理論的理解，充分調動學生學習的主觀能動性，鍛煉和提高學生的設計和動手能力。

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