Micro-PIV在工程流體力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

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(jìn)行介紹，1.Micro-PIV的技術(shù)原理以及試驗(yàn)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(yàn)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(xiàn)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(shí)驗(yàn)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(diǎn)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(diǎn)便是結(jié)合礦業(yè)類專業(yè)在實(shí)際礦業(yè)工程中特有的學(xué)科特點(diǎn)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(shí)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?yàn)樵诰唧w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(jìn)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(dá)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(yàn)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(jìn)行照明和追蹤。再用CCD相機(jī)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(jī)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(jī)、同步控制器、倒置顯微鏡和微流動器件。Micro-PIV 系統(tǒng)實(shí)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(dá)西滲流情況一直是目前的裂隙滲流領(lǐng)域研究中的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題。其中的一個關(guān)鍵點(diǎn)便是如何實(shí)現(xiàn)裂隙高速非達(dá)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(diǎn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)的保證[6]。而受限于目前的技術(shù)等原因，實(shí)驗(yàn)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(dá)西-非達(dá)西流的滲流情況試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(yàn)設(shè)備，學(xué)習(xí)Micro-PIV系統(tǒng)設(shè)備的操作，進(jìn)行裂隙滲流的試驗(yàn)，觀察所得出的實(shí)驗(yàn)圖像，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，與所學(xué)理論知識進(jìn)行比較;這一循序漸進(jìn)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(dá)西滲流等知識點(diǎn)與現(xiàn)象都結(jié)合在課程的實(shí)驗(yàn)中讓學(xué)生在其中達(dá)到融會貫通的效果。

五、結(jié)束語

Micro-PIV對裂隙達(dá)西-非達(dá)西流的微尺度滲流情況試驗(yàn)這一案例也僅僅是眾多裂隙滲流試驗(yàn)中的一個。將Micro-PIV運(yùn)用到更多的試驗(yàn)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(diǎn)。而將Micro-PIV的實(shí)驗(yàn)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(jī)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(diǎn)，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(shí)際的教學(xué)實(shí)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(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

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