流體突然擴(kuò)大局部阻力系數(shù)測定實驗探索與建設(shè)

1、流體突然擴(kuò)大局部阻力系數(shù)測定實驗探索與建設(shè)摘 要：流體力學(xué)是研究流體平衡和宏觀運動規(guī)律、以及流體與所接觸物體之間相互作用的一門學(xué)科，對化工設(shè)備中流體 運動規(guī)律及其對化工過程的影響，從而為化工設(shè)備的設(shè)計、放大、強化奠定理論基礎(chǔ)。本文以流體力學(xué)的經(jīng)典實驗-突然擴(kuò)大局 部阻力系數(shù)測定實驗為研究對象，探索流體力學(xué)實驗教學(xué)改革的方向。通過引入虛擬仿真實驗、綜合實驗和工程拓展應(yīng)用的方法 對傳統(tǒng)實驗進(jìn)行更新、完善和充實，構(gòu)建面向理論知識和工程應(yīng)用雙向發(fā)展的教學(xué)模式，為流體力學(xué)實驗教學(xué)改革探索提供參考。關(guān)鍵詞：流體力學(xué)；局部阻力；新工科；教育技術(shù)Experimental Exploration and Con

2、struction on Measuring LocalResistance Coefficient of Fluid Expansion*Abstract: Fluid mechanics is a subject which studies fluid balance and macroscopic motion laws， as well as the interaction between fluids and objects in contact. It affects the fluid motion laws in chemical equipment and its influ

3、ence on chemical processes， thus contributes to the design and amplification， and strengthens and lays the theoretical foundation. Taking the classic experiment of fluid mechanicsthe experiment of sudden expansion local resistancecoefficient measurement as the research object， the direction of the r

4、eform on fluid mechanics experiment teachingwas explored. Through the introduction of virtual simulation experiments， comprehensive experiments and engineering extension application methods，traditional experiments were updated，perfected and enriched，and a teaching model oriented to the two E way dev

5、elopment of theoretical knowledge and engineering applications，which was constructed to provide a reference for the exploration and exploration of fluid mechanics experiment teaching.Key words： fluid mechanics; local resistance; emerging engineering education; educational technology化學(xué)作為推動人類科技進(jìn)步的重要科學(xué)

6、和工業(yè)技術(shù)，在新 一輪技術(shù)革命和產(chǎn)業(yè)的加持下迎來了全新的發(fā)展機遇。人才是 化學(xué)科學(xué)及工業(yè)的發(fā)展的智力基礎(chǔ)，高等教育的新工科建設(shè)作 為高層次人才培養(yǎng)應(yīng)對新變革的重要舉措，正成為化學(xué)學(xué)科創(chuàng) 新和人才培養(yǎng)質(zhì)量提高的重要手段1E3!基礎(chǔ)科學(xué)作為科技發(fā) 展和技術(shù)進(jìn)步的加速器，是新工科建設(shè)的重，思流體力學(xué) 以流體（包含氣體、液體及等離子體）現(xiàn)象以及相關(guān)力學(xué)行為作 為研究對象，是高等學(xué)校理工類專業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)課，其應(yīng)用范 圍及交叉學(xué)科涵蓋化學(xué)科學(xué)、化工機械、動力工程、環(huán)境科學(xué) 等諸多學(xué)科和領(lǐng)域。隨著學(xué)科交叉的廣泛開展，以流體力學(xué)為 基礎(chǔ)的微流控、流變學(xué)、血管力學(xué)等交叉學(xué)科正獲得快速的發(fā) 展，流體力學(xué)作為基礎(chǔ)科

7、學(xué)，其在化工學(xué)科的“新工科”建設(shè) 中的地位正在凸顯2。實驗教學(xué)是流體力學(xué)教學(xué)體系中的重要環(huán)節(jié)，作為連接理 論知識和工程實踐的通道，發(fā)揮著理論知識鞏固、基本技能掌 握、工程應(yīng)用拓展和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的作用。流動阻力是液體流 動過程中廣泛存在的一種自然現(xiàn)象，常見的流動阻力包含沿程 阻力和局部阻力兩部分。流動阻力作為化工裝備中廣泛存在的 一種阻力形式，對化工合成中各組分的物理特征（如壓力、速 度、濃度等）和化學(xué)反應(yīng)均有較大影響，是化工裝備設(shè)計及優(yōu) 化中需要重點考慮的內(nèi)容，因此，將流動阻力引入教學(xué)環(huán)節(jié)， 有助于學(xué)生在基礎(chǔ)理論強化的基礎(chǔ)上，進(jìn)行化工裝備工程創(chuàng) 新項。流體力學(xué)教學(xué)環(huán)節(jié)中常見的局部阻力研究包括突

8、然擴(kuò) 大局部阻力、突然縮小局部阻力、彎管局部阻力、逐漸擴(kuò)大局 部阻力、逐漸縮小局部阻力等，其中突然擴(kuò)大局部阻力是教學(xué) 的重點。突然擴(kuò)大局部阻力系數(shù)不僅在工程中有廣泛的應(yīng)用， 同時其理論教學(xué)涵蓋了伯努利方程、動量定理等，是流體力學(xué) 教學(xué)中承上啟下的重要環(huán)節(jié)。選擇突然擴(kuò)大局部作為流體力學(xué) 實驗教學(xué)改革的研究對象，通過探索理論知識與實驗教學(xué)的結(jié) 合模式、實驗教學(xué)與工程應(yīng)用的銜接方法，為新工科背景下流 體力學(xué)實驗教學(xué)改革探索積累經(jīng)驗。1突然擴(kuò)大局部阻力系數(shù)測定實驗1.1突然擴(kuò)大局部阻力系數(shù)測定實驗簡介真實流體的突然擴(kuò)大局部阻力產(chǎn)生機理復(fù)雜，理論求解復(fù) 雜。教學(xué)實踐中，一般將無粘流體的圓管突然擴(kuò)大局部阻

9、力作 為研究對象，通過實驗測量并計算不同雷諾數(shù)Re條件下突然 擴(kuò)大局部阻力系數(shù).與包達(dá)公式所獲得的經(jīng)驗值進(jìn)行比較，分 析誤差產(chǎn)生的原因，加深對局部損失產(chǎn)生機理的理解。突然擴(kuò) 大局部阻力的研究對象及實驗教學(xué)裝置分別如圖1和圖2所 示!聯(lián)立公式（2）、（ 3）可得：22P1-P2 V1-V2+ TOC o 1-5 h z -_ Pg2g.計算=2全2g包達(dá)公式所計算的突然擴(kuò)大局部阻力系數(shù)為：*22.經(jīng)驗=（I：-1）式中：*1和*2分別表示I、3兩截面的通流截面積。(4)1.2傳統(tǒng)實驗存在的問題(4)突然擴(kuò)大局部阻力系數(shù)測定實驗的基本理論及包達(dá)公式如 下：沿著水流方向分別在細(xì)管和粗管處選取研究截面

10、I、3, 對截面I、3列寫伯努利方程，口 P1 1突然擴(kuò)大局部阻力系數(shù)測定實驗的基本理論及包達(dá)公式如 下：沿著水流方向分別在細(xì)管和粗管處選取研究截面I、3, 對截面I、3列寫伯努利方程，口 P1 1V1 - P2 2v2 , Z1 + + = Z2 +% I-3 pg22 Pg 22I虛擬仿真實赤|突然擴(kuò)大局部阻力系數(shù)測定實驗(1)式中：=i、Z#分別表示I、3兩截面的位置水頭;P1P2P2分別表示I、3兩截面的壓力水頭；V、分別表示I、 P222223兩截面的速度水頭；w I-3表示I、3兩截面的水頭損失; 其中_1虛擬實驗考核I真實物理實驗I綜合實驗Z1 =2, !1 !2 = 1， %W

11、 1-3 1 %j 1-3 +%f 1-3考慮到截面I、3之間的距離較近，f i-3與j I-3相比很 小，所以忽略%f 1-3，此時w I-3 = I-3，對公式（1）進(jìn)行化簡 處理可得：P1P2 v2V 婦-3 =pg222V2 % 1-3 =.計算兄(2)(3)圖3教學(xué)建設(shè)結(jié)構(gòu)圖Fig. 3 The scheme of teaching construction2.2教學(xué)建設(shè)內(nèi)容依據(jù)2.1節(jié)所提出的建設(shè)思路和建設(shè)目標(biāo)，教學(xué)建設(shè)內(nèi)容 主要包含虛擬實驗建設(shè)、綜合實驗建設(shè)和工程拓展應(yīng)用建設(shè)。2. 2.1虛擬實驗建設(shè)虛擬實驗是一種融合了信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的新型實驗教 學(xué)手段。主要依托虛擬現(xiàn)實、多

12、媒體、人機交互、互聯(lián)網(wǎng)等技圖1 突然擴(kuò)大局部阻力原理Fig. 1 Sudden expansion of local resistance principle圖2局部阻力系數(shù)測定實驗臺Fig. 2 Test bench for determination of local resistance coefficient現(xiàn)有實驗選擇固定變徑比（即A2/A1為定值）管道作為研 究對象，通過調(diào)節(jié)流入實驗管路流量的方法實現(xiàn)雷諾數(shù)的變 化，從而獲得不同雷諾數(shù)Re條件下突然擴(kuò)大局部阻力系數(shù).計算 的變化趨勢與包達(dá)公式所獲得的經(jīng)驗值.經(jīng)驗之間的關(guān)系。對比 公式（3）和包達(dá)公式可發(fā)現(xiàn)，突然擴(kuò)大局部阻力系數(shù)測定實

13、驗 教學(xué)中，學(xué)生無法感知實驗管路在不同變徑比條件下.計算與 .經(jīng)驗之間的關(guān)系，導(dǎo)致學(xué)生對突然擴(kuò)大局部阻力的產(chǎn)生機理和 影響參數(shù)理解不到位。綜上所述，依據(jù)筆者教學(xué)經(jīng)驗，現(xiàn)有突 然擴(kuò)大局部阻力系數(shù)測定實驗教學(xué)存在的不足如下：（1）對突然擴(kuò)大局部的影響因素驗證不足；（2）實驗設(shè)備及操作講解占用學(xué)時長；（3）涉及突然擴(kuò)大局部阻力的工程拓展及創(chuàng)新內(nèi)容不足。2教學(xué)建設(shè)目標(biāo)與內(nèi)容2. 1教學(xué)建設(shè)目標(biāo)針對1.2節(jié)所提出的不足，作者擬將虛擬仿真實驗、綜合 實驗引入實驗教學(xué)環(huán)節(jié)。通過虛擬仿真實驗、綜合實驗和工程 應(yīng)用拓展交叉融合的方式開展，充分發(fā)揮虛實結(jié)合和綜合實驗 的優(yōu)勢，將工程應(yīng)用作為激發(fā)學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新思維啟

14、迪的渠 道，構(gòu)建涵蓋理論知識、實驗知識、操作技能和工程應(yīng)用立體 化實驗教學(xué)方法，保障并助推實驗教學(xué)質(zhì)量的提高，具體如 圖3所示。術(shù)手段構(gòu)建與真實物理實驗環(huán)境和實驗教學(xué)大綱相當(dāng)?shù)奶摂M實 驗環(huán)境和實驗對象。虛擬實驗采用課外學(xué)制，學(xué)生提交申請 后，可依據(jù)自身時間及知識薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行在線多次反復(fù)學(xué)習(xí)。 突然擴(kuò)大局部阻力系數(shù)測定的虛擬實驗建設(shè)主要包括：真實物 理實驗的數(shù)字化、物理實驗不足的數(shù)字化補充及網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)三 個部分S。利用信息技術(shù)和多媒體技術(shù)將實驗的基本信息、儀 器設(shè)備原理、實驗步驟、安全防護(hù)等進(jìn)行展示講解，使學(xué)生能 高效的掌握實驗的基本信息，減少課內(nèi)實驗時間占用，具體如 圖4所示。利用三維重建和人

15、機交互技術(shù)對物理實驗的操作進(jìn) 行復(fù)現(xiàn)，幫助學(xué)生掌握實驗設(shè)備的基本構(gòu)成、操作流程和注意 事項，減少課內(nèi)實驗操作講解時間，提升實驗授課效率。虛擬 實驗還引入了傳統(tǒng)物理實驗中不便于引入的不同變徑比管路， 通過實驗數(shù)據(jù)對比，感知不同參數(shù)對突然擴(kuò)大阻力的影響，強 化學(xué)生對理論知識點的理解和掌握，具體如圖5所示。（實驗原理界面圖的實驗步驟介紹圖圖4實驗基本信息Fig. 4 Basic information of experiment圖5突然擴(kuò)大局部阻力系數(shù)虛擬實驗人機界面Fig. 5 The human-machine interface of virtual experimentwith sudden

16、 expansion of local resistance coefficient2.2.2綜合實驗建設(shè)綜合實驗的主要方法是讓學(xué)生自行選擇并搭建突然擴(kuò)大局 部阻力系數(shù)測定的實驗測試臺架，通過對比不同管徑和不同變 徑比的管路在不同雷諾數(shù)Re條件下流動狀態(tài)及流動參數(shù)，強化 對理論知識點的理解。流體力學(xué)綜合實驗臺是綜合實驗開展的 平臺，該平臺為組裝式、模塊化結(jié)構(gòu)，學(xué)生可依據(jù)自身需求進(jìn) 行實驗臺的快速搭建和測試，具體如圖6所示。在實驗臺的搭建 及測試環(huán)節(jié)，通過團(tuán)隊協(xié)作，學(xué)生可在實驗方案制定、實驗裝 置組裝、實驗儀器選擇、實驗數(shù)據(jù)處理等方面獲得相應(yīng)的鍛煉。圖6 綜合實驗Fig. 6 Comprehen

17、sive Experiment2. 2. 3工程應(yīng)用拓展工程拓展應(yīng)用一直是傳統(tǒng)實驗教學(xué)的短板。新工科建設(shè)對 學(xué)生基于理論知識的工程拓展提出了更高的要求。流體力學(xué)作 為工程類專業(yè)的基礎(chǔ)課程，其工程拓展教學(xué)對提升學(xué)生學(xué)以致 用能力及工程創(chuàng)新能力有積極作用。依據(jù)專業(yè)培養(yǎng)方案、開課 對象的不同，部分工程應(yīng)用拓展案例如下：（1）化工污水處理管路的設(shè)計，化工污水富集、轉(zhuǎn)運及處 理過程中需要借助管路完成，突然擴(kuò)大形式管路是化工污水富 集及處理中常用的一種形式，針對物理特征（如粘度）及處理需 求的差異需要選擇不同直徑及變徑比的管路，以降低能量損 失，在化工污水處理末端技術(shù)需求（如壓力、流量）一定及管路 結(jié)構(gòu)一定的前提下，合理布置各級泵送裝置的技術(shù)參數(shù)（如壓 力、功率、流量等）;（2）熱機冷卻系統(tǒng)管路設(shè)計，熱機在工作過程中需要冷卻 系統(tǒng)進(jìn)行散熱，冷卻介質(zhì)在冷卻結(jié)束后需要富集、回流、循環(huán) 再利用，冷卻介質(zhì)在富集和回流過程中需要克服管道流動阻 力，突然擴(kuò)大型富集回流管路是一種常見的形式，冷卻介質(zhì)在 富集回流過程中會產(chǎn)生流動損失，為了保證冷卻介質(zhì)富集回流 順暢，需要增設(shè)泵/風(fēng)機等動力裝置為冷卻介質(zhì)富集回流提供 能量支持，以保證冷卻系統(tǒng)的正常工作，在此背景下，引導(dǎo)學(xué) 生通過優(yōu)化管路結(jié)構(gòu)方式降低泵/風(fēng)機功率，以達(dá)到節(jié)能