流体突然扩大局部阻力系数测定实验探索与建设

1、流体突然扩大局部阻力系数测定实验探索与建设摘 要：流体力学是研究流体平衡和宏观运动规律、以及流体与所接触物体之间相互作用的一门学科，对化工设备中流体 运动规律及其对化工过程的影响，从而为化工设备的设计、放大、强化奠定理论基础。本文以流体力学的经典实验-突然扩大局 部阻力系数测定实验为研究对象，探索流体力学实验教学改革的方向。通过引入虚拟仿真实验、综合实验和工程拓展应用的方法 对传统实验进行更新、完善和充实，构建面向理论知识和工程应用双向发展的教学模式，为流体力学实验教学改革探索提供参考。关键词：流体力学；局部阻力；新工科；教育技术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化学作为推动人类科技进步的重要科学

6、和工业技术，在新 一轮技术革命和产业的加持下迎来了全新的发展机遇。人才是 化学科学及工业的发展的智力基础，高等教育的新工科建设作 为高层次人才培养应对新变革的重要举措，正成为化学学科创 新和人才培养质量提高的重要手段1E3!基础科学作为科技发 展和技术进步的加速器，是新工科建设的重，思流体力学 以流体（包含气体、液体及等离子体）现象以及相关力学行为作 为研究对象，是高等学校理工类专业的学科基础课，其应用范 围及交叉学科涵盖化学科学、化工机械、动力工程、环境科学 等诸多学科和领域。随着学科交叉的广泛开展，以流体力学为 基础的微流控、流变学、血管力学等交叉学科正获得快速的发 展，流体力学作为基础科

7、学，其在化工学科的“新工科”建设 中的地位正在凸显2。实验教学是流体力学教学体系中的重要环节，作为连接理 论知识和工程实践的通道，发挥着理论知识巩固、基本技能掌 握、工程应用拓展和创新能力培养的作用。流动阻力是液体流 动过程中广泛存在的一种自然现象，常见的流动阻力包含沿程 阻力和局部阻力两部分。流动阻力作为化工装备中广泛存在的 一种阻力形式，对化工合成中各组分的物理特征（如压力、速 度、浓度等）和化学反应均有较大影响，是化工装备设计及优 化中需要重点考虑的内容，因此，将流动阻力引入教学环节， 有助于学生在基础理论强化的基础上，进行化工装备工程创 新项。流体力学教学环节中常见的局部阻力研究包括突

8、然扩 大局部阻力、突然缩小局部阻力、弯管局部阻力、逐渐扩大局 部阻力、逐渐缩小局部阻力等，其中突然扩大局部阻力是教学 的重点。突然扩大局部阻力系数不仅在工程中有广泛的应用， 同时其理论教学涵盖了伯努利方程、动量定理等，是流体力学 教学中承上启下的重要环节。选择突然扩大局部作为流体力学 实验教学改革的研究对象，通过探索理论知识与实验教学的结 合模式、实验教学与工程应用的衔接方法，为新工科背景下流 体力学实验教学改革探索积累经验。1突然扩大局部阻力系数测定实验1.1突然扩大局部阻力系数测定实验简介真实流体的突然扩大局部阻力产生机理复杂，理论求解复 杂。教学实践中，一般将无粘流体的圆管突然扩大局部阻

9、力作 为研究对象，通过实验测量并计算不同雷诺数Re条件下突然 扩大局部阻力系数.与包达公式所获得的经验值进行比较，分 析误差产生的原因，加深对局部损失产生机理的理解。突然扩 大局部阻力的研究对象及实验教学装置分别如图1和图2所 示!联立公式（2）、（ 3）可得：22P1-P2 V1-V2+ TOC o 1-5 h z -_ Pg2g.计算=2全2g包达公式所计算的突然扩大局部阻力系数为：*22.经验=（I：-1）式中：*1和*2分别表示I、3两截面的通流截面积。(4)1.2传统实验存在的问题(4)突然扩大局部阻力系数测定实验的基本理论及包达公式如 下：沿着水流方向分别在细管和粗管处选取研究截面

10、I、3, 对截面I、3列写伯努利方程，口 P1 1突然扩大局部阻力系数测定实验的基本理论及包达公式如 下：沿着水流方向分别在细管和粗管处选取研究截面I、3, 对截面I、3列写伯努利方程，口 P1 1V1 - P2 2v2 , Z1 + + = Z2 +% I-3 pg22 Pg 22I虚拟仿真实赤|突然扩大局部阻力系数测定实验(1)式中：=i、Z#分别表示I、3两截面的位置水头;P1P2P2分别表示I、3两截面的压力水头；V、分别表示I、 P222223两截面的速度水头；w I-3表示I、3两截面的水头损失; 其中_1虚拟实验考核I真实物理实验I综合实验Z1 =2, !1 !2 = 1， %W

11、 1-3 1 %j 1-3 +%f 1-3考虑到截面I、3之间的距离较近，f i-3与j I-3相比很 小，所以忽略%f 1-3，此时w I-3 = I-3，对公式（1）进行化简 处理可得：P1P2 v2V 妇-3 =pg222V2 % 1-3 =.计算兄(2)(3)图3教学建设结构图Fig. 3 The scheme of teaching construction2.2教学建设内容依据2.1节所提出的建设思路和建设目标，教学建设内容 主要包含虚拟实验建设、综合实验建设和工程拓展应用建设。2. 2.1虚拟实验建设虚拟实验是一种融合了信息技术和网络技术的新型实验教 学手段。主要依托虚拟现实、多

12、媒体、人机交互、互联网等技图1 突然扩大局部阻力原理Fig. 1 Sudden expansion of local resistance principle图2局部阻力系数测定实验台Fig. 2 Test bench for determination of local resistance coefficient现有实验选择固定变径比（即A2/A1为定值）管道作为研 究对象，通过调节流入实验管路流量的方法实现雷诺数的变 化，从而获得不同雷诺数Re条件下突然扩大局部阻力系数.计算 的变化趋势与包达公式所获得的经验值.经验之间的关系。对比 公式（3）和包达公式可发现，突然扩大局部阻力系数测定实

13、验 教学中，学生无法感知实验管路在不同变径比条件下.计算与 .经验之间的关系，导致学生对突然扩大局部阻力的产生机理和 影响参数理解不到位。综上所述，依据笔者教学经验，现有突 然扩大局部阻力系数测定实验教学存在的不足如下：（1）对突然扩大局部的影响因素验证不足；（2）实验设备及操作讲解占用学时长；（3）涉及突然扩大局部阻力的工程拓展及创新内容不足。2教学建设目标与内容2. 1教学建设目标针对1.2节所提出的不足，作者拟将虚拟仿真实验、综合 实验引入实验教学环节。通过虚拟仿真实验、综合实验和工程 应用拓展交叉融合的方式开展，充分发挥虚实结合和综合实验 的优势，将工程应用作为激发学习兴趣和创新思维启

14、迪的渠 道，构建涵盖理论知识、实验知识、操作技能和工程应用立体 化实验教学方法，保障并助推实验教学质量的提高，具体如 图3所示。术手段构建与真实物理实验环境和实验教学大纲相当的虚拟实 验环境和实验对象。虚拟实验采用课外学制，学生提交申请 后，可依据自身时间及知识薄弱环节进行在线多次反复学习。 突然扩大局部阻力系数测定的虚拟实验建设主要包括：真实物 理实验的数字化、物理实验不足的数字化补充及网络化建设三 个部分S。利用信息技术和多媒体技术将实验的基本信息、仪 器设备原理、实验步骤、安全防护等进行展示讲解，使学生能 高效的掌握实验的基本信息，减少课内实验时间占用，具体如 图4所示。利用三维重建和人

15、机交互技术对物理实验的操作进 行复现，帮助学生掌握实验设备的基本构成、操作流程和注意 事项，减少课内实验操作讲解时间，提升实验授课效率。虚拟 实验还引入了传统物理实验中不便于引入的不同变径比管路， 通过实验数据对比，感知不同参数对突然扩大阻力的影响，强 化学生对理论知识点的理解和掌握，具体如图5所示。（实验原理界面图的实验步骤介绍图图4实验基本信息Fig. 4 Basic information of experiment图5突然扩大局部阻力系数虚拟实验人机界面Fig. 5 The human-machine interface of virtual experimentwith sudden

16、 expansion of local resistance coefficient2.2.2综合实验建设综合实验的主要方法是让学生自行选择并搭建突然扩大局 部阻力系数测定的实验测试台架，通过对比不同管径和不同变 径比的管路在不同雷诺数Re条件下流动状态及流动参数，强化 对理论知识点的理解。流体力学综合实验台是综合实验开展的 平台，该平台为组装式、模块化结构，学生可依据自身需求进 行实验台的快速搭建和测试，具体如图6所示。在实验台的搭建 及测试环节，通过团队协作，学生可在实验方案制定、实验装 置组装、实验仪器选择、实验数据处理等方面获得相应的锻炼。图6 综合实验Fig. 6 Comprehen

17、sive Experiment2. 2. 3工程应用拓展工程拓展应用一直是传统实验教学的短板。新工科建设对 学生基于理论知识的工程拓展提出了更高的要求。流体力学作 为工程类专业的基础课程，其工程拓展教学对提升学生学以致 用能力及工程创新能力有积极作用。依据专业培养方案、开课 对象的不同，部分工程应用拓展案例如下：（1）化工污水处理管路的设计，化工污水富集、转运及处 理过程中需要借助管路完成，突然扩大形式管路是化工污水富 集及处理中常用的一种形式，针对物理特征（如粘度）及处理需 求的差异需要选择不同直径及变径比的管路，以降低能量损 失，在化工污水处理末端技术需求（如压力、流量）一定及管路 结构一定的前提下，合理布置各级泵送装置的技术参数（如压 力、功率、流量等）;（2）热机冷却系统管路设计，热机在工作过程中需要冷却 系统进行散热，冷却介质在冷却结束后需要富集、回流、循环 再利用，冷却介质在富集和回流过程中需要克服管道流动阻 力，突然扩大型富集回流管路是一种常见的形式，冷却介质在 富集回流过程中会产生流动损失，为了保证冷却介质富集回流 顺畅，需要增设泵/风机等动力装置为冷却介质富集回流提供 能量支持，以保证冷却系统的正常工作，在此背景下，引导学 生通过优化管路结构方式降低泵/风机功率，以达到节能