开放式网上流体力学虚拟实验室软件简介

适用专业:机械工程、力学、材料与土木等专业。

流体力学课程是机械、材料、土木等专业的一门主干专业基础课,其理论性和实践性都很强,它的实验教学是流体力学课程教学中的一个重要实践环节。目前,现实中的流体力学实验存在以下局限性:

1.硬件依存性较强,只能在特定实验室进行;

2.实验设备外形较大,实验室难以摆放足够数量的设备,无法满足学生独立进行实验的需求;

3.实验器材损耗大,如动量方程实验挡板被冲击坏后无法再使用,浪费现象严重;

随着招生规模的逐年扩大,教学改革的不断深入,流体力学实验的教学任务越来越重。同时,流体力学实验器材较大,实验室场地有限,都严重制约了流体力学实验的质量和效果。

该软件是针对大学专科、本科《流体力学》实验课程配套开发的可在网上开展的虚拟实验,该软件在使用过程中有如下优势:

1.系统模拟实验中用到的器材和设备,提供与真实实验相似的实验环境,提供网上实验教学过程管理功能,包括:典型实验库的维护、实验安排、提交实验报告、实验批改、成绩统计、实验答疑等功能模块。可满足高等学校和各培训机构实验教学环节的需要,尤其适用于远程教学;

2.使用3D MAX、Maya等专业软件进行三维建模、动画制作、场景渲染等,模拟真实的实验环境;

3.液体流速精准调解,可集成ANSYS、fluent、MATLAB等后处理算法软件,对水流本身进行分时段流速云图展示、变化曲线展示等,仿真结果准确,效果逼真。

使用现有器材模型,系统可开展如下11个常用流体力学虚拟实验的训练:

•     动量定理实验

•     雷诺实验

•     高低温混合实验

•     伯努利定理验证实验

•     文丘里实验

•     卡门涡街实验

•     毕托管标定实验

•     直管沿程阻力系数测定实验

•     直管局部损失阻力系数测定实验

•     绕流物体模型阻力系数测定虚拟实验

•     风洞实验

图一 流体力学实验室界面

(1)动量定理实验

本虚拟实验模拟了动量定理实验的完整实验流程,软件提供实验相关介绍、实验习题训练、设备认知、数据表格自动填写等功能,帮助学生预习和复习巩固动量定理实验的相关知识,加深实验理解。

① 查看实验简介;

② 填写实验习题;

③ 点击调节阀门,观察实验现象,记录实验数据

(2)雷诺实验

本虚拟实验模拟了雷诺实验的完整实验流程,软件提供实验相关介绍、实验习题训练、设备认知、数据表格自动填写等功能,帮助学生预习和复习巩固雷诺实验的相关知识,加深实验理解。

① 打开注水开关,调节阀门开度,打开红墨水开关,观察水流流动状态,层流状态、颤动状态和紊流状态

② 记录实验数据

(3)高低温流体混合实验

本虚拟实验模拟了雷诺实验的完整实验流程,软件提供实验相关介绍、实验习题训练、设备认知、数据表格自动填写等功能,帮助学生预习和复习巩固高低温流体混和实验的相关知识,显示迹线图、压力云图和混合视频,加深实验理解。

① 打开注水开关,打开冷热水调节阀门,观察流体混合实验现象

② 点击计算按钮,观察实验结果云图展示

(4)伯努利定理验证实验

本虚拟实验模拟了伯努利定理验证实验的完整实验流程,软件提供实验相关介绍、实验习题训练、设备认知、数据表格自动填写等功能,帮助学生预习和复习巩固伯努利定理验证实验的相关知识,加深实验理解。

① 打开注水开关,调节流量开度,观察实验现象,记录数据表格

(5)文丘里实验

本虚拟实验模拟了文丘里实验的完整实验流程,软件提供实验相关介绍、实验习题训练、设备认知、数据表格自动填写等功能,帮助学生预习和复习巩固文丘里实验的相关知识,调用ANSYS软件,显示速度云图、压力云图和压力变化趋势图,加深实验理解。

① 打开注水开关,调节流量阀门,观察实验现象,记录实验数据,得到速度云图、压力云图和压力变化趋势图。

(6)卡门涡街实验

本虚拟实验模拟了卡门涡街实验的完整实验流程,软件提供实验相关介绍、实验习题训练、设备认知、数据表格自动填写等功能,帮助学生预习和复习巩固卡门涡街实验的相关知识,显示压力云图、速度云图和涡量云图,加深实验理解。

① 打开注水开关,调节流量阀门,观察卡门涡街实验现象,点击计算按钮,得到压力云图、速度云图和涡量云图。

(7)毕托管标定实验

本虚拟实验提供斜管微压计、低速回流风洞和钟罩式精密微压计的仪器学习,模拟了毕托管标定实验的完整实验流程,软件提供实验相关介绍、实验习题训练、设备认知、数据表格自动填写等功能,帮助学生预习和复习巩固毕托管标定实验的相关知识,加深实验理解。

① 首界面进行斜管微压计、低速回流风洞和钟罩式精密微压计仪器学习

② 查看实验简介

③ 填写实验习题

④ 打开钟罩式微压计开关,调节斜管微压计至0.4处,开启风洞开关,调节风扇转速,记录实验数据。

(8)直管局部损失阻力系数测定实验

本虚拟实验模拟了直管局部阻力系数测定实验的完整实验流程,提功了包括突扩、缩管内径25mm、30mm、35mm和渐扩、缩管25mm、30mm、35mm的管道选择,同时软件提供直管局部损失阻力系数测定实验相关介绍、实验习题训练、设备认知、数据表格自动填写等功能,帮助学生预习和复习巩固实验的相关知识,加深实验理解。

① 进行管道选择,游标卡尺测量管道直径,直尺测量管道长度,打开注水开关,调节阀门开度,观察实验现象,记录数据表格。

(9)直管沿程阻力系数测定实验

本虚拟实验模拟了直管沿程阻力系数测定实验的完整实验流程,提功了包括有机玻璃管内径8mm、15mm和铸铁管内径15mm的管道选择,同时软件提供直管沿程阻力系数测定实验相关介绍、实验习题训练、设备认知、数据表格自动填写等功能,帮助学生预习和复习巩固实验的相关知识,加深实验理解。

① 选择管道,进行管道长度测量

② 打开注水开关,调节开度,观察实验现象,记录实验数据。

(10)绕流物体模型阻力系数测定虚拟实验

本虚拟实验模拟了绕流物理模型阻力系数测定虚拟实验,提供模型的阻力系数测定、风速的标定、测力天平的标定和支撑杆阻力系数测定四种参数选择,通过调节风速得到不同模型阻力系数曲线,通过天平标定,利用标准砝码和标定支架率定三分力天平三方向的电压输出值和力、力矩的关系曲线;在实验过程中提供多角度观测方式、操作帮助,加深对实验理解。

① 打开实验仪器

② 调节风速并记录数据

③ 添加砝码并记录数据

(11)风洞实验

本虚拟实验模拟了风洞实验的完整实验流程,提供四种不同尺寸的不锈钢薄板和三种不同尺寸的铝合金薄板,通过直尺和游标卡尺测量薄板的长、宽、高,内置经验公式得出薄板的理论临界速度,与实际速度相比得出误差率。同时软件提供风洞实验相关介绍、实验习题训练、设备认知、数据表格自动填写等功能,帮助学生预习和复习巩固实验的相关知识,加深实验理解。

① 选择薄板类型、尺寸,进行尺寸测量,安装薄板,螺丝固定;

② 调节风洞风速大小,,记录实验数据,得到实际风速与理论临界速度的误差。

总结如下:

1.    调用Ansys仿真分析计算,仿真结果准确,效果逼真:

在三维实验窗口中,用户打开设备开关或拧动阀门,都会立即看到对应实验现象的发生,非常形象直观。实验过程中,用户可从任意角度、任意距离查看实验设备,互动操作简单快捷。与此同时,用户提交转速、管径比等实验数据后,系统会自动调用Ansys仿真软件,精确计算出水头高度、云图等实验结果,并实时在实验窗口中予以显示。由于该系统借助专业软件Ansys进行仿真计算,具有实验结果准确的特点,对实际实验亦具有极强的指导作用。

图二 计算得出的云图与曲线

2.    通过Unity3D仿真实验装置交互式操作,灵活的动画制作,精美的场景渲染:

在三维实验窗口中,系统提供工具栏,实验过程中可以随时收起/展开工具栏,同时工具栏在实验过程中用户可以随时选用,提供视窗栏,便于用户快速切换到对应视角进行操作或观察实验现象,提供操作提示和帮助,言简意赅描述实验操作步骤和方法,使易用性更强。

系统服务器端用户分为学生、教师、教务管理员和系统管理员四种角色,不同角色拥有不同权限。

       学生:选课、选择实验、开展实验、接受实验指导、在线提交实验报告、保存和提交实验结果、查询实验成绩和批语。

       教师:典型实验库维护、发布实验、安排实验、批改实验报告、系统指导、统计并发布学生的实验成绩和批语。 

       教务管理员:课程计划、开课计划、选课日期设置、开课审核、开课查询。 

       系统管理员:用户管理、分组管理、角色管理、权限管理、系统维护等。

性能指标

支持同时在线用户数1万人以上,经测试,系统运行稳定,不限终端用户数,完全能满足日常教学使用。

服务器运行环境

操作系统:Windows Server ,Linux/Unix Server

Web服务器:Tomcat6.0,JDK6.0

数据库:MySQL

客户端运行环境

操作系统: All Windows系列

相关信息:

研制单位:北京邮电大学 北京润尼尔网络科技有限公司

通讯地址:北京市海淀区北三环中路44号文教文化产业园1号楼   邮政编码:100876

TEL:400-888-3467  010-59508493

Web:http://www.rainier.net.cn     http://www.owvlab.net

E-mail:support@rainier.net.cn