導(dǎo)語(yǔ)：基于循環(huán)水洞設(shè)備的實(shí)驗(yàn)研究一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢(xún)客服老師，歡迎參考。

超空泡流場(chǎng)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)研究

超空泡流場(chǎng)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目的有如下幾方面。(1)加深學(xué)生對(duì)超空泡理論及應(yīng)用技術(shù)的認(rèn)識(shí)。(2)掌握超空泡模型水洞實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ桶惭b、測(cè)試系統(tǒng)、通氣系統(tǒng)使用等實(shí)驗(yàn)技術(shù)。獲得超空泡流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，了解不同實(shí)驗(yàn)參數(shù)情況下，超空泡流場(chǎng)的變化規(guī)律及特殊物理現(xiàn)象。(3)使學(xué)生完整參與包括前期設(shè)計(jì)在內(nèi)的整個(gè)超空泡問(wèn)題科研實(shí)驗(yàn)過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新開(kāi)拓的能力。該創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)工作量很大，涉及多相流體力學(xué)、實(shí)驗(yàn)相似理論等學(xué)科知識(shí)，以及多個(gè)大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備及模型系統(tǒng)。如果由學(xué)生完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，則應(yīng)將其作為大學(xué)生科技創(chuàng)新選題，或本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)題目，選題方向?yàn)槌张莺叫畜w的理論研究、應(yīng)用技術(shù)或水洞實(shí)驗(yàn)技術(shù)，可以是教師在科研中遇到的具體問(wèn)題，也可以是學(xué)生在文獻(xiàn)學(xué)習(xí)中想到的問(wèn)題。視題目設(shè)計(jì)難度的不同，整個(gè)周期2～4個(gè)月。該創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備工作也可以由教師完成，學(xué)生只完成一次現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。這種情況下，可將該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為流體力學(xué)理論課程中的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，一次現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)約需4學(xué)時(shí)。無(wú)論采用哪種教學(xué)模式，其基本的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是類(lèi)似的。下面以4學(xué)時(shí)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)為例，介紹具體的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。2．1實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備工作如不進(jìn)行LDV測(cè)速和天平測(cè)力，前期準(zhǔn)備工作包括以下幾個(gè)部分:(1)水洞實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)和加工;(2)通氣控制系統(tǒng)調(diào)試;(3)高速攝像系統(tǒng)調(diào)試;(4)水洞循環(huán)水過(guò)濾，水洞電氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)調(diào)試。其中水洞實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)和加工工作周期很長(zhǎng)，無(wú)法在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中實(shí)施。在實(shí)際教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，預(yù)先設(shè)計(jì)和加工了多套模型，每套模型中又加工了尺寸和幾何形狀不同的多套可更換部件。在課上實(shí)驗(yàn)工況確定過(guò)程中，學(xué)生根據(jù)其掌握的文獻(xiàn)資料和計(jì)劃實(shí)現(xiàn)的空泡效果，對(duì)模型和部件進(jìn)行選擇和組合。水洞本身的工作，如循環(huán)水過(guò)濾、電器系統(tǒng)調(diào)試等，因其周期較長(zhǎng)以及安全等因素，由教師在實(shí)驗(yàn)前完成，學(xué)生不參與。通氣控制系統(tǒng)和高速攝像系統(tǒng)的硬件設(shè)備由教師在實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備，操作規(guī)程需要學(xué)生提前預(yù)習(xí)。2．2創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)前期準(zhǔn)備完成后，即可安排現(xiàn)場(chǎng)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，需教師2名(一名操作水洞設(shè)備，另一名現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)與安全保障)，直接參與實(shí)驗(yàn)過(guò)程的學(xué)生8名，其中2名學(xué)生負(fù)責(zé)組裝模型，并將模型安裝到水洞工作段;2名學(xué)生負(fù)責(zé)操作通氣控制系統(tǒng)，并記錄通氣參數(shù);2名學(xué)生負(fù)責(zé)操作高速攝像系統(tǒng)，并調(diào)整攝像照明;2名學(xué)生負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各系統(tǒng)工作，并發(fā)出控制口令。其他學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)觀摩，也可以根據(jù)情況臨時(shí)調(diào)換。完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)約需4學(xué)時(shí)，前兩個(gè)學(xué)時(shí)為現(xiàn)場(chǎng)學(xué)習(xí)和準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)階段，首先由指導(dǎo)教師現(xiàn)場(chǎng)提問(wèn)，考察學(xué)生預(yù)習(xí)情況確定直接參與實(shí)驗(yàn)操作的8位同學(xué)，然后由同學(xué)們討論完善實(shí)驗(yàn)大綱，主要包括模型及可更換部件的選擇、實(shí)驗(yàn)工況確定等。接下來(lái)需要同時(shí)開(kāi)展的工作有:通氣控制系統(tǒng)和高速攝像系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試、模型安裝、熟悉實(shí)驗(yàn)流程、實(shí)驗(yàn)過(guò)程預(yù)演等;模型安裝完畢后，需20分鐘使水位上升至汽水分離罐中部(實(shí)驗(yàn)水位高度)。第3學(xué)時(shí)為正式實(shí)驗(yàn)階段。工作段流速分別調(diào)整至實(shí)驗(yàn)大綱設(shè)計(jì)的流速，每個(gè)流速狀態(tài)穩(wěn)定后，調(diào)整通氣量，分別得到無(wú)通氣自然空化、局部空泡初生、局部空泡發(fā)展、超空泡等各狀態(tài)，待各自狀態(tài)穩(wěn)定后，手工記錄通氣參數(shù)、水洞參數(shù)、模型參數(shù);同時(shí)啟動(dòng)高速攝像機(jī)記錄流場(chǎng)狀態(tài)，觀察并分析空泡穩(wěn)定性、尾部回注射流等流場(chǎng)特性。該階段需特別提醒學(xué)生注意觀察生動(dòng)的超空泡流場(chǎng)現(xiàn)象。第4學(xué)時(shí)為整理階段。填寫(xiě)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表格，整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，拆卸模型，保養(yǎng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備。課后每位學(xué)生獨(dú)立完成數(shù)據(jù)處理(主要內(nèi)容有:實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象解釋分析，典型空泡形態(tài)測(cè)量，形成實(shí)驗(yàn)曲線，分析獲得實(shí)驗(yàn)規(guī)律等)，撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告。某次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，觀測(cè)到的空泡形態(tài)隨通氣參數(shù)變化規(guī)律如圖6所示，超空泡的潰滅過(guò)程如圖7所示。從圖6中可以看出，當(dāng)無(wú)通氣情況下，航行體表面無(wú)空泡，只在其頭部有霧狀自然空化產(chǎn)生;當(dāng)通氣率達(dá)到1．563時(shí)，頭部局部空泡尺度增加，但是仍處于不透明狀態(tài)，其后部有霧狀氣團(tuán)脫落;當(dāng)通氣率達(dá)到2．813時(shí)，生成了透明的，覆蓋航行體大部分表面的超空泡，只有尾部部分區(qū)域仍處于沾濕狀態(tài);當(dāng)通氣率繼續(xù)增加，超空泡尺度進(jìn)一步增大，覆蓋包括尾翼在內(nèi)的全部表面。從圖7可以看出，當(dāng)停止通氣后，超空泡沒(méi)有馬上潰滅，而是伴隨著強(qiáng)烈的回注射流，空泡長(zhǎng)度逐漸減小;當(dāng)僅余一半長(zhǎng)度后，突然破滅，退化到霧狀空化狀態(tài)。

實(shí)驗(yàn)效果、經(jīng)驗(yàn)與改進(jìn)思路

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高校教學(xué)中非常重要的組成部分。實(shí)驗(yàn)教學(xué)有利于提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐能力，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新意識(shí)［9］。流體力學(xué)是一門(mén)抽象、復(fù)雜且基于實(shí)驗(yàn)的科學(xué)，其知識(shí)點(diǎn)繁多，難于理解和掌握，流體實(shí)驗(yàn)是觀察流體現(xiàn)象、促進(jìn)理解和掌握理論知識(shí)的重要方法和手段［10］。本創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)采用大型流體實(shí)驗(yàn)設(shè)備———超空泡循環(huán)水洞，將國(guó)際上流體研究熱點(diǎn)方向———超空泡問(wèn)題引入教學(xué)環(huán)節(jié)，取得了很好的教學(xué)效果。該創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)處于探索階段，發(fā)展成熟后擬作為研究生課程“流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)理論”的試驗(yàn)部分。該課程授課學(xué)時(shí)36學(xué)時(shí)，選課同學(xué)為一般力學(xué)與力學(xué)基礎(chǔ)及流體力學(xué)專(zhuān)業(yè)研究生。本創(chuàng)新試驗(yàn)計(jì)劃4學(xué)時(shí)，目前只在課題組內(nèi)部研究生中進(jìn)行嘗試，參與實(shí)驗(yàn)的學(xué)生體現(xiàn)出極高的學(xué)習(xí)熱情，快速掌握了大量實(shí)驗(yàn)技術(shù)，并直接接觸前沿科技成果。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生們還鍛煉了動(dòng)手能力，增強(qiáng)了團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)。該創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)作為大學(xué)生科技創(chuàng)新或本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)選題，無(wú)論是工作量、創(chuàng)新性，還是動(dòng)手能力的培養(yǎng)等方面都比較合適。而做為流體力學(xué)理論課程中的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)部分時(shí)，則遇到一些實(shí)際困難，最直接的問(wèn)題有兩個(gè)。一是教師實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作量大、周期長(zhǎng)、成本高。每4學(xué)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)需要2位教師，2天左右的準(zhǔn)備時(shí)間，而每次只有8名同學(xué)可以參與實(shí)驗(yàn)，教學(xué)推廣成本高。二是對(duì)于學(xué)生而言，實(shí)驗(yàn)前需要學(xué)習(xí)的理論和實(shí)驗(yàn)知識(shí)量大，后期數(shù)據(jù)處理工作量也較大，除了本專(zhuān)業(yè)的研究生之外，其他學(xué)生選做該實(shí)驗(yàn)，負(fù)擔(dān)偏重。對(duì)于第一個(gè)問(wèn)題，需注意科研工作與教學(xué)工作的配合，將超空泡水洞科研試驗(yàn)安排在創(chuàng)新課程之前，這樣二者的準(zhǔn)備工作重合，有效減小了工作量。也可以考慮由選擇該創(chuàng)新試驗(yàn)作為本科畢業(yè)設(shè)計(jì)及科技創(chuàng)新選題目的學(xué)生完成部分試驗(yàn)準(zhǔn)備和組織工作。對(duì)于學(xué)生需補(bǔ)充學(xué)習(xí)的知識(shí)過(guò)多的問(wèn)題，可以結(jié)合流體力學(xué)理論課程和力學(xué)試驗(yàn)方法課程，先期讓學(xué)生接觸部分專(zhuān)業(yè)知識(shí)。該創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課程開(kāi)課時(shí)間以研究生期間為宜，如果是本科期間開(kāi)課，則應(yīng)選在四年級(jí)，先修課程完成之后再開(kāi)課。

基于學(xué)科的教學(xué)科研設(shè)備“HT01通氣超空泡實(shí)驗(yàn)水洞”，設(shè)計(jì)了創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)———通氣超空泡模型水洞實(shí)驗(yàn)，獲得了良好的教學(xué)效果。參與實(shí)驗(yàn)的學(xué)生快速掌握了大量實(shí)驗(yàn)技術(shù)，并直接接觸前沿科技成果。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生們還鍛煉了動(dòng)手能力，增強(qiáng)了團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)。

本文作者：曹偉魏英杰王聰工作單位：哈爾濱工業(yè)大學(xué)