開放式網上流體力學虛擬實驗室軟件簡介

適用專業：機械工程、力學、材料與土木等專業。

流體力學課程是機械、材料、土木等專業的一門主干專業基礎課，其理論性和實踐性都很強，它的實驗教學是流體力學課程教學中的一個重要實踐環節。目前，現實中的流體力學實驗存在以下局限性：

1．硬件依存性較強，只能在特定實驗室進行；

2．實驗設備外形較大，實驗室難以擺放足夠數量的設備，無法滿足學生獨立進行實驗的需求；

3．實驗器材損耗大，如動量方程實驗擋板被沖擊壞后無法再使用，浪費現象嚴重；

隨著招生規模的逐年擴大，教學改革的不斷深入，流體力學實驗的教學任務越來越重。同時，流體力學實驗器材較大，實驗室場地有限，都嚴重制約了流體力學實驗的質量和效果。

該軟件是針對大學?？?、本科《流體力學》實驗課程配套開發的可在網上開展的虛擬實驗，該軟件在使用過程中有如下優勢：

1.系統模擬實驗中用到的器材和設備，提供與真實實驗相似的實驗環境，提供網上實驗教學過程管理功能，包括：典型實驗庫的維護、實驗安排、提交實驗報告、實驗批改、成績統計、實驗答疑等功能模塊?？蓾M足高等學校和各培訓機構實驗教學環節的需要，尤其適用于遠程教學；

2.使用3D MAX、Maya等專業軟件進行三維建模、動畫制作、場景渲染等，模擬真實的實驗環境；

3.液體流速精準調解，可集成ANSYS、fluent、MATLAB等后處理算法軟件，對水流本身進行分時段流速云圖展示、變化曲線展示等，仿真結果準確，效果逼真。

使用現有器材模型，系統可開展如下11個常用流體力學虛擬實驗的訓練：

•     動量定理實驗

•     雷諾實驗

•     高低溫混合實驗

•     伯努利定理驗證實驗

•     文丘里實驗

•     卡門渦街實驗

•     畢托管標定實驗

•     直管沿程阻力系數測定實驗

•     直管局部損失阻力系數測定實驗

•     繞流物體模型阻力系數測定虛擬實驗

•     風洞實驗

圖一 流體力學實驗室界面

（1）動量定理實驗

本虛擬實驗模擬了動量定理實驗的完整實驗流程，軟件提供實驗相關介紹、實驗習題訓練、設備認知、數據表格自動填寫等功能，幫助學生預習和復習鞏固動量定理實驗的相關知識，加深實驗理解。

①　查看實驗簡介；

②　填寫實驗習題；

③　點擊調節閥門，觀察實驗現象，記錄實驗數據

（2）雷諾實驗

本虛擬實驗模擬了雷諾實驗的完整實驗流程，軟件提供實驗相關介紹、實驗習題訓練、設備認知、數據表格自動填寫等功能，幫助學生預習和復習鞏固雷諾實驗的相關知識，加深實驗理解。

①　打開注水開關，調節閥門開度，打開紅墨水開關，觀察水流流動狀態，層流狀態、顫動狀態和紊流狀態

②　記錄實驗數據

（3）高低溫流體混合實驗

本虛擬實驗模擬了雷諾實驗的完整實驗流程，軟件提供實驗相關介紹、實驗習題訓練、設備認知、數據表格自動填寫等功能，幫助學生預習和復習鞏固高低溫流體混和實驗的相關知識，顯示跡線圖、壓力云圖和混合視頻，加深實驗理解。

①　打開注水開關，打開冷熱水調節閥門，觀察流體混合實驗現象

②　點擊計算按鈕，觀察實驗結果云圖展示

（4）伯努利定理驗證實驗

本虛擬實驗模擬了伯努利定理驗證實驗的完整實驗流程，軟件提供實驗相關介紹、實驗習題訓練、設備認知、數據表格自動填寫等功能，幫助學生預習和復習鞏固伯努利定理驗證實驗的相關知識，加深實驗理解。

①　打開注水開關，調節流量開度，觀察實驗現象，記錄數據表格

（5）文丘里實驗

本虛擬實驗模擬了文丘里實驗的完整實驗流程，軟件提供實驗相關介紹、實驗習題訓練、設備認知、數據表格自動填寫等功能，幫助學生預習和復習鞏固文丘里實驗的相關知識，調用ANSYS軟件，顯示速度云圖、壓力云圖和壓力變化趨勢圖，加深實驗理解。

①　打開注水開關，調節流量閥門，觀察實驗現象，記錄實驗數據，得到速度云圖、壓力云圖和壓力變化趨勢圖。

（6）卡門渦街實驗

本虛擬實驗模擬了卡門渦街實驗的完整實驗流程，軟件提供實驗相關介紹、實驗習題訓練、設備認知、數據表格自動填寫等功能，幫助學生預習和復習鞏固卡門渦街實驗的相關知識，顯示壓力云圖、速度云圖和渦量云圖，加深實驗理解。

①　打開注水開關，調節流量閥門，觀察卡門渦街實驗現象，點擊計算按鈕，得到壓力云圖、速度云圖和渦量云圖。

（7）畢托管標定實驗

本虛擬實驗提供斜管微壓計、低速回流風洞和鐘罩式精密微壓計的儀器學習，模擬了畢托管標定實驗的完整實驗流程，軟件提供實驗相關介紹、實驗習題訓練、設備認知、數據表格自動填寫等功能，幫助學生預習和復習鞏固畢托管標定實驗的相關知識，加深實驗理解。

①　首界面進行斜管微壓計、低速回流風洞和鐘罩式精密微壓計儀器學習

②　查看實驗簡介

③　填寫實驗習題

④　打開鐘罩式微壓計開關，調節斜管微壓計至0.4處，開啟風洞開關，調節風扇轉速，記錄實驗數據。

（8）直管局部損失阻力系數測定實驗

本虛擬實驗模擬了直管局部阻力系數測定實驗的完整實驗流程，提功了包括突擴、縮管內徑25mm、30mm、35mm和漸擴、縮管25mm、30mm、35mm的管道選擇，同時軟件提供直管局部損失阻力系數測定實驗相關介紹、實驗習題訓練、設備認知、數據表格自動填寫等功能，幫助學生預習和復習鞏固實驗的相關知識，加深實驗理解。

①　進行管道選擇，游標卡尺測量管道直徑，直尺測量管道長度，打開注水開關，調節閥門開度，觀察實驗現象，記錄數據表格。

（9）直管沿程阻力系數測定實驗

本虛擬實驗模擬了直管沿程阻力系數測定實驗的完整實驗流程，提功了包括有機玻璃管內徑8mm、15mm和鑄鐵管內徑15mm的管道選擇，同時軟件提供直管沿程阻力系數測定實驗相關介紹、實驗習題訓練、設備認知、數據表格自動填寫等功能，幫助學生預習和復習鞏固實驗的相關知識，加深實驗理解。

①　選擇管道，進行管道長度測量

②　打開注水開關，調節開度，觀察實驗現象，記錄實驗數據。

（10）繞流物體模型阻力系數測定虛擬實驗

本虛擬實驗模擬了繞流物理模型阻力系數測定虛擬實驗，提供模型的阻力系數測定、風速的標定、測力天平的標定和支撐桿阻力系數測定四種參數選擇，通過調節風速得到不同模型阻力系數曲線，通過天平標定，利用標準砝碼和標定支架率定三分力天平三方向的電壓輸出值和力、力矩的關系曲線；在實驗過程中提供多角度觀測方式、操作幫助，加深對實驗理解。

①　打開實驗儀器

②　調節風速并記錄數據

③　添加砝碼并記錄數據

（11）風洞實驗

本虛擬實驗模擬了風洞實驗的完整實驗流程，提供四種不同尺寸的不銹鋼薄板和三種不同尺寸的鋁合金薄板，通過直尺和游標卡尺測量薄板的長、寬、高，內置經驗公式得出薄板的理論臨界速度，與實際速度相比得出誤差率。同時軟件提供風洞實驗相關介紹、實驗習題訓練、設備認知、數據表格自動填寫等功能，幫助學生預習和復習鞏固實驗的相關知識，加深實驗理解。

①　選擇薄板類型、尺寸，進行尺寸測量，安裝薄板，螺絲固定；

②　調節風洞風速大小，，記錄實驗數據，得到實際風速與理論臨界速度的誤差。

總結如下：

1.    調用Ansys仿真分析計算，仿真結果準確，效果逼真：

在三維實驗窗口中，用戶打開設備開關或擰動閥門，都會立即看到對應實驗現象的發生，非常形象直觀。實驗過程中，用戶可從任意角度、任意距離查看實驗設備，互動操作簡單快捷。與此同時，用戶提交轉速、管徑比等實驗數據后，系統會自動調用Ansys仿真軟件，精確計算出水頭高度、云圖等實驗結果，并實時在實驗窗口中予以顯示。由于該系統借助專業軟件Ansys進行仿真計算，具有實驗結果準確的特點，對實際實驗亦具有極強的指導作用。

圖二 計算得出的云圖與曲線

2.    通過Unity3D仿真實驗裝置交互式操作，靈活的動畫制作，精美的場景渲染：

在三維實驗窗口中，系統提供工具欄，實驗過程中可以隨時收起/展開工具欄，同時工具欄在實驗過程中用戶可以隨時選用，提供視窗欄，便于用戶快速切換到對應視角進行操作或觀察實驗現象，提供操作提示和幫助，言簡意賅描述實驗操作步驟和方法，使易用性更強。

系統服務器端用戶分為學生、教師、教務管理員和系統管理員四種角色，不同角色擁有不同權限。

       學生：選課、選擇實驗、開展實驗、接受實驗指導、在線提交實驗報告、保存和提交實驗結果、查詢實驗成績和批語。

       教師：典型實驗庫維護、發布實驗、安排實驗、批改實驗報告、系統指導、統計并發布學生的實驗成績和批語。 

       教務管理員：課程計劃、開課計劃、選課日期設置、開課審核、開課查詢。 

       系統管理員：用戶管理、分組管理、角色管理、權限管理、系統維護等。

性能指標

支持同時在線用戶數1萬人以上，經測試，系統運行穩定，不限終端用戶數，完全能滿足日常教學使用。

服務器運行環境

操作系統：Windows Server ，Linux/Unix Server

Web服務器：Tomcat6.0，JDK6.0

數據庫：MySQL

客戶端運行環境

操作系統： All Windows系列

相關信息：

研制單位：北京潤尼爾網絡科技有限公司

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