基于循環(huán)水洞設(shè)備的實驗研究

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超空泡流場創(chuàng)新實驗研究

超空泡流場創(chuàng)新實驗的教學(xué)目的有如下幾方面。(1)加深學(xué)生對超空泡理論及應(yīng)用技術(shù)的認識。(2)掌握超空泡模型水洞實驗?zāi)Ｐ桶惭b、測試系統(tǒng)、通氣系統(tǒng)使用等實驗技術(shù)。獲得超空泡流場實驗數(shù)據(jù)，了解不同實驗參數(shù)情況下，超空泡流場的變化規(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)計在內(nèi)的整個超空泡問題科研實驗過程，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新開拓的能力。該創(chuàng)新實驗工作量很大，涉及多相流體力學(xué)、實驗相似理論等學(xué)科知識，以及多個大型實驗設(shè)備及模型系統(tǒng)。如果由學(xué)生完成整個實驗過程，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)計題目，選題方向為超空泡航行體的理論研究、應(yīng)用技術(shù)或水洞實驗技術(shù)，可以是教師在科研中遇到的具體問題，也可以是學(xué)生在文獻學(xué)習(xí)中想到的問題。視題目設(shè)計難度的不同，整個周期2～4個月。該創(chuàng)新實驗的準備工作也可以由教師完成，學(xué)生只完成一次現(xiàn)場實驗。這種情況下，可將該實驗設(shè)計為流體力學(xué)理論課程中的創(chuàng)新實驗學(xué)時，一次現(xiàn)場實驗約需4學(xué)時。無論采用哪種教學(xué)模式，其基本的實驗準備工作和現(xiàn)場實驗設(shè)計是類似的。下面以4學(xué)時創(chuàng)新實驗為例，介紹具體的實驗設(shè)計。2．1實驗前準備工作如不進行LDV測速和天平測力，前期準備工作包括以下幾個部分:(1)水洞實驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計和加工;(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)水過濾，水洞電氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)調(diào)試。其中水洞實驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計和加工工作周期很長，無法在教學(xué)實驗中實施。在實際教學(xué)實驗中，預(yù)先設(shè)計和加工了多套模型，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。在課上實驗工況確定過程中，學(xué)生根據(jù)其掌握的文獻資料和計劃實現(xiàn)的空泡效果，對模型和部件進行選擇和組合。水洞本身的工作，如循環(huán)水過濾、電器系統(tǒng)調(diào)試等，因其周期較長以及安全等因素，由教師在實驗前完成，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)備由教師在實驗前準備，操作規(guī)程需要學(xué)生提前預(yù)習(xí)。2．2創(chuàng)新實驗教學(xué)設(shè)計前期準備完成后，即可安排現(xiàn)場創(chuàng)新實驗。整個實驗過程中，需教師2名(一名操作水洞設(shè)備，另一名現(xiàn)場指導(dǎo)與安全保障)，直接參與實驗過程的學(xué)生8名，其中2名學(xué)生負責(zé)組裝模型，并將模型安裝到水洞工作段;2名學(xué)生負責(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)場觀摩，也可以根據(jù)情況臨時調(diào)換。完成整個實驗約需4學(xué)時，前兩個學(xué)時為現(xiàn)場學(xué)習(xí)和準備實驗階段，首先由指導(dǎo)教師現(xiàn)場提問，考察學(xué)生預(yù)習(xí)情況確定直接參與實驗操作的8位同學(xué)，然后由同學(xué)們討論完善實驗大綱，主要包括模型及可更換部件的選擇、實驗工況確定等。接下來需要同時開展的工作有:通氣控制系統(tǒng)和高速攝像系統(tǒng)現(xiàn)場調(diào)試、模型安裝、熟悉實驗流程、實驗過程預(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(實驗水位高度)。第3學(xué)時為正式實驗階段。工作段流速分別調(diào)整至實驗大綱設(shè)計的流速，每個流速狀態(tài)穩(wěn)定后，調(diào)整通氣量，分別得到無通氣自然空化、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);同時啟動高速攝像機記錄流場狀態(tài)，觀察并分析空泡穩(wěn)定性、尾部回注射流等流場特性。該階段需特別提醒學(xué)生注意觀察生動的超空泡流場現(xiàn)象。第4學(xué)時為整理階段。填寫實驗數(shù)據(jù)記錄表格，整理實驗數(shù)據(jù)，拆卸模型，保養(yǎng)實驗設(shè)備。課后每位學(xué)生獨立完成數(shù)據(jù)處理(主要內(nèi)容有:實驗現(xiàn)象解釋分析，典型空泡形態(tài)測量，形成實驗曲線，分析獲得實驗規(guī)律等)，撰寫實驗報告。某次實驗過程中，觀測到的空泡形態(tài)隨通氣參數(shù)變化規(guī)律如圖6所示，超空泡的潰滅過程如圖7所示。從圖6中可以看出，當(dāng)無通氣情況下，航行體表面無空泡，只在其頭部有霧狀自然空化產(chǎn)生;當(dāng)通氣率達到1．563時，頭部局部空泡尺度增加，但是仍處于不透明狀態(tài)，其后部有霧狀氣團脫落;當(dāng)通氣率達到2．813時，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，超空泡沒有馬上潰滅，而是伴隨著強烈的回注射流，空泡長度逐漸減小;當(dāng)僅余一半長度后，突然破滅，退化到霧狀空化狀態(tài)。

實驗效果、經(jīng)驗與改進思路

實驗教學(xué)是高校教學(xué)中非常重要的組成部分。實驗教學(xué)有利于提高學(xué)生的實驗實踐能力，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新意識［9］。流體力學(xué)是一門抽象、復(fù)雜且基于實驗的科學(xué)，其知識點繁多，難于理解和掌握，流體實驗是觀察流體現(xiàn)象、促進理解和掌握理論知識的重要方法和手段［10］。本創(chuàng)新實驗采用大型流體實驗設(shè)備———超空泡循環(huán)水洞，將國際上流體研究熱點方向———超空泡問題引入教學(xué)環(huán)節(jié)，取得了很好的教學(xué)效果。該創(chuàng)新實驗處于探索階段，發(fā)展成熟后擬作為研究生課程“流體動力學(xué)基礎(chǔ)理論”的試驗部分。該課程授課學(xué)時36學(xué)時，選課同學(xué)為一般力學(xué)與力學(xué)基礎(chǔ)及流體力學(xué)專業(yè)研究生。本創(chuàng)新試驗計劃4學(xué)時，目前只在課題組內(nèi)部研究生中進行嘗試，參與實驗的學(xué)生體現(xiàn)出極高的學(xué)習(xí)熱情，快速掌握了大量實驗技術(shù)，并直接接觸前沿科技成果。在實驗過程中，學(xué)生們還鍛煉了動手能力，增強了團隊合作意識。該創(chuàng)新實驗作為大學(xué)生科技創(chuàng)新或本科生畢業(yè)設(shè)計選題，無論是工作量、創(chuàng)新性，還是動手能力的培養(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)新實驗部分時，則遇到一些實際困難，最直接的問題有兩個。一是教師實驗準備工作量大、周期長、成本高。每4學(xué)時現(xiàn)場實驗需要2位教師，2天左右的準備時間，而每次只有8名同學(xué)可以參與實驗，教學(xué)推廣成本高。二是對于學(xué)生而言，實驗前需要學(xué)習(xí)的理論和實驗知識量大，后期數(shù)據(jù)處理工作量也較大，除了本專業(yè)的研究生之外，其他學(xué)生選做該實驗，負擔(dān)偏重。對于第一個問題，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安排在創(chuàng)新課程之前，這樣二者的準備工作重合，有效減小了工作量。也可以考慮由選擇該創(chuàng)新試驗作為本科畢業(yè)設(shè)計及科技創(chuàng)新選題目的學(xué)生完成部分試驗準備和組織工作。對于學(xué)生需補充學(xué)習(xí)的知識過多的問題，可以結(jié)合流體力學(xué)理論課程和力學(xué)試驗方法課程，先期讓學(xué)生接觸部分專業(yè)知識。該創(chuàng)新實驗課程開課時間以研究生期間為宜，如果是本科期間開課，則應(yīng)選在四年級，先修課程完成之后再開課。

基于學(xué)科的教學(xué)科研設(shè)備“HT01通氣超空泡實驗水洞”，設(shè)計了創(chuàng)新實驗———通氣超空泡模型水洞實驗，獲得了良好的教學(xué)效果。參與實驗的學(xué)生快速掌握了大量實驗技術(shù)，并直接接觸前沿科技成果。在實驗過程中，學(xué)生們還鍛煉了動手能力，增強了團隊合作意識。

本文作者：曹偉魏英杰王聰工作單位：哈爾濱工業(yè)大學(xué)