雷諾實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)仿真模擬探究

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1雷諾實(shí)驗(yàn)仿真軟件的設(shè)計(jì)制作

作為開發(fā)平臺(tái)的LabVIEW軟件，與其他計(jì)算機(jī)語言的區(qū)別是不用文本語言產(chǎn)生代碼，而用圖形化語言編寫程序，類似于流程圖，產(chǎn)生的程序?yàn)榭驁D形式?？驁D程序用LabVIEW圖形編程語言編寫，可把它理解為傳統(tǒng)程序下的源代碼?？驁D程序由端口、節(jié)點(diǎn)、圖框和連線構(gòu)成。其中端口連通程序面板的控制和顯示傳遞數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)用于函數(shù)和功能調(diào)用，圖框用來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化程序控制命令;連線則代表程序執(zhí)行過程中的數(shù)據(jù)流，定義框圖內(nèi)的數(shù)據(jù)流動(dòng)方向。LabVIEW的函數(shù)庫包含數(shù)據(jù)采集、GPIB、串口控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等，也有傳統(tǒng)的程序調(diào)試工具，如設(shè)置斷點(diǎn)、以動(dòng)畫方式顯示數(shù)據(jù)及其子程序(子Ⅵ，即虛擬儀器)的結(jié)果、單步執(zhí)行等。采用數(shù)據(jù)流編程方式，程序框圖中節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)流向決定子Ⅵ及函數(shù)的執(zhí)行順序等，可方便創(chuàng)建用戶界面，用圖標(biāo)和連線控制面板上的對(duì)象，便于程序調(diào)試。對(duì)虛擬儀器的互連及與計(jì)算機(jī)的連接，LabVIEW滿足GPIB、VXI、RS-232和RS-485協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能，還內(nèi)置了便于應(yīng)用TCP/IP、ActiveX等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫函數(shù)，可方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化界面使得編程及使用過程簡(jiǎn)單化。編程時(shí)，基本不用寫程序代碼，取而代之的是流程圖或框圖，使儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的操作更加便捷。在實(shí)驗(yàn)軟件設(shè)計(jì)中，所有圖形用Photoshop和CorelDRAW等繪制，形狀輪廓清晰，色彩明暗對(duì)比適中，與原物顏色接近。用CorelDRAW繪制結(jié)構(gòu)清晰的水箱，方便物體的創(chuàng)建和確定位置，降低了操控難度;對(duì)于閥門、管道、管道接頭、水泵、日光燈和渦輪流量計(jì)等，是用Photoshop處理實(shí)物照片后得到。另外，對(duì)日光燈、水箱內(nèi)水的反光和金屬管件表面的效果等進(jìn)行精心設(shè)計(jì)，增強(qiáng)這些部位的效果。繪制好實(shí)驗(yàn)所需的裝置零部件后，在LabVIEW程序設(shè)計(jì)中組裝，就像現(xiàn)實(shí)中將零件組裝成整臺(tái)儀器那樣。組裝時(shí)要注意各零部件的疊放次序和連接關(guān)系，保證組裝好的仿真模擬界面不會(huì)失真。如果僅有形象逼真的圖形界面是不夠的，還要求各個(gè)零部件必須像真實(shí)裝置那樣，能夠運(yùn)行并產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)態(tài)逼真的效果。仿真模擬實(shí)驗(yàn)零部件包括有變化現(xiàn)象的控件、可操作控件和靜態(tài)控件3種。靜態(tài)控件是實(shí)驗(yàn)中既不需要操作又不會(huì)產(chǎn)生任何變化的零部件，如水泵和管道等，編程時(shí)不賦予任何命令，只要將圖形位置擺放正確即可;可操作控件如截止閥、閘閥、示蹤劑開關(guān)和泵的開關(guān)等，對(duì)應(yīng)的儀器可以操控。開關(guān)和截止閥設(shè)有打開和關(guān)閉兩個(gè)狀態(tài);閘閥調(diào)節(jié)閥門開度控制流量，為旋轉(zhuǎn)式，范圍在0～400L•h－1之間。有變化現(xiàn)象可控件的值在編程中，作為有變化現(xiàn)象的控件產(chǎn)生相應(yīng)現(xiàn)象變化的必要條件，涉及水的控制，如高位槽、低位槽和雷諾管等較為復(fù)雜且有現(xiàn)象變化，涉及多個(gè)條件和循環(huán)結(jié)構(gòu)的嵌套。水顏色用9個(gè)液罐控制，均通過液罐控件設(shè)計(jì)來控制液面，液罐控件間還建立了單個(gè)或多個(gè)和可操作控件通過數(shù)值比較以“且”、“或”和“非”的關(guān)系，共同構(gòu)成液罐控件發(fā)生相應(yīng)變化的條件。該實(shí)驗(yàn)的核心是觀察流體流型，仿真模擬軟件必然要考慮層流和湍流等現(xiàn)象。雷諾管涉及不同條件下4個(gè)液罐顯示，分別為無示蹤劑顯示、層流態(tài)顯示、過渡態(tài)顯示和湍流態(tài)顯示，顯示方式由選項(xiàng)卡控件控制。選擇顯卡控件的控制由軟件計(jì)算得出的雷諾數(shù)與臨界雷諾數(shù)、雷諾管是否充滿水和示蹤劑開關(guān)是否打開等因素共同決定。雷諾數(shù)大小由水的密度、黏度、模擬管徑和流量控制閥的開度決定，其中水密度和黏度采用在規(guī)定范圍內(nèi)隨機(jī)賦值的方法顯示模擬溫度，溫度范圍在5～36℃。運(yùn)行時(shí)直接調(diào)用相應(yīng)溫度下水的密度和黏度計(jì)算出相應(yīng)的雷諾數(shù)通過數(shù)顯控件顯示;渦輪流量計(jì)量程設(shè)定在0～400L•h－1之間。雷諾數(shù)與流型根據(jù)計(jì)算結(jié)果和臨界雷諾數(shù)相比較決定，模擬軟件中的仿真現(xiàn)象基于常見的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，層流時(shí)示蹤劑流線位于雷諾管中央，為一清晰的直線，完全湍流時(shí)示蹤劑質(zhì)點(diǎn)會(huì)擴(kuò)散到整個(gè)雷諾管，因流速快，在雷諾管上部能看見細(xì)小的短線迅速擴(kuò)散，在下部無法看清，繪圖時(shí)候用充滿整個(gè)雷諾管的小點(diǎn)表示。過渡態(tài)示蹤劑流線的變化情況比較復(fù)雜，總體上是一個(gè)波動(dòng)幅度逐漸增大直至進(jìn)一步擴(kuò)散的過程，繪圖時(shí)直接用波浪線表示。所繪圖形為gif動(dòng)態(tài)圖片。運(yùn)行時(shí)可觀察到3種現(xiàn)象，即雷諾數(shù)小于2000時(shí)顯示完全層流態(tài)流動(dòng)，大于4000時(shí)顯示完全湍流，在2000～4000時(shí)顯示過渡態(tài)流動(dòng)。

2模擬軟件輔助教學(xué)

實(shí)驗(yàn)前學(xué)生雖然已經(jīng)過課堂學(xué)習(xí)，了解了流體流動(dòng)狀態(tài)與雷諾數(shù)的關(guān)系，再經(jīng)過預(yù)習(xí)，也了解雷諾實(shí)驗(yàn)的目的、裝置結(jié)構(gòu)、操作步驟、數(shù)據(jù)處理方法及可能遇到的問題等;然而，看著與過去做過的基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)差異甚大的化工實(shí)驗(yàn)裝置，要操作的閥門、開關(guān)，要觀察、記錄的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，以及要測(cè)量的介質(zhì)溫度和流量等，還是可能不知從何做起。如果學(xué)生面對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置，僅僅是按部就班完成操作，獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，而并不了解其本質(zhì)，則難以達(dá)到好的效果。雷諾仿真模擬實(shí)驗(yàn)軟件為實(shí)驗(yàn)教學(xué)開辟了一個(gè)全新的平臺(tái)，提供了可行的模擬動(dòng)手操作途徑。學(xué)生通過預(yù)習(xí)，結(jié)合仿真模擬軟件界面，進(jìn)行模擬操作，就能夠了解實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮脱b置，熟悉雷諾實(shí)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)裝置的操作步驟，掌握流體流動(dòng)狀態(tài)與雷諾數(shù)的關(guān)系等知識(shí)，這樣在實(shí)驗(yàn)時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置就不會(huì)出現(xiàn)誤操作和不敢操作的現(xiàn)象。同時(shí)，學(xué)生會(huì)帶著問題去做、去思考，真正達(dá)到掌握流體流動(dòng)理論的目的。通過使用模擬實(shí)驗(yàn)軟件后，學(xué)生能在具體實(shí)驗(yàn)中順利地完成操作，既縮短了實(shí)驗(yàn)時(shí)間，又提高了效率，還能將實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)與仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析對(duì)比，查找偏離的原因，這樣對(duì)理論的理解就能更加深刻。經(jīng)過對(duì)兩屆學(xué)生的使用，根據(jù)對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告的分析，使用仿真模擬實(shí)驗(yàn)軟件后，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)積極性提高了，實(shí)驗(yàn)報(bào)告的質(zhì)量明顯有了提升，收到了良好的效果。

3結(jié)論

實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手操作能力和創(chuàng)造能力的重要途徑。用仿真模擬實(shí)驗(yàn)軟件輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)，有助于強(qiáng)化學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能，為更好地掌握流體流動(dòng)知識(shí)提供幫助;既改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件，又提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，并為教學(xué)提供更多的思路，更便于引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、思考問題、解決問題。

作者：楊榮榛 董文生 劉春玲 陳繼生 單位：陜西師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院