毕业设计管路流动阻力实验台 - 图文

第1章 绪论

1.1 课题的来源及意义

1.1.1 流体力学的实践教学性

流体力学主要研究在各种力的作用下，流体本身的状态，以及流体和固体壁面、流体和流体间、流体与其他运动形态之间的相互作用的力学分支。

流体力学是在人类同自然界作斗争和在生产实践中逐步发展起来的。古时中国有大禹治水疏通江河的传说；秦朝李冰父子带领劳动人民修建的都江堰，至今还在发挥着作用；大约与此同时，古罗马人建成了大规模的供水管道系统等等。

流体力学是力学的一个重要分支，它主要研究流体本身的静止状态和运动状态，以及流体和固体界壁间有相对运动时的相互作用和流动的规律。在生活、环保、科学技术及工程中具有重要的应用价值。

同物理学、化学等学科一样，流体力学离不开实验，尤其是对新的流体运动现象的研究。实验能显示运动特点及其主要趋势，有助于形成概念，检验理论的正确性。二百年来流体力学发展史中每一项重大进展都离不开实验。

我国现阶段各高校开展的有关工程流体力学的验证型实验包括：水静力学实验、能量方程实验、动量方程实验、雷诺实验、文丘里实验、局部阻力损失实验、沿程阻力损失实验、孔口与管嘴出流实验，另外还有两个演示实验：流动演示和流谱演示实验。

传统的实验教学方式,多是将流体流动所涉及的问题划分成流体流动阻力、离心泵性能测定和流量计校核三部分实验,在教学内容组织及实验流程设计方面,各部分相互独立、彼此割裂,所用仪器设备也各不相同,难以有机融合。这样,通过实验教学只能单一地考察某个过程或某个实验项目,很难将更为综合的、相融相通的知识与技术传输给学生,使得研究方法与思维空间受到限制,所开设的实验也多是一些演示型、验证型的项目。

本设计课题的主要工作是运用所学流体力学的知识研究管路阻力损失，并设计实验台验证。本设计重中之重是对实验台管路系统进行设计并通过在实验室做实验熟悉实验装置，对管路的设计有了自己的思考，为了满足教学研究的需要，在管路的设计中为了测量各种形式的阻力，分别设置了直管，弯管，突然扩大管和突然缩小管，而且对测量装置的设计比如流量计和压力测量装置也做出了相应的选择，以满足教学研究的需要，装置基本设计完成后通过后期的分析计算，然后再不断的改

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进实验装置以达到实际应用的要求。

1.1.2 我国流体力学实验设备的现状

实验教学该是流体力学教学过程中的一个非常重要的环节。随着教学改革的不断深入和发展,实践能力的培养逐渐成为教学改革的重要内容之一。过去沿用的验证式教学方式、教学方法以及教学手段,在新的技术条件和新的形势下越来越显得落后和不适应形势的发展。工程流体力学从实验设备、教学手段、教学方法等方面进行综合改革，真正使实验教学成为流体力学学实验是研究工程问题的重要手段,也是培养学生知识、能力与科学素养的最佳方法。因此,对于热能与动力类原理课程教学,开设相关流体流动过程的实验是必不可少的。

为了克服以上不足之处,结合课程内容与特点,将实验重新整合,使流体输送问题的各部分内容有机结合,并借助计算机技术、智能仪表测量及自动控制技术,开发出了具有计算机在线数据采集与控制功能的流体输送综合实验平台。

工程流体力学实验可借鉴这一先进的实验模式，拟采用开放实验，从周一到周五的白天，实验室向全体学生开放，每个实验开始前，看一段相关实验的录像，帮助理清实验步骤；实验过程中，要求学生一人独自完成实验，这样就有了更多的动手机会，也会促使他去思考实验中出现的问题。同时提高了实验室与仪器设备的利用率，可以有效解决实验人数多，仪器设备不足的问题。

为改变单一的实验形式，我国实验台实验教学采取了按层次结构来设置实验教学，在实验课中分必修实验和选修实验。必修实验内容就是原来的验证型实验，而选修实验为设计型、观察思考型的实验项目。

同样也设置了一些设计型实验有：流量控制与检测实验、明渠流中水面曲线实验。在实验过程中，允许学生采用不同的实验原理自主设计实验方案，前者是要求用几种不同的方法测流量；后者是通过设置不同的初始条件来观察不同的水面曲线形状，设计出来的形状越多，实验就越成功。这既可作为基础训练的加深和综合能力开发的手段，也可作为学生学习效果的检验。

观察思考型实验包括：虹吸现象实验、毕托管测速实验、水击现象实验。引导学生对日常生活中司空见惯的现象作深刻的思考和研究，把理论和实际真正结合起来。这样极大地激发了学生的求知欲望，也培养了学生发现问题解决问题的能力

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1.1.3 流体力学实验的意义

实验课既是一门综合技术，又是一门科学，有其内在的发展规律。要提高实验教学质量，培养学生的综合素质，必需积极探索实验教学的规律，改革实验教学体系，使高等教育满足社会的需求，培养出更多更好热能与动力工程的专门人才。实验教学应在四个方面对流体力学实验教学进行有效评价：

一、改革实验教学内容，培养学生的自主探索性； 二、改革实验教学方法，推行开放式实验；

三、改革实验手段，加强计算机在实验教学中的作用； 四、改革实验考试制度，全面评价学生。

通过对实验教学的重视与改革，把实验教学当作流体力学学习的主要方法，并对于工课专业学生重视培养学生收集处理信息的能力、获取新知识的能力、分析和解决问题的能力、语言文字表达能力以及团结协作和社会活动的能力。

1.1.4 实验教学改革的必要性

工程流体力学课程是热能与动力工程的专业基础课，与机械类各专业课程有着密切的关系。由于专业的性质，决定了热能专业的学生走向社会后，必须能尽快适应各种复杂的工程技术环境，综合运用专业学科知识，创造性地解决工程技术难题，而实验教学在运用理论知识解决实际问题中起着承前启后的作用。但长期以来，我国高等教育在人才培养模式上存在着重书本，轻实践，重理论轻科研的现象。实验课程的开设形同虚设，学生没有真正从实验课中学到东西，从而不能做到知识、能力、素质的协调发展。为了迎接挑战，培养高素质的工程技术人才，使热能系的毕业生真正成为社会需要的建设者，改革实验教学势在必行。

工程流体力学其研究对象为流体, 考察流体中大量分子的宏观平均运动规律。由于热能动力中常采用水、汽、空气、油等流体作为工作介质, 因此, 只有掌握了流体的基本运动规律才能真正了解热工设备的性能和运行规律, 才能正确地从事设计和运行管理。

因此，我们对流体力学实验教学从实验设备、教学手段、教学方法等方面进行综合改革，真正使实验教学成为流体力学学习的有机组成部分。实验课既是一门综合技术，又是一门科学，有其内在的发展规律。要提高实验教学质量，培养学生的综合素质，必需积极探索实验教学的规律，改革实验教学体系，使高等教育满足社会的需求，培养出更多更好

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热能与动力工程的专门人才。

1.2 流体力学的基本知识

1.2.1 流体静力学

1738年伯努利出版他的专著时，首先采用了水动力学这个名词并作为书名；1880年前后出现了空气动力学这个名词；1935年以后，人们概括了这两方面的知识，建立了统一的体系，统称为流体力学。流体是气体和液体的总称。在人们的生活和生产活动中随时随地都可遇到流体，所以流体力学是与人类日常生活和生产事业密切相关的。大气和水是最常见的两种流体，大气包围着整个地球，地球表面的70%是水面。大气运动、海水运动(包括波浪、潮汐、中尺度涡旋、环流等)乃至地球深处熔浆的流动都是流体力学的研究内容。

20世纪初，世界上第一架飞机出现以后，飞机和其他各种飞行器得到迅速发展。20世纪50年代开始的航天飞行，使人类的活动范围扩展到其他星球和银河系。航空航天事业的蓬勃发展是同流体力学的分支学科——空气动力学和气体动力学的发展紧密相连的。这些学科是流体力学中最活跃、最富有成果的领域。

沙漠迁移、河流泥沙运动、管道中煤粉输送、化工中气体催化剂的运动等，都涉及流体中带有固体颗粒或液体中带有气泡等问题，这类问题是多相流体力学研究的范围。

风对建筑物、桥梁、电缆等的作用使它们承受载荷和激发振动；废气和废水的排放造成环境污染；河床冲刷迁移和海岸遭受侵蚀；研究这些流体本身的运动及其同人类、动植物间的相互作用的学科称为环境流体力学 (其中包括环境空气动力学、建筑空气动力学)。这是一门涉及经典流体力学、气象学、海洋学和水力学、结构动力学等的新兴边缘学科。

生物流变学研究人体或其他动植物中有关的流体力学问题，例如血液在血管中的流动，心、肺、肾中的生理流体运动和植物中营养液的输送。此外，还研究鸟类在空中的飞翔，动物在水中的游动，等等。

因此，流体力学既包含自然科学的基础理论，又涉及工程技术科学方面的应用。此外，如从流体作用力的角度，则可分为流体静力学、流体运动学和流体动力学；从对不同“力学模型”的研究来分，则有理想流体动力学、粘性流体动力学、不可

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