雷諾實驗計算機仿真模擬探究
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作為開發(fā)平臺的LabVIEW軟件，與其他計算機語言的區(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)生的程序為框圖形式。框圖程序用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、圖框和連線構成。其中端口連通程序面板的控制和顯示傳遞數(shù)據(jù)，節(jié)點用于函數(shù)和功能調(diào)用，圖框用來實現(xiàn)結構化程序控制命令;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)存儲等，也有傳統(tǒng)的程序調(diào)試工具，如設置斷點、以動畫方式顯示數(shù)據(jù)及其子程序(子Ⅵ，即虛擬儀器)的結果、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，用圖標和連線控制面板上的對象，便于程序調(diào)試。對虛擬儀器的互連及與計算機的連接，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)置了便于應用TCP/IP、ActiveX等軟件標準的庫函數(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單化。編程時，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。在實驗軟件設計中，所有圖形用Photoshop和CorelDRAW等繪制，形狀輪廓清晰，色彩明暗對比適中，與原物顏色接近。用CorelDRAW繪制結構清晰的水箱，方便物體的創(chuàng)建和確定位置，降低了操控難度;對于閥門、管道、管道接頭、水泵、日光燈和渦輪流量計等，是用Photoshop處理實物照片后得到。另外，對日光燈、水箱內(nèi)水的反光和金屬管件表面的效果等進行精心設計，增強這些部位的效果。繪制好實驗所需的裝置零部件后，在LabVIEW程序設計中組裝，就像現(xiàn)實中將零件組裝成整臺儀器那樣。組裝時要注意各零部件的疊放次序和連接關系，保證組裝好的仿真模擬界面不會失真。如果僅有形象逼真的圖形界面是不夠的，還要求各個零部件必須像真實裝置那樣，能夠運行并產(chǎn)生相應的動態(tài)逼真的效果。仿真模擬實驗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)控件是實驗中既不需要操作又不會產(chǎn)生任何變化的零部件，如水泵和管道等，編程時不賦予任何命令，只要將圖形位置擺放正確即可;可操作控件如截止閥、閘閥、示蹤劑開關和泵的開關等，對應的儀器可以操控。開關和截止閥設有打開和關閉兩個狀態(tài);閘閥調(diào)節(jié)閥門開度控制流量，為旋轉式，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雜且有現(xiàn)象變化，涉及多個條件和循環(huán)結構的嵌套。水顏色用9個液罐控制，均通過液罐控件設計來控制液面，液罐控件間還建立了單個或多個和可操作控件通過數(shù)值比較以“且”、“或”和“非”的關系，共同構成液罐控件發(fā)生相應變化的條件。該實驗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，顯示方式由選項卡控件控制。選擇顯卡控件的控制由軟件計算得出的雷諾數(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)隨機賦值的方法顯示模擬溫度，溫度范圍在5～36℃。運行時直接調(diào)用相應溫度下水的密度和黏度計算出相應的雷諾數(shù)通過數(shù)顯控件顯示;渦輪流量計量程設定在0～400L•h－1之間。雷諾數(shù)與流型根據(jù)計算結果和臨界雷諾數(shù)相比較決定，模擬軟件中的仿真現(xiàn)象基于常見的實驗現(xiàn)象，層流時示蹤劑流線位于雷諾管中央，為一清晰的直線，完全湍流時示蹤劑質點會擴散到整個雷諾管，因流速快，在雷諾管上部能看見細小的短線迅速擴散，在下部無法看清，繪圖時候用充滿整個雷諾管的小點表示。過渡態(tài)示蹤劑流線的變化情況比較復雜，總體上是一個波動幅度逐漸增大直至進一步擴散的過程，繪圖時直接用波浪線表示。所繪圖形為gif動態(tài)圖片。運行時可觀察到3種現(xiàn)象，即雷諾數(shù)小于2000時顯示完全層流態(tài)流動，大于4000時顯示完全湍流，在2000～4000時顯示過渡態(tài)流動。
2模擬軟件輔助教學
實驗前學生雖然已經(jīng)過課堂學習，了解了流體流動狀態(tài)與雷諾數(shù)的關系，再經(jīng)過預習，也了解雷諾實驗的目的、裝置結構、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化學實驗差異甚大的化工實驗裝置，要操作的閥門、開關，要觀察、記錄的實驗現(xiàn)象，以及要測量的介質溫度和流量等，還是可能不知從何做起。如果學生面對實驗裝置，僅僅是按部就班完成操作，獲得實驗數(shù)據(jù)，而并不了解其本質，則難以達到好的效果。雷諾仿真模擬實驗軟件為實驗教學開辟了一個全新的平臺，提供了可行的模擬動手操作途徑。學生通過預習，結合仿真模擬軟件界面，進行模擬操作，就能夠了解實驗目的和裝置，熟悉雷諾實驗及實驗裝置的操作步驟，掌握流體流動狀態(tài)與雷諾數(shù)的關系等知識，這樣在實驗時對實驗裝置就不會出現(xiàn)誤操作和不敢操作的現(xiàn)象。同時，學生會帶著問題去做、去思考，真正達到掌握流體流動理論的目的。通過使用模擬實驗軟件后，學生能在具體實驗中順利地完成操作，既縮短了實驗時間，又提高了效率，還能將實驗獲得的數(shù)據(jù)與仿真實驗結果分析對比，查找偏離的原因，這樣對理論的理解就能更加深刻。經(jīng)過對兩屆學生的使用，根據(jù)對學生實驗報告的分析，使用仿真模擬實驗軟件后，學生的實驗積極性提高了，實驗報告的質量明顯有了提升，收到了良好的效果。
3結論
實驗是培養(yǎng)學生動手操作能力和創(chuàng)造能力的重要途徑。用仿真模擬實驗軟件輔助實驗教學，有助于強化學生的實驗技能，為更好地掌握流體流動知識提供幫助;既改善實驗教學條件，又提高實驗教學效果，并為教學提供更多的思路，更便于引導學生發(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：陜西師范大學化學化工學院