開放式網(wǎng)上流體力學(xué)虛擬實驗室軟件簡介
適用專業(yè)：機(jī)械工程、力學(xué)、材料與土木等專業(yè)。
流體力學(xué)課程是機(jī)械、材料、土木等專業(yè)的一門主干專業(yè)基礎(chǔ)課，其理論性和實踐性都很強(qiáng)，它的實驗教學(xué)是流體力學(xué)課程教學(xué)中的一個重要實踐環(huán)節(jié)。目前，現(xiàn)實中的流體力學(xué)實驗存在以下局限性：
1．硬件依存性較強(qiáng)，只能在特定實驗室進(jìn)行；
2．實驗設(shè)備外形較大，實驗室難以擺放足夠數(shù)量的設(shè)備，無法滿足學(xué)生獨(dú)立進(jìn)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(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重；
隨著招生規(guī)模的逐年擴(kuò)大，教學(xué)改革的不斷深入，流體力學(xué)實驗的教學(xué)任務(wù)越來越重。同時，流體力學(xué)實驗器材較大，實驗室場地有限，都嚴(yán)重制約了流體力學(xué)實驗的質(zhì)量和效果。
該軟件是針對大學(xué)?？?、本科《流體力學(xué)》實驗課程配套開發(fā)的可在網(wǎng)上開展的虛擬實驗，該軟件在使用過程中有如下優(yōu)勢：
1.系統(tǒng)模擬實驗中用到的器材和設(shè)備，提供與真實實驗相似的實驗環(huán)境，提供網(wǎng)上實驗教學(xué)過程管理功能，包括：典型實驗庫的維護(hù)、實驗安排、提交實驗報告、實驗批改、成績統(tǒng)計、實驗答疑等功能模塊。可滿足高等學(xué)校和各培訓(xùn)機(jī)構(gòu)實驗教學(xué)環(huán)節(jié)的需要，尤其適用于遠(yuǎn)程教學(xué)；
2.使用3D MAX、Maya等專業(yè)軟件進(jìn)行三維建模、動畫制作、場景渲染等，模擬真實的實驗環(huán)境；
3.液體流速精準(zhǔn)調(diào)解，可集成ANSYS、fluent、MATLAB等后處理算法軟件，對水流本身進(jìn)行分時段流速云圖展示、變化曲線展示等，仿真結(jié)果準(zhǔn)確，效果逼真。
使用現(xiàn)有器材模型，系統(tǒng)可開展如下11個常用流體力學(xué)虛擬實驗的訓(xùn)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(biāo)定實驗
• 直管沿程阻力系數(shù)測定實驗
• 直管局部損失阻力系數(shù)測定實驗
• 繞流物體模型阻力系數(shù)測定虛擬實驗
• 風(fēng)洞實驗
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圖一 流體力學(xué)實驗室界面
（1）動量定理實驗
本虛擬實驗?zāi)M了動量定理實驗的完整實驗流程，軟件提供實驗相關(guān)介紹、實驗習(xí)題訓(xùn)練、設(shè)備認(rèn)知、數(shù)據(jù)表格自動填寫等功能，幫助學(xué)生預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)鞏固動量定理實驗的相關(guān)知識，加深實驗理解。
① 查看實驗簡介；
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② 填寫實驗習(xí)題；
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③ 點(diǎn)擊調(diào)節(jié)閥門，觀察實驗現(xiàn)象，記錄實驗數(shù)據(jù)
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（2）雷諾實驗
本虛擬實驗?zāi)M了雷諾實驗的完整實驗流程，軟件提供實驗相關(guān)介紹、實驗習(xí)題訓(xùn)練、設(shè)備認(rèn)知、數(shù)據(jù)表格自動填寫等功能，幫助學(xué)生預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)鞏固雷諾實驗的相關(guān)知識，加深實驗理解。
① 打開注水開關(guān)，調(diào)節(jié)閥門開度，打開紅墨水開關(guān)，觀察水流流動狀態(tài)，層流狀態(tài)、顫動狀態(tài)和紊流狀態(tài)
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② 記錄實驗數(shù)據(jù)
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（3）高低溫流體混合實驗
本虛擬實驗?zāi)M了雷諾實驗的完整實驗流程，軟件提供實驗相關(guān)介紹、實驗習(xí)題訓(xùn)練、設(shè)備認(rèn)知、數(shù)據(jù)表格自動填寫等功能，幫助學(xué)生預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)鞏固高低溫流體混和實驗的相關(guān)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(guān)，打開冷熱水調(diào)節(jié)閥門，觀察流體混合實驗現(xiàn)象
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② 點(diǎn)擊計算按鈕，觀察實驗結(jié)果云圖展示
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（4）伯努利定理驗證實驗
本虛擬實驗?zāi)M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(guān)介紹、實驗習(xí)題訓(xùn)練、設(shè)備認(rèn)知、數(shù)據(jù)表格自動填寫等功能，幫助學(xué)生預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)鞏固伯努利定理驗證實驗的相關(guān)知識，加深實驗理解。
① 打開注水開關(guān)，調(diào)節(jié)流量開度，觀察實驗現(xiàn)象，記錄數(shù)據(jù)表格
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（5）文丘里實驗
本虛擬實驗?zāi)M了文丘里實驗的完整實驗流程，軟件提供實驗相關(guān)介紹、實驗習(xí)題訓(xùn)練、設(shè)備認(rèn)知、數(shù)據(jù)表格自動填寫等功能，幫助學(xué)生預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)鞏固文丘里實驗的相關(guān)知識，調(diào)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(guān)，調(diào)節(jié)流量閥門，觀察實驗現(xiàn)象，記錄實驗數(shù)據(jù)，得到速度云圖、壓力云圖和壓力變化趨勢圖。
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（6）卡門渦街實驗
本虛擬實驗?zāi)M了卡門渦街實驗的完整實驗流程，軟件提供實驗相關(guān)介紹、實驗習(xí)題訓(xùn)練、設(shè)備認(rèn)知、數(shù)據(jù)表格自動填寫等功能，幫助學(xué)生預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)鞏固卡門渦街實驗的相關(guān)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(guān)，調(diào)節(jié)流量閥門，觀察卡門渦街實驗現(xiàn)象，點(diǎn)擊計算按鈕，得到壓力云圖、速度云圖和渦量云圖。
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（7）畢托管標(biāo)定實驗
本虛擬實驗提供斜管微壓計、低速回流風(fēng)洞和鐘罩式精密微壓計的儀器學(xué)習(xí)，模擬了畢托管標(biāo)定實驗的完整實驗流程，軟件提供實驗相關(guān)介紹、實驗習(xí)題訓(xùn)練、設(shè)備認(rèn)知、數(shù)據(jù)表格自動填寫等功能，幫助學(xué)生預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)鞏固畢托管標(biāo)定實驗的相關(guān)知識，加深實驗理解。
① 首界面進(jìn)行斜管微壓計、低速回流風(fēng)洞和鐘罩式精密微壓計儀器學(xué)習(xí)
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② 查看實驗簡介
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③ 填寫實驗習(xí)題
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④ 打開鐘罩式微壓計開關(guān)，調(diào)節(jié)斜管微壓計至0.4處，開啟風(fēng)洞開關(guān)，調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，記錄實驗數(shù)據(jù)。
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（8）直管局部損失阻力系數(shù)測定實驗
本虛擬實驗?zāi)M了直管局部阻力系數(shù)測定實驗的完整實驗流程，提功了包括突擴(kuò)、縮管內(nèi)徑25mm、30mm、35mm和漸擴(kuò)、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(shù)測定實驗相關(guān)介紹、實驗習(xí)題訓(xùn)練、設(shè)備認(rèn)知、數(shù)據(jù)表格自動填寫等功能，幫助學(xué)生預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)鞏固實驗的相關(guān)知識，加深實驗理解。
① 進(jìn)行管道選擇，游標(biāo)卡尺測量管道直徑，直尺測量管道長度，打開注水開關(guān)，調(diào)節(jié)閥門開度，觀察實驗現(xiàn)象，記錄數(shù)據(jù)表格。
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（9）直管沿程阻力系數(shù)測定實驗
本虛擬實驗?zāi)M了直管沿程阻力系數(shù)測定實驗的完整實驗流程，提功了包括有機(jī)玻璃管內(nèi)徑8mm、15mm和鑄鐵管內(nèi)徑15mm的管道選擇，同時軟件提供直管沿程阻力系數(shù)測定實驗相關(guān)介紹、實驗習(xí)題訓(xùn)練、設(shè)備認(rèn)知、數(shù)據(jù)表格自動填寫等功能，幫助學(xué)生預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)鞏固實驗的相關(guān)知識，加深實驗理解。
① 選擇管道，進(jìn)行管道長度測量
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② 打開注水開關(guān)，調(diào)節(jié)開度，觀察實驗現(xiàn)象，記錄實驗數(shù)據(jù)。
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（10）繞流物體模型阻力系數(shù)測定虛擬實驗
本虛擬實驗?zāi)M了繞流物理模型阻力系數(shù)測定虛擬實驗，提供模型的阻力系數(shù)測定、風(fēng)速的標(biāo)定、測力天平的標(biāo)定和支撐桿阻力系數(shù)測定四種參數(shù)選擇，通過調(diào)節(jié)風(fēng)速得到不同模型阻力系數(shù)曲線，通過天平標(biāo)定，利用標(biāo)準(zhǔn)砝碼和標(biāo)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(guān)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
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② 調(diào)節(jié)風(fēng)速并記錄數(shù)據(jù)
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③ 添加砝碼并記錄數(shù)據(jù)
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（11）風(fēng)洞實驗
本虛擬實驗?zāi)M了風(fēng)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(biāo)卡尺測量薄板的長、寬、高，內(nèi)置經(jīng)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(fēng)洞實驗相關(guān)介紹、實驗習(xí)題訓(xùn)練、設(shè)備認(rèn)知、數(shù)據(jù)表格自動填寫等功能，幫助學(xué)生預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)鞏固實驗的相關(guān)知識，加深實驗理解。
① 選擇薄板類型、尺寸，進(jìn)行尺寸測量，安裝薄板，螺絲固定；
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② 調(diào)節(jié)風(fēng)洞風(fēng)速大小，，記錄實驗數(shù)據(jù)，得到實際風(fēng)速與理論臨界速度的誤差。
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總結(jié)如下：
1. 調(diào)用Ansys仿真分析計算，仿真結(jié)果準(zhǔn)確，效果逼真：
在三維實驗窗口中，用戶打開設(shè)備開關(guān)或擰動閥門，都會立即看到對應(yīng)實驗現(xiàn)象的發(fā)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(shè)備，互動操作簡單快捷。與此同時，用戶提交轉(zhuǎn)速、管徑比等實驗數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)會自動調(diào)用Ansys仿真軟件，精確計算出水頭高度、云圖等實驗結(jié)果，并實時在實驗窗口中予以顯示。由于該系統(tǒng)借助專業(yè)軟件Ansys進(jìn)行仿真計算，具有實驗結(jié)果準(zhǔn)確的特點(diǎn)，對實際實驗亦具有極強(qiáng)的指導(dǎo)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(tǒng)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(yīng)視角進(jìn)行操作或觀察實驗現(xiàn)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(qiáng)。
系統(tǒng)服務(wù)器端用戶分為學(xué)生、教師、教務(wù)管理員和系統(tǒng)管理員四種角色，不同角色擁有不同權(quán)限。
學(xué)生：選課、選擇實驗、開展實驗、接受實驗指導(dǎo)、在線提交實驗報告、保存和提交實驗結(jié)果、查詢實驗成績和批語。
教師：典型實驗庫維護(hù)、發(fā)布實驗、安排實驗、批改實驗報告、系統(tǒng)指導(dǎo)、統(tǒng)計并發(fā)布學(xué)生的實驗成績和批語。
教務(wù)管理員：課程計劃、開課計劃、選課日期設(shè)置、開課審核、開課查詢。
系統(tǒng)管理員：用戶管理、分組管理、角色管理、權(quán)限管理、系統(tǒng)維護(hù)等。
性能指標(biāo)
支持同時在線用戶數(shù)1萬人以上，經(jīng)測試，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，不限終端用戶數(shù)，完全能滿足日常教學(xué)使用。
服務(wù)器運(yùn)行環(huán)境
操作系統(tǒng)：Windows Server ，Linux/Unix Server
Web服務(wù)器：Tomcat6.0，JDK6.0
數(shù)據(jù)庫：MySQL
客戶端運(yùn)行環(huán)境
操作系統(tǒng)： All Windows系列
相關(guān)信息：
研制單位：北京潤尼爾網(wǎng)絡(luò)科技有限公司
通訊地址：北京市海淀區(qū)北三環(huán)中路44號文教文化產(chǎn)業(yè)園1號樓 郵政編碼：100876
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