雷諾實驗的計算機(jī)仿真模擬

楊榮榛　董文生　劉春玲　陳繼生

(陜西師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院　陜西西安 710119)

雷諾實驗的計算機(jī)仿真模擬

楊榮榛*通訊聯(lián)系人，E-mail:yangrzh@snnu.edu.cn董文生劉春玲陳繼生

(陜西師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院陜西西安 710119)

摘要雷諾實驗是學(xué)生學(xué)習(xí)流體理論、判定流型必不可少的實驗。為了促進(jìn)實驗教學(xué)，用LabVIEW等制作雷諾實驗仿真模擬軟件，改善教學(xué)條件，提高實驗效果和學(xué)生動手及計算機(jī)應(yīng)用能力。通過對開發(fā)軟件的應(yīng)用，強(qiáng)化了學(xué)生的實驗技能訓(xùn)練，很好地輔助了教學(xué)，并收到良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞雷諾實驗仿真模擬教學(xué)軟件開發(fā)

Computer-Aided Reynolds Experiment

Yang Rongzhen*Dong WenshengLiu ChunlingChen Jisheng

(SchoolofChemistryandChemicalEngineering,ShaanxiNormalUniversity,Xi′an710119,Shaanxi,China)

AbstractReynolds experiment is an indispensable experiment for students to study fluid theory and to distinguish the pipe flow state. LabVIEW was used in this paper to edit simulation for Reynolds experiment, which improved the experimental conditions, the experiment effect and student′s computer skills. The application of the software strengthened the experimental skill training, and helped with achieving better teaching results.

Key WordsReynolds experiment; Simulation; Teaching software; Development

雷諾實驗是化工原理課程的經(jīng)典實驗之一，旨在通過雷諾管中示蹤劑色線的變化，顯示流體在不同流速下色線呈現(xiàn)的直線、波浪線和紊亂等現(xiàn)象，以及對應(yīng)的層流、湍流等狀態(tài)；幫助學(xué)生建立流體流動概念，判定流型[1]。在講授流體的流動規(guī)律時，若能在課堂教學(xué)中直接演示實驗或在實驗前通過仿真實驗軟件預(yù)習(xí)實驗，對學(xué)生學(xué)好相關(guān)理論，掌握實驗的參數(shù)調(diào)節(jié)、操作技巧以及提高計算機(jī)應(yīng)用能力有很重要的意義。本文結(jié)合實驗教學(xué)情況，采用LabVIEW、Photoshop和CorelDRAW等軟件，開發(fā)了雷諾實驗仿真軟件，既可用于化工原理課堂演示，又可在實驗前預(yù)習(xí)，對學(xué)生掌握理論知識，提高教學(xué)效果很有必要。

1軟件功能設(shè)計思路

常見的化工仿真實驗軟件大多是以Visual Basic、Visual C++、Matlab等開發(fā)，需要編寫大量的程序源代碼，要求開發(fā)者既要理解化工原理及相關(guān)裝置結(jié)構(gòu)，又要掌握軟件開發(fā)工具。美國國家儀器(NI)公司開發(fā)的專用虛擬儀器開發(fā)平臺軟件LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言，有專用函數(shù)庫，具有虛擬儀表量大、數(shù)據(jù)處理功能強(qiáng)大等特點；且采用圖形化語言編程，不需編寫大量程序代碼就可開發(fā)出功能強(qiáng)大的虛擬實驗裝置；輔以Photoshop和CorelDRAW等軟件開發(fā)用戶界面，能制作出更加逼真的仿真實驗軟件[2]。

現(xiàn)在使用的雷諾實驗裝置由高位槽、示蹤劑瓶、雷諾管、流量計、閥門、水泵和低位水槽等組成，如圖1所示。實驗時，水泵將水從低位槽輸送到高位槽，為維持高位槽液面恒定，當(dāng)水超過設(shè)定位置后，一部分水從高位槽溢出口溢出，回流至低位槽，另一部分水則經(jīng)雷諾管、流量計和流量控制閥后回流到低位槽；示蹤劑經(jīng)細(xì)管從雷諾管入口注入，雷諾管內(nèi)水流量的大小通過控制閥調(diào)節(jié)。改變不同流量，可以觀察到色線在雷諾管中的變化，從而了解不同流況，掌握流體流動規(guī)律。然而傳統(tǒng)雷諾實驗裝置有測量數(shù)據(jù)不穩(wěn)定、重復(fù)性差、現(xiàn)象與計算所得雷諾數(shù)不太相符等缺陷。我們認(rèn)真分析了產(chǎn)生問題的原因，并對實驗進(jìn)行了改進(jìn)，用LabVIEW開發(fā)出雷諾仿真模擬實驗軟件，以方便學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)，并提升他們的計算機(jī)應(yīng)用能力，進(jìn)而達(dá)到提高實驗教學(xué)效果的目的。

為了讓學(xué)生學(xué)好流體知識，做好該實驗，對要開發(fā)的仿真模擬軟件的功能設(shè)計思路是：① 利用計算機(jī)強(qiáng)大的多媒體功能，開發(fā)與現(xiàn)使用的實驗裝置盡可能一致的用戶界面；② 利用事件驅(qū)動的編程技術(shù)，使仿真軟件的使用方法與實際實驗裝置的調(diào)節(jié)方法相一致；③ 利用機(jī)理模型，用計算機(jī)模擬能準(zhǔn)確反映實際實驗效果；④ 利用逼真的界面解決實驗操作難的問題，減少誤操作，方便學(xué)習(xí)并掌握理論。所設(shè)計的仿真軟件人機(jī)交互界面形式上與原裝置基本一致，如圖2所示。將原來的轉(zhuǎn)子流量計改為渦輪流量計，以方便直觀顯示流量；在面板上設(shè)置顯示實時溫度、管徑和雷諾數(shù)的窗口，以便于讀??；另外還增加了日光燈，使雷諾管中的現(xiàn)象更明顯。操作時，先打開進(jìn)水閥和日光燈，再打開微型泵開關(guān)和上水閥手柄，水泵將水從低位槽輸送到高位槽，為維持高位槽液面，當(dāng)水超過設(shè)定位置后，一部分溢出回流至低位槽，再開雷諾管后的控制閥，另一部分水經(jīng)雷諾管、流量計和流量控制閥回流到低位槽。示蹤劑經(jīng)雷諾管入口注入，調(diào)節(jié)控制閥，面板上會實時顯示溫度、管徑和雷諾數(shù)；通過雷諾管觀察到色線的變化，就可了解不同流況，掌握流體的流動規(guī)律。

圖1　雷諾實驗裝置示意圖

圖2　雷諾實驗仿真軟件的人機(jī)交互界面

2雷諾實驗仿真軟件的設(shè)計制作

作為開發(fā)平臺的LabVIEW軟件，與其他計算機(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)生的程序為框圖形式[3]?？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、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)點用于函數(shù)和功能調(diào)用，圖框用來實現(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(shè)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(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象，便于程序調(diào)試。

對虛擬儀器的互連及與計算機(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單化[4-5]。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(shè)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(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(jìn)行精心設(shè)計，增強(qiáng)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(shè)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(guān)系，保證組裝好的仿真模擬界面不會失真，設(shè)計的雷諾仿真模擬實驗程序運行界面如圖3所示。

圖3　雷諾仿真模擬實驗軟件程序圖

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(yīng)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(guān)和泵的開關(guān)等，對應(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，涉及多個條件和循環(huán)結(jié)構(gòu)的嵌套。水顏色用9個液罐控制，均通過液罐控件設(shè)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(guān)系，共同構(gòu)成液罐控件發(fā)生相應(yīng)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(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℃。運行時直接調(diào)用相應(yīng)溫度下水的密度和黏度計算出相應(yīng)的雷諾數(shù)通過數(shù)顯控件顯示；渦輪流量計量程設(shè)定在0～400L·h-1之間。雷諾數(shù)與流型根據(jù)計算結(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(zhì)點會擴(kuò)散到整個雷諾管，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(fù)雜，總體上是一個波動幅度逐漸增大直至進(jìn)一步擴(kuò)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。

3模擬軟件輔助教學(xué)

實驗前學(xué)生雖然已經(jīng)過課堂學(xué)習(xí)，了解了流體流動狀態(tài)與雷諾數(shù)的關(guān)系，再經(jīng)過預(yù)習(xí)，也了解雷諾實驗的目的、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)實驗差異甚大的化工實驗裝置，要操作的閥門、開關(guān)，要觀察、記錄的實驗現(xiàn)象，以及要測量的介質(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(zhì)，則難以達(dá)到好的效果。

雷諾仿真模擬實驗軟件為實驗教學(xué)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(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，就能夠了解實驗?zāi)康暮脱b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(guān)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(xué)生會帶著問題去做、去思考，真正達(dá)到掌握流體流動理論的目的。通過使用模擬實驗軟件后，學(xué)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(jié)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(xué)生的使用，根據(jù)對學(xué)生實驗報告的分析，使用仿真模擬實驗軟件后，學(xué)生的實驗積極性提高了，實驗報告的質(zhì)量明顯有了提升，收到了良好的效果。

4結(jié)論

實驗是培養(yǎng)學(xué)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(xué)，有助于強(qiáng)化學(xué)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(xué)條件，又提高實驗教學(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。

參考文獻(xiàn)

[1]董文生,楊榮榛.化學(xué)工程基礎(chǔ)實驗.西安:陜西師范大學(xué)出版社,2012

[2]陳樹學(xué),劉萱.LabVIEW寶典.北京:電子工業(yè)出版社,2011

[3]喬善平,商樹桓,閻虹.實驗室研究與探索,2002(2):39

[4]于海明,謝秋菊,杜雪亭,等.牡丹江師范學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2009(2):23

[5]鄭鑫,張大英,趙慧.長春大學(xué)學(xué)報,2009(4):8

中圖分類號O6；G64

doi:10.3866/pku.DXHX20150334