基于循环水洞设备的实验研究

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超空泡流场创新实验研究

超空泡流场创新实验的教学目的有如下几方面。(1)加深学生对超空泡理论及应用技术的认识。(2)掌握超空泡模型水洞实验模型安装、测试系统、通气系统使用等实验技术。获得超空泡流场实验数据，了解不同实验参数情况下，超空泡流场的变化规律及特殊物理现象。(3)使学生完整参与包括前期设计在内的整个超空泡问题科研实验过程，培养学生创新开拓的能力。该创新实验工作量很大，涉及多相流体力学、实验相似理论等学科知识，以及多个大型实验设备及模型系统。如果由学生完成整个实验过程，则应将其作为大学生科技创新选题，或本科生毕业设计题目，选题方向为超空泡航行体的理论研究、应用技术或水洞实验技术，可以是教师在科研中遇到的具体问题，也可以是学生在文献学习中想到的问题。视题目设计难度的不同，整个周期2～4个月。该创新实验的准备工作也可以由教师完成，学生只完成一次现场实验。这种情况下，可将该实验设计为流体力学理论课程中的创新实验学时，一次现场实验约需4学时。无论采用哪种教学模式，其基本的实验准备工作和现场实验设计是类似的。下面以4学时创新实验为例，介绍具体的实验设计。2．1实验前准备工作如不进行LDV测速和天平测力，前期准备工作包括以下几个部分:(1)水洞实验模型设计和加工;(2)通气控制系统调试;(3)高速摄像系统调试;(4)水洞循环水过滤，水洞电气系统、控制系统调试。其中水洞实验模型设计和加工工作周期很长，无法在教学实验中实施。在实际教学实验中，预先设计和加工了多套模型，每套模型中又加工了尺寸和几何形状不同的多套可更换部件。在课上实验工况确定过程中，学生根据其掌握的文献资料和计划实现的空泡效果，对模型和部件进行选择和组合。水洞本身的工作，如循环水过滤、电器系统调试等，因其周期较长以及安全等因素，由教师在实验前完成，学生不参与。通气控制系统和高速摄像系统的硬件设备由教师在实验前准备，操作规程需要学生提前预习。2．2创新实验教学设计前期准备完成后，即可安排现场创新实验。整个实验过程中，需教师2名(一名操作水洞设备，另一名现场指导与安全保障)，直接参与实验过程的学生8名，其中2名学生负责组装模型，并将模型安装到水洞工作段;2名学生负责操作通气控制系统，并记录通气参数;2名学生负责操作高速摄像系统，并调整摄像照明;2名学生负责协调各系统工作，并发出控制口令。其他学生现场观摩，也可以根据情况临时调换。完成整个实验约需4学时，前两个学时为现场学习和准备实验阶段，首先由指导教师现场提问，考察学生预习情况确定直接参与实验操作的8位同学，然后由同学们讨论完善实验大纲，主要包括模型及可更换部件的选择、实验工况确定等。接下来需要同时开展的工作有:通气控制系统和高速摄像系统现场调试、模型安装、熟悉实验流程、实验过程预演等;模型安装完毕后，需20分钟使水位上升至汽水分离罐中部(实验水位高度)。第3学时为正式实验阶段。工作段流速分别调整至实验大纲设计的流速，每个流速状态稳定后，调整通气量，分别得到无通气自然空化、局部空泡初生、局部空泡发展、超空泡等各状态，待各自状态稳定后，手工记录通气参数、水洞参数、模型参数;同时启动高速摄像机记录流场状态，观察并分析空泡稳定性、尾部回注射流等流场特性。该阶段需特别提醒学生注意观察生动的超空泡流场现象。第4学时为整理阶段。填写实验数据记录表格，整理实验数据，拆卸模型，保养实验设备。课后每位学生独立完成数据处理(主要内容有:实验现象解释分析，典型空泡形态测量，形成实验曲线，分析获得实验规律等)，撰写实验报告。某次实验过程中，观测到的空泡形态随通气参数变化规律如图6所示，超空泡的溃灭过程如图7所示。从图6中可以看出，当无通气情况下，航行体表面无空泡，只在其头部有雾状自然空化产生;当通气率达到1．563时，头部局部空泡尺度增加，但是仍处于不透明状态，其后部有雾状气团脱落;当通气率达到2．813时，生成了透明的，覆盖航行体大部分表面的超空泡，只有尾部部分区域仍处于沾湿状态;当通气率继续增加，超空泡尺度进一步增大，覆盖包括尾翼在内的全部表面。从图7可以看出，当停止通气后，超空泡没有马上溃灭，而是伴随着强烈的回注射流，空泡长度逐渐减小;当仅余一半长度后，突然破灭，退化到雾状空化状态。

实验效果、经验与改进思路

实验教学是高校教学中非常重要的组成部分。实验教学有利于提高学生的实验实践能力，培养学生的学习兴趣和创新意识［9］。流体力学是一门抽象、复杂且基于实验的科学，其知识点繁多，难于理解和掌握，流体实验是观察流体现象、促进理解和掌握理论知识的重要方法和手段［10］。本创新实验采用大型流体实验设备———超空泡循环水洞，将国际上流体研究热点方向———超空泡问题引入教学环节，取得了很好的教学效果。该创新实验处于探索阶段，发展成熟后拟作为研究生课程“流体动力学基础理论”的试验部分。该课程授课学时36学时，选课同学为一般力学与力学基础及流体力学专业研究生。本创新试验计划4学时，目前只在课题组内部研究生中进行尝试，参与实验的学生体现出极高的学习热情，快速掌握了大量实验技术，并直接接触前沿科技成果。在实验过程中，学生们还锻炼了动手能力，增强了团队合作意识。该创新实验作为大学生科技创新或本科生毕业设计选题，无论是工作量、创新性，还是动手能力的培养等方面都比较合适。而做为流体力学理论课程中的创新实验部分时，则遇到一些实际困难，最直接的问题有两个。一是教师实验准备工作量大、周期长、成本高。每4学时现场实验需要2位教师，2天左右的准备时间，而每次只有8名同学可以参与实验，教学推广成本高。二是对于学生而言，实验前需要学习的理论和实验知识量大，后期数据处理工作量也较大，除了本专业的研究生之外，其他学生选做该实验，负担偏重。对于第一个问题，需注意科研工作与教学工作的配合，将超空泡水洞科研试验安排在创新课程之前，这样二者的准备工作重合，有效减小了工作量。也可以考虑由选择该创新试验作为本科毕业设计及科技创新选题目的学生完成部分试验准备和组织工作。对于学生需补充学习的知识过多的问题，可以结合流体力学理论课程和力学试验方法课程，先期让学生接触部分专业知识。该创新实验课程开课时间以研究生期间为宜，如果是本科期间开课，则应选在四年级，先修课程完成之后再开课。

基于学科的教学科研设备“HT01通气超空泡实验水洞”，设计了创新实验———通气超空泡模型水洞实验，获得了良好的教学效果。参与实验的学生快速掌握了大量实验技术，并直接接触前沿科技成果。在实验过程中，学生们还锻炼了动手能力，增强了团队合作意识。

本文作者：曹伟魏英杰王聪工作单位：哈尔滨工业大学