可視化管內(nèi)風(fēng)速風(fēng)量測量實驗裝置的研制與開發(fā)

趙美 臧建彬 蔡煒 王曉東 曹昌盛 李翠

摘要：管內(nèi)風(fēng)速風(fēng)量是通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中非常重要的參數(shù)之一。通過教學(xué)改革項目的建設(shè)，建立亞克力板可視化實驗平臺，實驗中學(xué)生可以直觀看到各種測試儀器的工作過程，有助于加深學(xué)生的理解并激發(fā)學(xué)生的實驗積極性。采用創(chuàng)新的實驗教學(xué)模式進行教學(xué)，有助于促進對實驗教學(xué)內(nèi)涵的再認(rèn)識和深化，切實提高創(chuàng)新人才培養(yǎng)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：風(fēng)速風(fēng)量測量；實驗教學(xué)改革；可視化實驗平臺

中圖分類號：G642.423 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）01-0268-02

管內(nèi)風(fēng)速風(fēng)量是通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中非常重要的參數(shù)之一，因此要求學(xué)生必須熟練掌握管內(nèi)風(fēng)速風(fēng)量的測量方法。同時管內(nèi)風(fēng)速風(fēng)量測量實驗是深化《建筑環(huán)境測試技術(shù)》課程理論知識教學(xué)和培養(yǎng)學(xué)生實際動手能力的重要實驗項目。通過本實驗教學(xué)改革項目的建設(shè)，設(shè)計先進的實驗教學(xué)系統(tǒng)，建設(shè)一個可視化的實驗平臺，改革實驗教學(xué)模式，激發(fā)學(xué)生的實驗積極性，鍛煉學(xué)生的動手能力，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識。

一、實驗方案確定

本管內(nèi)風(fēng)速風(fēng)量的測量實驗主要用于教學(xué)，因此在實驗臺搭建過程中要注重考慮實驗基本方法和原理的展示[1]。學(xué)生可以通過實驗了解并掌握各種測量風(fēng)量的基本原理和各種測試方法和手段。因此本實驗臺在方案設(shè)計是主要采用壓差式的流量測量方法，應(yīng)用流體力學(xué)原理設(shè)置了以下測試方法。

（一）畢托管測試法

可見，只要測出總壓和靜壓，或者總壓和靜壓的壓力差，便可求出流速。如果被測流體及其截面是確定的，就可以得到測量流體的體積流量或質(zhì)量流量。

（二）非標(biāo)準(zhǔn)型測壓管測試法

非標(biāo)準(zhǔn)型測壓管主要有：梳形測壓管、笛形測壓管和整流形測壓管。他們的全壓測管布置均是在畢托管法確定的測點上。梳形管在全壓測量同一斷面的管壁上打靜壓測孔并將各靜壓測孔連通在一起接微壓計另一端，用其壓差值作為平均動壓。笛形管的靜壓測量可以如同梳形管測壓一樣，在風(fēng)管的管壁上打靜壓孔測量；但也可以選取與全壓測管同直徑，或者直徑小一點的銅管背向全壓孔打孔1—3個，與全壓管并在一起安裝，用其壓差代表風(fēng)管斷面上的平均動壓。整流形測壓管則是在全壓測管頭部附加一段薄壁整流管，全壓測管正對其中心，使得偏斜氣流通過這樣一段小管時，起到一個整流作用，而靜壓測量則是在整流管的全壓測量斷面的管壁引出靜壓管并匯集到一根總管接微壓計。

（三）節(jié)流流量測量法

（四）雙紐線集流器測量法

雙紐線集流器喇叭口的收縮部按照雙紐線制作，這種集流器比較符合管道吸入口氣流流線形狀（即在入口處沒有渦流）。當(dāng)制作比較精致，內(nèi)壁非常光滑即摩擦阻力忽略不計時，根據(jù)伯努利方程，集流器的靜壓的絕對值在數(shù)值上等于動壓值。當(dāng)然，實際上集流器的制作不可能完全符合雙紐線，摩擦還是有的，因此阻力損失是存在的，實際使用時可與畢托管法進行對比，求出其校正系數(shù)：ξ=■ （式5）式中：Pdp—用畢托管法測量的平均動壓值；Pj—集流器的靜壓值，用絕對值表示。

二、可視化實驗平臺搭建

現(xiàn)有的管內(nèi)風(fēng)速風(fēng)量測試實驗臺相對簡單，只安裝了風(fēng)速風(fēng)量測量的個別測試儀器，而上述測試方案大部分尚未安裝。而且風(fēng)管采用鍍鋅鋼管制成，學(xué)生只能依靠實驗教師的描述理解各種測量風(fēng)速風(fēng)量儀器的工作原理和結(jié)構(gòu)，實驗教學(xué)效果欠佳。通過本項目的建設(shè)，采用亞克力材料制作成透明的風(fēng)道，使得學(xué)生更形象直觀地看到各種風(fēng)速風(fēng)量測量儀器的結(jié)構(gòu)和工作時的狀態(tài)，加深學(xué)生對理論知識的掌握，激發(fā)學(xué)生的實驗積極性。

風(fēng)管系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上采用引風(fēng)段結(jié)構(gòu)，如圖1所示。風(fēng)機選用離心風(fēng)機，帶有風(fēng)量調(diào)節(jié)閥門，以調(diào)節(jié)達到不同的風(fēng)量工況。為了便于實驗觀測，風(fēng)管的材料選用透明的有機玻璃管。測點的位置選擇在氣流平緩的地方，設(shè)置畢托管測孔的要求是在圓管上在相互垂直的位置上打兩個風(fēng)量測量孔。除了實驗臺上安裝的測量裝置，還需要配置一些輔助的測量儀器，主要有畢托管、微壓計、壓差傳感器、熱線風(fēng)速儀和溫度計。

三、實驗教學(xué)模式創(chuàng)新改革

隨著國家加強本科教學(xué)質(zhì)量評估，各高校陸續(xù)開展教學(xué)改革，實驗教學(xué)改革也日益得到重視。高校也逐步加大對實驗室建設(shè)的投入，主要體現(xiàn)在更新陳舊的實驗教學(xué)設(shè)備和改善實驗教學(xué)環(huán)境[2]。本項目提出一種創(chuàng)新的實驗教學(xué)模式，以提高實驗教學(xué)效果，培養(yǎng)適應(yīng)社會發(fā)展的創(chuàng)新型人才。

該實驗借鑒“翻轉(zhuǎn)課堂”的教學(xué)理念，改變過往以教師為絕對主體的教學(xué)方式，采用研究型實驗教學(xué)。課前，學(xué)生通過觀看教學(xué)視頻、翻閱相關(guān)書籍進行學(xué)習(xí)，可以分組進行討論，設(shè)計實驗方案；課中，學(xué)生在實驗教師的引導(dǎo)下進行實驗，通過實際操作也解決學(xué)生課前學(xué)習(xí)中遇到的問題；課后，學(xué)生寫實驗報告，對實驗過程進行分析總結(jié)。整個過程中，實驗老師主要起到的是啟發(fā)和引導(dǎo)的作用，更多的是學(xué)生自主的學(xué)習(xí)、實驗，有利于培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，以及發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力、表達和歸納總結(jié)的能力。

該實驗采用多樣化、多媒體實驗教學(xué)手段，通過實驗課件、實驗教學(xué)錄像片等多種方式使得實驗過程不再枯燥無味，進而激發(fā)學(xué)生的興趣和求知欲，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的主動性，加強學(xué)生對相關(guān)理論知識的理解和掌握。此外，利用學(xué)校網(wǎng)絡(luò)平臺，開發(fā)網(wǎng)絡(luò)化的實驗教學(xué)系統(tǒng)，通過整合相關(guān)的實驗教學(xué)資料，方便學(xué)生隨時隨地開展學(xué)習(xí)。

四、結(jié)束語

通過對“管內(nèi)風(fēng)速風(fēng)量的測量實驗”進行可視化實驗改造，讓學(xué)生對于各種測試方法和儀器有了更為深刻的了解，通過實驗教學(xué)的改革，建設(shè)良好的實驗軟硬環(huán)境、改革實驗教學(xué)方法和考核方式，促進了對實驗教學(xué)內(nèi)涵的深化和再認(rèn)識。注重激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生合作能力、表達能力、創(chuàng)新能力和實踐能力，切實提高創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)質(zhì)量。

參考文獻：

[1]方武.風(fēng)管流量測量實驗的設(shè)計[J].安徽建筑工業(yè)學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2008，16（6）：65-67.

[2]宋國利，蓋功琪，蘇東妹.開放式實驗教學(xué)模式的研究與實踐[J].實驗室研究與探索，2010，29（2）：90-93+132.