多功能模塊化流動原理實驗裝置的創新設計

王永璽，李 越，薛永強，馮麗麗，張 穎

（東北石油大學機械科學與工程學院，黑龍江 大慶163318）

1 多功能模塊化實驗裝置設計理念

流動原理是許多工科專業重要的專業基礎課程，其原理抽象且復雜，要了解各種復雜的流體現象并掌握其運動規律，需要通過實驗教學環節來實現。傳統實驗教學環節通常是以老師為中心的模式，在較為復雜的實驗裝置上進行演示性的實驗教學。顯然，這種模式在培養學生的創新能力、動手能力及解決實際問題能力方面存在不足[1]。

與流體流動原理相關的大部分實驗，如沿程阻力實驗、局部阻力實驗、管路串并聯實驗和雷諾現象模擬及測試實驗等，這些實驗所用裝置在工藝單元設備使用上具有一定的相似性，如均包括儲存裝置、管路、離心泵等。針對這一特點，通過對多個流動原理實驗裝置的分析，將各項實驗裝置用的設備、儀表、管路和管路元件等按一定需求組合到一起，設計一種多功能模塊化流動原理實驗裝置。這種多功能模塊化的自由組裝的實驗裝置，可以使學生得到很好的工程訓練，突出了對學生動手實踐能力的培養。該實驗裝置組裝搭建好之后不但可以進行流動過程的基本實驗項目，同時學生還可以自主構思，進行創新型、設計型實驗。在此過程中可激發學生的創新意識，提高創新能力。

2 實驗裝置的模塊化設計

依據功能劃分的模塊化設計方法[2]，多功能模塊化流動原理實驗裝置可分為四個功能模塊，即實驗臺模塊、實驗管路模塊、參數測量模塊和快接組件模塊。各功能模塊還可分出若干子模塊，具體設計思路及組成模塊如圖1所示。

圖1 實驗裝置的組成模塊

2.1 實驗臺模塊的設計

實驗臺模塊包括水箱模塊、高位水槽模塊和管路支撐模塊。水箱模塊采用600 mm×360 mm×500 mm，壁厚為1.5 mm的鋁合金制成，既作為實驗介質的盛裝容器又作為裝置所有設備和零件的收納箱體。高位水槽模塊為316 mm×212 mm×500 mm，厚度為4 mm，由有機玻璃制成，可實現實驗管路中流體壓力的恒定[3]，同時該水槽也起到儲物的作用。管路支撐模塊通過不同尺寸的工業鋁型材組裝而成，可為不同流動原理實驗提供支撐作用和各項實驗裝置組裝之后的管路管件支撐固定作用，實驗臺模塊結構如圖2所示。

圖2 實驗臺模塊結構

2.2 實驗管路模塊的設計

實驗管路模塊包括管件模塊、動力循環模塊、閥門控制模塊。管件模塊是搭建實驗系統的主要模塊，管件模塊分為主管路管件和輔管路管件。主管路是用于完成各實驗項目參數測量的管件。該模塊內各管子的尺寸如表1所示，其材質均為有機玻璃。

表1 主管路模塊管子尺寸表

輔管路管件是用于完成實驗裝置搭建時管件長度的補充的管件。動力循環模塊主要包括DP-50直流泵，并配備12 V直流電源為泵提供電力。閥門控制模塊在整個實驗管路流程中起到管路切換作用和流量調節作用，主要為DN15的球閥、閘閥、截止閥等。

2.3 參數測量模塊的設計

參數測量模塊包括壓力測量模塊、溫度測量模塊、壓差測量模塊、流量測量模塊。壓力測量選用體積較小的wy-60溫度壓力一體表。為使流動過程實驗現象更便于觀察，將實驗結果更加直觀的展現在實驗人員的面前，選用了倒U型壓差計。流量測量選用具有精度高、重復性好、無零點漂移、大量程比等優點的K24數字顯示渦輪流量計等。

2.4 快接組件模塊的設計

為實現不同測試實驗臺的快速搭建與拆裝，自主設計了一種新型直插式快接組件，其結構如圖3所示。這種快接結構具有密封性好、穩定性高、使用方便等特點。其零件中除Y型密封圈2、O型密封圈4和卡簧6外，其余零件都可以通過三維圖型文件建模，并將建好的模型導入3D打印機直接快速成型，提高了實驗系統的兼容性。

圖3 快接組件三維模型

3 實驗裝置的應用實例

按上述設計思路，制作、購買相關實驗裝置組件，并組裝完成。設計完成的多功能模塊化流動原理實驗裝置，集成40多個管路元件，可根據不同實驗目的，完成相關的流動系統參數測試實驗。推薦進行如下6個實驗項目：（1）沿程阻力實驗；（2）局部阻力實驗；（3）管路串并聯實驗；（4）雷諾現象模擬及測試實驗；（5）泵性能特性測試實驗；（6）流量計標定實驗。

下面以沿程阻力實驗為例，對該實驗裝置的使用進行介紹。先將實驗裝置按照沿程阻力測試實驗流程圖進行組裝，組裝完成后的沿程阻力損失實驗裝置，如圖4所示。利用實驗臺模塊搭建起實驗支撐結構，實驗箱可起到水箱的作用，向其中充入適量高度的水，將直流泵的電源接線與直流電源的正負極相連，水在水泵提供的動力下在實驗管路中實現循環，管路中包含各種閥門和測量儀表，可以實現對流量的控制以及具體數據的測量，將實驗數據記錄在表2中[4]，方便后期的數據處理和分析。實驗完成后將所有部件合理收納在實驗箱中。

圖4 沿程阻力測試實驗系統

表2 沿程阻力實驗測試數據

4 結束語

該實驗裝置的創新之處在于，將多個流動原理實驗臺集成在一起，設計了一種多功能模塊化流動原理測試實驗裝置，利用該套實驗裝置，可根據實驗需求任意組裝流體力學實驗，操作性強，測量精度高，實驗現象明顯；裝置的設備、儀表、管路通過快接接頭連接，可以實現實驗平臺快速安裝和拆卸；實驗結束后各模塊拆分收納于實驗系統箱體內，實現裝置的功能集成化和結構小型化，達到了節約空間、方便實驗、降低成本、方便攜帶的目的；可以實現學生自主設計實驗項目、自己動手搭建實驗裝置、自己開展實驗測試的目的。