新型靜水壓強實驗設備研制及教學改革實踐

胡 靜, 楊成建, 崔海航, 陳 力

(西安建筑科技大學 環(huán)境與市政工程學院, 國家級環(huán)境類專業(yè)實驗教學示范中心, 陜西 西安 710055)

流體力學課程相對抽象復雜[1],因此實驗教學就成為該門課程學習的重要輔助手段,對加深學生理解復雜理論知識、提升實踐能力都起著至關(guān)重要的作用[2],甚至影響學生就業(yè)后對專業(yè)知識的靈活運用[3]。我校現(xiàn)有的靜水壓強實驗設備使用太久,老化嚴重,問題較多,難以保證實驗教學的質(zhì)量,更難以滿足當前實驗教學改革和發(fā)展的要求。調(diào)研表明,我國大部分高校實驗室的靜水壓強實驗設備,在教學實施中也存在與我校類似的問題[4]。近年來,國內(nèi)各相關(guān)院校也在不斷進行該類實驗設備的研制和創(chuàng)新[5],旨在通過研制新的實驗設備來促進現(xiàn)有實驗教學的改革,使實驗教學成為理論教學的有機組成部分[6]。實驗儀器設備作為教學、科研活動的硬件,對實驗教學的影響至關(guān)重要[7]，又是衡量高校綜合實力的一項重要指標[8]。市面上銷售的同類設備無法全方位改善這一現(xiàn)狀,因此本文研制了一套新型靜水壓強實驗設備,既滿足實驗教學的基本要求,又增設新的實驗方法與實驗內(nèi)容,有力地促進了實驗教學改革。

1 研制目標

(1) 自主研制新型實驗設備應解決現(xiàn)有實驗設備的問題和弊端,能滿足實驗教學基本要求。新型實驗設備的裝置結(jié)構(gòu)設計為緊湊的雙面對稱可移動式,方便實驗室空間的統(tǒng)籌管理,節(jié)約實驗室空間,并且單臺設備也可支撐雙倍的實驗人數(shù),設備利用率有效提升；裝置材質(zhì)上,選用有機玻璃,硅膠等塑料制品,從源頭上避免了老化生銹、水體變色、靜水水質(zhì)污染現(xiàn)象,提高設備使用壽命,保證實驗教學的順利開展,能解決舊式傳統(tǒng)靜水壓強實驗設備的弊端,操作方便,穩(wěn)定準確。

(2) 增設新的實驗方法和新的實驗教學內(nèi)容,促進實驗教學的改革與創(chuàng)新。實現(xiàn)實驗功能多樣化,一臺設備不僅可以完成大綱要求的基本實驗內(nèi)容,能拓展新的實驗測試方法,延伸新的實驗內(nèi)容,還能設置新的開放式實驗項目供學生選修,最大化的發(fā)揮實驗設備的潛能。

2 基本原理

2.1 流體靜力學基本方程

在重力作用下,靜力學基本方程的表達式為[9]

(1)

靜止液體中任意點的靜壓強的計算式為

P=P0+γ(Z0-Z)=P0+γΔh

(2)

式中:Z0為靜止液體自由表面位置高度，m；γ為液體容重，N /m3；P為液體內(nèi)任一點靜水壓強，N/m2；P0為液體表面壓強，N/m2；Δh為液體內(nèi)任一點到液體表面的垂直距離，m。

任一點的靜水壓強由兩部分組成,一部分是液體表面的氣體壓強P0,另一部分是液體自重產(chǎn)生的壓應力γΔh[5]。

2.2 連通器原理

連通器中盛有多種液體(水或油)時,滿足靜止、同種、連續(xù)這3個條件的水平面是等壓面，也就是說,在底部相連的兩個容器(如最典型的U形管)里裝入液體,其液面由于大氣壓相等而處于同一水平面上 ,這就是著名的 “連通器原理”[9]。

3 設備結(jié)構(gòu)與功能

3.1 設備結(jié)構(gòu)

本文研制的新型靜水壓強實驗設備結(jié)構(gòu)見圖1,包括有機玻璃結(jié)構(gòu)主體和不銹鋼活動支架兩大部分。有機玻璃結(jié)構(gòu)主體部分為雙面對稱式,前后兩面所有結(jié)構(gòu)均相同,均包括密閉水箱、活動水箱及其滑動軌道、兩支單管壓力計、兩支U形管壓力計、各個硅膠連接管件、刻度尺。不銹鋼活動支架是設備結(jié)構(gòu)的下半部分,支架上端承載雙面有機玻璃主體結(jié)構(gòu),臺面下由矩形不銹鋼四角支撐,四角分別設置了可調(diào)節(jié)萬向輪,方便儀器的移動和統(tǒng)籌歸置。

圖1 設備結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 設備功能

3.2.1 可實現(xiàn)密閉水箱上方氣體空間不同的實驗工況

打開密閉水箱上端的通氣閥，觀看各測壓連通管內(nèi)液面是否齊平,如不齊則平，檢查各管內(nèi)是否阻塞,并加以疏通；關(guān)緊密閉水箱上端的通氣閥,抬高活動水箱至一定的高度,可以實現(xiàn)密閉水箱液體表面壓力P0>Pa(大氣壓力)的工況；再次打開密閉水箱上端的通氣閥,調(diào)整活動水箱至滑軌中部位置,可以實現(xiàn)密閉水箱液體表面壓力P0=Pa的工況，此時再次觀察各測壓連通管液面應齊平；關(guān)閉排氣閥,并將活動水箱下降至一定距離,可以實現(xiàn)密閉水箱液體表面壓力P0

3.2.2 用U形管壓力計測定靜水中任一點K的壓力或真空值

在正壓或負壓的工況下,通過選取任一U形管壓力計觀測記錄,得出密閉水箱上部空間的正壓(負壓)值,根據(jù)公式(2)即可計算出靜水中任一點K壓力值或真空值:

PK=P0+γhK

(3)

其中,PK為靜水中任一點K的壓力值；hK為靜水中任一點K距離液面的高度值。

3.2.3 用U形管壓力計驗證流體靜力學基本方程

3.2.4 用單管壓力計驗證流體靜力學基本方程

在不同實驗工況下,液面穩(wěn)定時可直觀地觀察1號單管壓力計和2號單管壓力計讀數(shù)及其在實驗過程中的變化情況(即在任何實驗工況下,都可直觀看到兩支單管壓力計讀數(shù)保持相等,測壓管水頭值保持不變),由于選點的任意性,即可證明在靜止流體中各點的測壓管水頭均相等,也即驗證了流體靜力學基本方程，這種實驗驗證方法是現(xiàn)階段市面其他實驗設備所沒有的考慮。

3.2.5 提供了測定未知液體重率或密度的方法

研制的新型實驗設備有兩支U形管壓力計,一支作對比管,管內(nèi)注入標準對比液體水,一支做待測管,管內(nèi)注入待測未知液體(酒精、煤油或其他未知液體)。U形管壓力計的右側(cè)均與密閉水箱的液面上方空間相連接,給定一個實驗工況,例如正壓的情況下,兩支U形管壓力計的左右兩側(cè)產(chǎn)生了壓力差,由于液面上方空間的壓力固定不變,基于此等壓關(guān)系,兩支U形管壓力計的壓力可形成如下關(guān)系式:

γ水(h左1-h右1)=γ未知(h左2-h右2)

(4)

ρ水g(h左1-h右1)=ρ未知g(h左2-h右2)

(5)

式中,γ水和ρ水分別為水的重率和密度；h左1和h右1分別為1號標準液體U形管壓力計左右兩側(cè)的高度,γ未知和ρ未知分別為未知液體的重率和密度；h左2和h右2分別為2號待測液體U形管壓力計左右兩側(cè)的高度。

水的各項參數(shù)已知,測壓管的高度h也可通過刻度尺測量到,這樣就可以測得未知液體的重率γ未知或密度ρ未知,并由此鑒別未知液體的種類。

4 教學改革實踐

(1) 實驗方法上進行了改革創(chuàng)新。現(xiàn)有傳統(tǒng)的靜水壓強實驗設備,只能用一種測量方法完成靜水壓強實驗，本文研制的新型靜水壓強實驗設備,設計了U形管壓力計和單管壓力計兩種的測壓方式,既可以用U形管測定出任一點的壓力值和真空值,驗證靜力學基本方程,也可以通過單管壓力計來驗證靜力學基本方程。可以讓學生在實驗中選用兩種不同的實驗方法驗證流體靜力學基本方程,通過兩種測壓方法的實踐應用,讓學生學會對比和思考,發(fā)現(xiàn)不同實驗方法的特點以及優(yōu)缺點。這一實驗方法的改革和創(chuàng)新,在教學應用實踐中,使得學生實驗興趣濃厚,參與感強,動手實踐能力增強,提升了實驗教學效果。

(2) 實驗教學內(nèi)容進行了改革創(chuàng)新。本文研制的新型靜水壓強實驗設備具備多個實驗功能,豐富了原有的實驗教學內(nèi)容。重新編寫了實驗指導書,完善了大綱要求必做實驗項目靜水壓強實驗的內(nèi)容,把設備新增加的實驗方法和功能納入其中。本設備除了可以完成大綱要求的必做實驗項目外,也拓展了新的實驗內(nèi)容，即測定未知液體的重率或密度的測量、兩種測壓管的使用及實驗對比。新的實驗內(nèi)容既可以作為學生實驗課的創(chuàng)新拓展內(nèi)容,也可以作為選修的開放式實驗項目。

(3) 實驗教學方式進行了改革創(chuàng)新。本文自主研制的新型實驗設備具有更加豐富全面的功能和結(jié)構(gòu)基礎(chǔ),有利的促進了教學方式的轉(zhuǎn)變。

對于教學大綱內(nèi)的靜水壓強實驗,根據(jù)新編的實驗指導書,引導學生自主設計實驗,自主選擇實驗方法, 讓學生有獨立思考的空間,有利于學生創(chuàng)新思維能力和實踐動手能力的培養(yǎng)。

開放式實驗教學是當前高校深化實驗教學改革、提高實驗教學質(zhì)量的一項創(chuàng)新性工作[10]。在本文研制的新型設備基礎(chǔ)上,開展了開放式實驗項目,充分發(fā)揮學生的主觀能動性,培養(yǎng)學生獨立思考和敢于創(chuàng)新的精神,提升學生綜合素質(zhì)。有效彌補了傳統(tǒng)實驗教學的不足,有利于因材施教,調(diào)動學生的主動性 、積極性。

5 結(jié)語

本文自主研制的新型靜水壓強設備,克服了原有設備的弊端,優(yōu)點眾多,可使用不同的實驗方法,開展不同的實驗內(nèi)容,在保證大綱內(nèi)實驗教學質(zhì)量明顯提升的同時,開展創(chuàng)新型開放式實驗,全方位改革實驗教學,徹底改變多年來靜水壓力實驗教學改革止步不前的現(xiàn)狀。并為進一步促進高校實驗室發(fā)展建設,提高流體力學實驗教學質(zhì)量,培養(yǎng)學生實踐能力和創(chuàng)新素質(zhì),做出了巨大貢獻,意義深遠。