雷诺实验的计算机仿真模拟

杨荣榛　董文生　刘春玲　陈继生

(陕西师范大学化学化工学院　陕西西安 710119)

雷诺实验的计算机仿真模拟

杨荣榛*通讯联系人，E-mail:yangrzh@snnu.edu.cn董文生刘春玲陈继生

(陕西师范大学化学化工学院陕西西安 710119)

摘要雷诺实验是学生学习流体理论、判定流型必不可少的实验。为了促进实验教学，用LabVIEW等制作雷诺实验仿真模拟软件，改善教学条件，提高实验效果和学生动手及计算机应用能力。通过对开发软件的应用，强化了学生的实验技能训练，很好地辅助了教学，并收到良好的教学效果。

关键词雷诺实验仿真模拟教学软件开发

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

雷诺实验是化工原理课程的经典实验之一，旨在通过雷诺管中示踪剂色线的变化，显示流体在不同流速下色线呈现的直线、波浪线和紊乱等现象，以及对应的层流、湍流等状态；帮助学生建立流体流动概念，判定流型[1]。在讲授流体的流动规律时，若能在课堂教学中直接演示实验或在实验前通过仿真实验软件预习实验，对学生学好相关理论，掌握实验的参数调节、操作技巧以及提高计算机应用能力有很重要的意义。本文结合实验教学情况，采用LabVIEW、Photoshop和CorelDRAW等软件，开发了雷诺实验仿真软件，既可用于化工原理课堂演示，又可在实验前预习，对学生掌握理论知识，提高教学效果很有必要。

1软件功能设计思路

常见的化工仿真实验软件大多是以Visual Basic、Visual C++、Matlab等开发，需要编写大量的程序源代码，要求开发者既要理解化工原理及相关装置结构，又要掌握软件开发工具。美国国家仪器(NI)公司开发的专用虚拟仪器开发平台软件LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言，有专用函数库，具有虚拟仪表量大、数据处理功能强大等特点；且采用图形化语言编程，不需编写大量程序代码就可开发出功能强大的虚拟实验装置；辅以Photoshop和CorelDRAW等软件开发用户界面，能制作出更加逼真的仿真实验软件[2]。

现在使用的雷诺实验装置由高位槽、示踪剂瓶、雷诺管、流量计、阀门、水泵和低位水槽等组成，如图1所示。实验时，水泵将水从低位槽输送到高位槽，为维持高位槽液面恒定，当水超过设定位置后，一部分水从高位槽溢出口溢出，回流至低位槽，另一部分水则经雷诺管、流量计和流量控制阀后回流到低位槽；示踪剂经细管从雷诺管入口注入，雷诺管内水流量的大小通过控制阀调节。改变不同流量，可以观察到色线在雷诺管中的变化，从而了解不同流况，掌握流体流动规律。然而传统雷诺实验装置有测量数据不稳定、重复性差、现象与计算所得雷诺数不太相符等缺陷。我们认真分析了产生问题的原因，并对实验进行了改进，用LabVIEW开发出雷诺仿真模拟实验软件，以方便学生进一步学习，并提升他们的计算机应用能力，进而达到提高实验教学效果的目的。

为了让学生学好流体知识，做好该实验，对要开发的仿真模拟软件的功能设计思路是：① 利用计算机强大的多媒体功能，开发与现使用的实验装置尽可能一致的用户界面；② 利用事件驱动的编程技术，使仿真软件的使用方法与实际实验装置的调节方法相一致；③ 利用机理模型，用计算机模拟能准确反映实际实验效果；④ 利用逼真的界面解决实验操作难的问题，减少误操作，方便学习并掌握理论。所设计的仿真软件人机交互界面形式上与原装置基本一致，如图2所示。将原来的转子流量计改为涡轮流量计，以方便直观显示流量；在面板上设置显示实时温度、管径和雷诺数的窗口，以便于读取；另外还增加了日光灯，使雷诺管中的现象更明显。操作时，先打开进水阀和日光灯，再打开微型泵开关和上水阀手柄，水泵将水从低位槽输送到高位槽，为维持高位槽液面，当水超过设定位置后，一部分溢出回流至低位槽，再开雷诺管后的控制阀，另一部分水经雷诺管、流量计和流量控制阀回流到低位槽。示踪剂经雷诺管入口注入，调节控制阀，面板上会实时显示温度、管径和雷诺数；通过雷诺管观察到色线的变化，就可了解不同流况，掌握流体的流动规律。

图1　雷诺实验装置示意图

图2　雷诺实验仿真软件的人机交互界面

2雷诺实验仿真软件的设计制作

作为开发平台的LabVIEW软件，与其他计算机语言的区别是不用文本语言产生代码，而用图形化语言编写程序，类似于流程图，产生的程序为框图形式[3]。框图程序用LabVIEW图形编程语言编写，可把它理解为传统程序下的源代码。框图程序由端口、节点、图框和连线构成。其中端口连通程序面板的控制和显示传递数据，节点用于函数和功能调用，图框用来实现结构化程序控制命令；连线则代表程序执行过程中的数据流，定义框图内的数据流动方向。LabVIEW的函数库包含数据采集、GPIB、串口控制、数据分析、数据显示及数据存储等，也有传统的程序调试工具，如设置断点、以动画方式显示数据及其子程序(子Ⅵ，即虚拟仪器)的结果、单步执行等。采用数据流编程方式，程序框图中节点间的数据流向决定子Ⅵ及函数的执行顺序等，可方便创建用户界面，用图标和连线控制面板上的对象，便于程序调试。

对虚拟仪器的互连及与计算机的连接，LabVIEW满足 GPIB、VXI、RS-232和 RS-485 协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能，还内置了便于应用TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数，可方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化界面使得编程及使用过程简单化[4-5]。编程时，基本不用写程序代码，取而代之的是流程图或框图，使仪器编程和数据采集系统的操作更加便捷。

在实验软件设计中，所有图形用Photoshop和CorelDRAW等绘制，形状轮廓清晰，色彩明暗对比适中，与原物颜色接近。用CorelDRAW绘制结构清晰的水箱，方便物体的创建和确定位置，降低了操控难度；对于阀门、管道、管道接头、水泵、日光灯和涡轮流量计等，是用Photoshop处理实物照片后得到。另外，对日光灯、水箱内水的反光和金属管件表面的效果等进行精心设计，增强这些部位的效果。绘制好实验所需的装置零部件后，在LabVIEW程序设计中组装，就像现实中将零件组装成整台仪器那样。组装时要注意各零部件的叠放次序和连接关系，保证组装好的仿真模拟界面不会失真，设计的雷诺仿真模拟实验程序运行界面如图3所示。

图3　雷诺仿真模拟实验软件程序图

如果仅有形象逼真的图形界面是不够的，还要求各个零部件必须像真实装置那样，能够运行并产生相应的动态逼真的效果。仿真模拟实验零部件包括有变化现象的控件、可操作控件和静态控件3种。静态控件是实验中既不需要操作又不会产生任何变化的零部件，如水泵和管道等，编程时不赋予任何命令，只要将图形位置摆放正确即可；可操作控件如截止阀、闸阀、示踪剂开关和泵的开关等，对应的仪器可以操控。开关和截止阀设有打开和关闭两个状态；闸阀调节阀门开度控制流量，为旋转式，范围在0～400L·h-1之间。有变化现象可控件的值在编程中，作为有变化现象的控件产生相应现象变化的必要条件，涉及水的控制，如高位槽、低位槽和雷诺管等较为复杂且有现象变化，涉及多个条件和循环结构的嵌套。水颜色用9个液罐控制，均通过液罐控件设计来控制液面，液罐控件间还建立了单个或多个和可操作控件通过数值比较以“且”、“或”和“非”的关系，共同构成液罐控件发生相应变化的条件。

该实验的核心是观察流体流型，仿真模拟软件必然要考虑层流和湍流等现象。雷诺管涉及不同条件下4个液罐显示，分别为无示踪剂显示、层流态显示、过渡态显示和湍流态显示，显示方式由选项卡控件控制。选择显卡控件的控制由软件计算得出的雷诺数与临界雷诺数、雷诺管是否充满水和示踪剂开关是否打开等因素共同决定。

雷诺数大小由水的密度、黏度、模拟管径和流量控制阀的开度决定，其中水密度和黏度采用在规定范围内随机赋值的方法显示模拟温度，温度范围在5～36℃。运行时直接调用相应温度下水的密度和黏度计算出相应的雷诺数通过数显控件显示；涡轮流量计量程设定在0～400L·h-1之间。雷诺数与流型根据计算结果和临界雷诺数相比较决定，模拟软件中的仿真现象基于常见的实验现象，层流时示踪剂流线位于雷诺管中央，为一清晰的直线，完全湍流时示踪剂质点会扩散到整个雷诺管，因流速快，在雷诺管上部能看见细小的短线迅速扩散，在下部无法看清，绘图时候用充满整个雷诺管的小点表示。过渡态示踪剂流线的变化情况比较复杂，总体上是一个波动幅度逐渐增大直至进一步扩散的过程，绘图时直接用波浪线表示。所绘图形为gif动态图片。运行时可观察到3种现象，即雷诺数小于2000时显示完全层流态流动，大于4000时显示完全湍流，在2000～4000时显示过渡态流动。

3模拟软件辅助教学

实验前学生虽然已经过课堂学习，了解了流体流动状态与雷诺数的关系，再经过预习，也了解雷诺实验的目的、装置结构、操作步骤、数据处理方法及可能遇到的问题等；然而，看着与过去做过的基础化学实验差异甚大的化工实验装置，要操作的阀门、开关，要观察、记录的实验现象，以及要测量的介质温度和流量等，还是可能不知从何做起。如果学生面对实验装置，仅仅是按部就班完成操作，获得实验数据，而并不了解其本质，则难以达到好的效果。

雷诺仿真模拟实验软件为实验教学开辟了一个全新的平台，提供了可行的模拟动手操作途径。学生通过预习，结合仿真模拟软件界面，进行模拟操作，就能够了解实验目的和装置，熟悉雷诺实验及实验装置的操作步骤，掌握流体流动状态与雷诺数的关系等知识，这样在实验时对实验装置就不会出现误操作和不敢操作的现象。同时，学生会带着问题去做、去思考，真正达到掌握流体流动理论的目的。通过使用模拟实验软件后，学生能在具体实验中顺利地完成操作，既缩短了实验时间，又提高了效率，还能将实验获得的数据与仿真实验结果分析对比，查找偏离的原因，这样对理论的理解就能更加深刻。经过对两届学生的使用，根据对学生实验报告的分析，使用仿真模拟实验软件后，学生的实验积极性提高了，实验报告的质量明显有了提升，收到了良好的效果。

4结论

实验是培养学生动手操作能力和创造能力的重要途径。用仿真模拟实验软件辅助实验教学，有助于强化学生的实验技能，为更好地掌握流体流动知识提供帮助；既改善实验教学条件，又提高实验教学效果，并为教学提供更多的思路，更便于引导学生发现问题、思考问题、解决问题。

参考文献

[1]董文生,杨荣榛.化学工程基础实验.西安:陕西师范大学出版社,2012

[2]陈树学,刘萱.LabVIEW宝典.北京:电子工业出版社,2011

[3]乔善平,商树桓,阎虹.实验室研究与探索,2002(2):39

[4]于海明,谢秋菊,杜雪亭,等.牡丹江师范学院学报(自然科学版),2009(2):23

[5]郑鑫,张大英,赵慧.长春大学学报,2009(4):8

中图分类号O6；G64

doi:10.3866/pku.DXHX20150334