多功能模块化流动原理实验装置的创新设计

王永玺，李 越，薛永强，冯丽丽，张 颖

（东北石油大学机械科学与工程学院，黑龙江 大庆163318）

1 多功能模块化实验装置设计理念

流动原理是许多工科专业重要的专业基础课程，其原理抽象且复杂，要了解各种复杂的流体现象并掌握其运动规律，需要通过实验教学环节来实现。传统实验教学环节通常是以老师为中心的模式，在较为复杂的实验装置上进行演示性的实验教学。显然，这种模式在培养学生的创新能力、动手能力及解决实际问题能力方面存在不足[1]。

与流体流动原理相关的大部分实验，如沿程阻力实验、局部阻力实验、管路串并联实验和雷诺现象模拟及测试实验等，这些实验所用装置在工艺单元设备使用上具有一定的相似性，如均包括储存装置、管路、离心泵等。针对这一特点，通过对多个流动原理实验装置的分析，将各项实验装置用的设备、仪表、管路和管路元件等按一定需求组合到一起，设计一种多功能模块化流动原理实验装置。这种多功能模块化的自由组装的实验装置，可以使学生得到很好的工程训练，突出了对学生动手实践能力的培养。该实验装置组装搭建好之后不但可以进行流动过程的基本实验项目，同时学生还可以自主构思，进行创新型、设计型实验。在此过程中可激发学生的创新意识，提高创新能力。

2 实验装置的模块化设计

依据功能划分的模块化设计方法[2]，多功能模块化流动原理实验装置可分为四个功能模块，即实验台模块、实验管路模块、参数测量模块和快接组件模块。各功能模块还可分出若干子模块，具体设计思路及组成模块如图1所示。

图1 实验装置的组成模块

2.1 实验台模块的设计

实验台模块包括水箱模块、高位水槽模块和管路支撑模块。水箱模块采用600 mm×360 mm×500 mm，壁厚为1.5 mm的铝合金制成，既作为实验介质的盛装容器又作为装置所有设备和零件的收纳箱体。高位水槽模块为316 mm×212 mm×500 mm，厚度为4 mm，由有机玻璃制成，可实现实验管路中流体压力的恒定[3]，同时该水槽也起到储物的作用。管路支撑模块通过不同尺寸的工业铝型材组装而成，可为不同流动原理实验提供支撑作用和各项实验装置组装之后的管路管件支撑固定作用，实验台模块结构如图2所示。

图2 实验台模块结构

2.2 实验管路模块的设计

实验管路模块包括管件模块、动力循环模块、阀门控制模块。管件模块是搭建实验系统的主要模块，管件模块分为主管路管件和辅管路管件。主管路是用于完成各实验项目参数测量的管件。该模块内各管子的尺寸如表1所示，其材质均为有机玻璃。

表1 主管路模块管子尺寸表

辅管路管件是用于完成实验装置搭建时管件长度的补充的管件。动力循环模块主要包括DP-50直流泵，并配备12 V直流电源为泵提供电力。阀门控制模块在整个实验管路流程中起到管路切换作用和流量调节作用，主要为DN15的球阀、闸阀、截止阀等。

2.3 参数测量模块的设计

参数测量模块包括压力测量模块、温度测量模块、压差测量模块、流量测量模块。压力测量选用体积较小的wy-60温度压力一体表。为使流动过程实验现象更便于观察，将实验结果更加直观的展现在实验人员的面前，选用了倒U型压差计。流量测量选用具有精度高、重复性好、无零点漂移、大量程比等优点的K24数字显示涡轮流量计等。

2.4 快接组件模块的设计

为实现不同测试实验台的快速搭建与拆装，自主设计了一种新型直插式快接组件，其结构如图3所示。这种快接结构具有密封性好、稳定性高、使用方便等特点。其零件中除Y型密封圈2、O型密封圈4和卡簧6外，其余零件都可以通过三维图型文件建模，并将建好的模型导入3D打印机直接快速成型，提高了实验系统的兼容性。

图3 快接组件三维模型

3 实验装置的应用实例

按上述设计思路，制作、购买相关实验装置组件，并组装完成。设计完成的多功能模块化流动原理实验装置，集成40多个管路元件，可根据不同实验目的，完成相关的流动系统参数测试实验。推荐进行如下6个实验项目：（1）沿程阻力实验；（2）局部阻力实验；（3）管路串并联实验；（4）雷诺现象模拟及测试实验；（5）泵性能特性测试实验；（6）流量计标定实验。

下面以沿程阻力实验为例，对该实验装置的使用进行介绍。先将实验装置按照沿程阻力测试实验流程图进行组装，组装完成后的沿程阻力损失实验装置，如图4所示。利用实验台模块搭建起实验支撑结构，实验箱可起到水箱的作用，向其中充入适量高度的水，将直流泵的电源接线与直流电源的正负极相连，水在水泵提供的动力下在实验管路中实现循环，管路中包含各种阀门和测量仪表，可以实现对流量的控制以及具体数据的测量，将实验数据记录在表2中[4]，方便后期的数据处理和分析。实验完成后将所有部件合理收纳在实验箱中。

图4 沿程阻力测试实验系统

表2 沿程阻力实验测试数据

4 结束语

该实验装置的创新之处在于，将多个流动原理实验台集成在一起，设计了一种多功能模块化流动原理测试实验装置，利用该套实验装置，可根据实验需求任意组装流体力学实验，操作性强，测量精度高，实验现象明显；装置的设备、仪表、管路通过快接接头连接，可以实现实验平台快速安装和拆卸；实验结束后各模块拆分收纳于实验系统箱体内，实现装置的功能集成化和结构小型化，达到了节约空间、方便实验、降低成本、方便携带的目的；可以实现学生自主设计实验项目、自己动手搭建实验装置、自己开展实验测试的目的。