Micro-PIV在工程流体力学教学中的应用

郭平业 高恺 王蒙

摘  要：介绍了Micro-PIV工程流体力学教学过程中的应用。主要从以下3方面进行介绍，1.Micro-PIV的技术原理以及试验装置;2.Micro-PIV在裂隙渗流领域的应用情况;3.如何把Micro-PIV的试验相关案例与目前的矿业类工程流体力学教学相结合。

关键词：Micro-PIV;裂隙渗流;教学案例

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2019）12-0111-03

Abstract： The application of Micro-PIV in fracture seepage teaching is introduced. This paper mainly introduces the following three aspects： 1. the technical principle and current research progress of Micro-PIV; 2. application of Micro-PIV in fracture seepage field; 3. how to combine the Micro-PIV experimental cases with the current fracture seepage teaching.

Keywords： micro-PIV; fracture hydrology flow; teaching case

一、概述

目前的《流體力学》课本大部分都围绕着土木，水利等学科为背景，课本中的相关实验和题目也都以此为基础展开，其教学应用的部分很少涵盖采矿工程和安全工程等学科的专业领域。

为了针对学校的矿业类重点专业特色，中国矿业大学（北京）围绕矿业相关专业，开展了32个学时的《矿业类工程流体力学》这门课程，构建突出矿业工程特色的《流体力学》课程体系。重点便是结合矿业类专业在实际矿业工程中特有的学科特点与传统的流体力学课程相结合[1]。在流体力学基本理论的基础上，将流体力学在矿业工程领域常用的案例添加到相应章节，重新构建流体力学课程体系规划框架。这是流体力学教学改革的基础和重要环节[2，3]。而流体力学在矿业工程领域常用的案例的其中之一便是观测流体在裂隙-孔隙型多孔介质地质体中微观条件下的渗流现象。

微观条件下的渗流现象在实际生活中非常普遍， 同时在工程中起着非常重要的作用。但是目前对于微观条件下的渗流现象的研究还停留在很浅的一个阶段。这是因为在具体的研究过程中遇到了许多的困难，其中一个很棘手的问题便是如何直观的观测到微观条件下的渗流现象。这也就在研究中需要采用更先进的技术和设备。

显微粒子图像测速技术（Micro-scale particle image velocimetry， Micro-PIV）是上世纪90年代发展起来的一种针对微观流动测量与显示的技术，其有效测量的尺度范围为0.1～100μm，且可以达到非常高的分辨率，这也就使其成为了目前研究微观渗流现象的一种很受欢迎的选择并获得了广泛的关注。[4，5]。

二、Micro-PIV的技术原理和试验装置

Micro-PIV粒子图像测速原理如下：在流体中加入示踪粒子，用激光对示踪粒子进行照明和追踪。再用CCD相机拍下示踪粒子的照片，根据照片以及照片拍摄之间的时间间隔，由计算机生成相关的速度场图像。

Micro-PIV 测速技术的系统组成如图1所示，其中主要部件有脉冲激光器、CCD 相机、同步控制器、倒置显微镜和微流动器件。Micro-PIV 系统实物图如图2，3，4 所示。

三、Micro-PIV在裂隙渗流领域的应用

在裂隙渗流领域中，裂隙的高速非达西渗流情况一直是目前的裂隙渗流领域研究中的重点和难点问题。其中的一个关键点便是如何实现裂隙高速非达西渗流的可视化。而Micro-PIV技术有着准确度高，放大倍数高等优点为此提供了一个解决方案。

图5即为通过Micro-PIV系统观测到的某裂隙在不同流速下孔腔内的流动情况，其中可以看到随着流速的增加，腔内有很明显的涡流出现，并且涡流的面积很大。图6为多支道交叉情况下裂隙的速度场图像，其中上下两条裂隙通道被人为关闭，中间的裂隙通道开放，在其中可以很直观的看到，上下两裂隙通道与主通道的交界处有回流以及涡流现象，与图5相比图6部分区域放大后可以看到更加明显的涡流以及回流的情况。

四、Micro-PIV实验案例与矿业类工程流体力学教学的结合

在目前的流体力学教学中，多以理论教学为主，实验教学为辅。而如何让学生成功把理论融会贯通，则需要相对应实验教学的保证[6]。而受限于目前的技术等原因，实验中得出的结果并不能直观地反映出裂隙渗流的流态与流速场的情况。Micro-PIV技术则能很好地解决这一问题。

将Micro-PIV对裂隙达西-非达西流的渗流情况试验作为一个典型的教学案例加入到目前流体力学的教学中可以有效地改善目前矿业类工程流体力学教学中所暴露出来的问题，即如何更加直观地通过实验让学生们理解理论知识。通过让学生们了解Micro-PIV的原理和试验设备，学习Micro-PIV系统设备的操作，进行裂隙渗流的试验，观察所得出的实验图像，分析实验结果，与所学理论知识进行比较;这一循序渐进的步骤，可以让学生们更加直观深刻地理解裂隙渗流的具体演变情况。分析流动现象，结合流态判断与流体力学课程中的雷诺数，立方定律、高速非达西渗流等知识点与现象都结合在课程的实验中让学生在其中达到融会贯通的效果。

五、结束语

Micro-PIV对裂隙达西-非达西流的微尺度渗流情况试验这一案例也仅仅是众多裂隙渗流试验中的一个。将Micro-PIV运用到更多的试验中，充分发挥其优势来丰富目前的教学也是未来教学的重点。而将Micro-PIV的实验案例引入教学也是对传统教育方法的一次尝试性的改革，为传统教学注入新的生机和活力。针对于传统教育重理论，但教学内容僵化的特点，取其精华去其糟粕。让传统教学模式与更多的新技术，新科技接轨，让学生能接受到更加直观清晰，立体而多元化的教学。这才是流体力学学科教学改革的根本宗旨，同时也是响应国家深化教育改革的号召[7，8]。通过实际的教学实践表明，该方法能较大程度提高教学效果，提高学生的主观能动性，同时也为探索相似的课程教学改革提供了新的方向与经验。

参考文献：

[1]林龙沅.安全工程专业流体力学课程教学实践探析[J].中国科教创新导刊，2011（26）.

[2]冯军发，李海军，金志远，等.突显矿业工程特色的流体力学课程案例式教学改革与实践[J].高教学刊，2018，85（13）：142-144.

[3]甄洪.矿业工程类专业《流体力学》教学初探[J].六盘水师范学院学报，2012，24（3）：58-60.

[4]王昊利，王元.Micro-PIV技术——粒子图像测速技术的新进展[J].力学进展，2005，35（1）.

[5]申峰，刘赵淼.显微粒子图像测速技术——微流场可视化测速技术及应用综述[J].机械工程学报，2012，48（4）：155-168.

[6]李玲，陈永灿，孟令野.突扩圆管局部水头损失实验教学的改进[J].实验技术与管理，2015，32（2）.

[7]朱克勤，任仲泉.关于美国几所著名高校的流体力学新生研讨课[J].力学与实践，2016，27（01）：78-80.

[8]贾永霞.创新性实验教学的探究与实践[J].实验室研究与探索， 2018（12）：206-208.