開放式網上流體力學虛擬實驗室軟件簡介
適用專業(yè)：機械工程、力學、材料與土木等專業(yè)。
流體力學課程是機械、材料、土木等專業(yè)的一門主干專業(yè)基礎課，其理論性和實踐性都很強，它的實驗教學是流體力學課程教學中的一個重要實踐環(huán)節(jié)。目前，現實中的流體力學實驗存在以下局限性：
1．硬件依存性較強，只能在特定實驗室進行；
2．實驗設備外形較大，實驗室難以擺放足夠數量的設備，無法滿足學生獨立進行實驗的需求；
3．實驗器材損耗大，如動量方程實驗擋板被沖擊壞后無法再使用，浪費現象嚴重；
隨著招生規(guī)模的逐年擴大，教學改革的不斷深入，流體力學實驗的教學任務越來越重。同時，流體力學實驗器材較大，實驗室場地有限，都嚴重制約了流體力學實驗的質量和效果。
該軟件是針對大學?？?、本科《流體力學》實驗課程配套開發(fā)的可在網上開展的虛擬實驗，該軟件在使用過程中有如下優(yōu)勢：
1.系統(tǒng)模擬實驗中用到的器材和設備，提供與真實實驗相似的實驗環(huán)境，提供網上實驗教學過程管理功能，包括：典型實驗庫的維護、實驗安排、提交實驗報告、實驗批改、成績統(tǒng)計、實驗答疑等功能模塊?？蓾M足高等學校和各培訓機構實驗教學環(huán)節(jié)的需要，尤其適用于遠程教學；
2.使用3D MAX、Maya等專業(yè)軟件進行三維建模、動畫制作、場景渲染等，模擬真實的實驗環(huán)境；
3.液體流速精準調解，可集成ANSYS、fluent、MATLAB等后處理算法軟件，對水流本身進行分時段流速云圖展示、變化曲線展示等，仿真結果準確，效果逼真。
使用現有器材模型，系統(tǒng)可開展如下11個常用流體力學虛擬實驗的訓練：
• 動量定理實驗
• 雷諾實驗
• 高低溫混合實驗
• 伯努利定理驗證實驗
• 文丘里實驗
• 卡門渦街實驗
• 畢托管標定實驗
• 直管沿程阻力系數測定實驗
• 直管局部損失阻力系數測定實驗
• 繞流物體模型阻力系數測定虛擬實驗
• 風洞實驗
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圖一 流體力學實驗室界面
（1）動量定理實驗
本虛擬實驗模擬了動量定理實驗的完整實驗流程，軟件提供實驗相關介紹、實驗習題訓練、設備認知、數據表格自動填寫等功能，幫助學生預習和復習鞏固動量定理實驗的相關知識，加深實驗理解。
① 查看實驗簡介；
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② 填寫實驗習題；
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③ 點擊調節(jié)閥門，觀察實驗現象，記錄實驗數據
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（2）雷諾實驗
本虛擬實驗模擬了雷諾實驗的完整實驗流程，軟件提供實驗相關介紹、實驗習題訓練、設備認知、數據表格自動填寫等功能，幫助學生預習和復習鞏固雷諾實驗的相關知識，加深實驗理解。
① 打開注水開關，調節(jié)閥門開度，打開紅墨水開關，觀察水流流動狀態(tài)，層流狀態(tài)、顫動狀態(tài)和紊流狀態(tài)
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② 記錄實驗數據
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（3）高低溫流體混合實驗
本虛擬實驗模擬了雷諾實驗的完整實驗流程，軟件提供實驗相關介紹、實驗習題訓練、設備認知、數據表格自動填寫等功能，幫助學生預習和復習鞏固高低溫流體混和實驗的相關知識，顯示跡線圖、壓力云圖和混合視頻，加深實驗理解。
① 打開注水開關，打開冷熱水調節(jié)閥門，觀察流體混合實驗現象
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② 點擊計算按鈕，觀察實驗結果云圖展示
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（4）伯努利定理驗證實驗
本虛擬實驗模擬了伯努利定理驗證實驗的完整實驗流程，軟件提供實驗相關介紹、實驗習題訓練、設備認知、數據表格自動填寫等功能，幫助學生預習和復習鞏固伯努利定理驗證實驗的相關知識，加深實驗理解。
① 打開注水開關，調節(jié)流量開度，觀察實驗現象，記錄數據表格
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（5）文丘里實驗
本虛擬實驗模擬了文丘里實驗的完整實驗流程，軟件提供實驗相關介紹、實驗習題訓練、設備認知、數據表格自動填寫等功能，幫助學生預習和復習鞏固文丘里實驗的相關知識，調用ANSYS軟件，顯示速度云圖、壓力云圖和壓力變化趨勢圖，加深實驗理解。
① 打開注水開關，調節(jié)流量閥門，觀察實驗現象，記錄實驗數據，得到速度云圖、壓力云圖和壓力變化趨勢圖。
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（6）卡門渦街實驗
本虛擬實驗模擬了卡門渦街實驗的完整實驗流程，軟件提供實驗相關介紹、實驗習題訓練、設備認知、數據表格自動填寫等功能，幫助學生預習和復習鞏固卡門渦街實驗的相關知識，顯示壓力云圖、速度云圖和渦量云圖，加深實驗理解。
① 打開注水開關，調節(jié)流量閥門，觀察卡門渦街實驗現象，點擊計算按鈕，得到壓力云圖、速度云圖和渦量云圖。
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（7）畢托管標定實驗
本虛擬實驗提供斜管微壓計、低速回流風洞和鐘罩式精密微壓計的儀器學習，模擬了畢托管標定實驗的完整實驗流程，軟件提供實驗相關介紹、實驗習題訓練、設備認知、數據表格自動填寫等功能，幫助學生預習和復習鞏固畢托管標定實驗的相關知識，加深實驗理解。
① 首界面進行斜管微壓計、低速回流風洞和鐘罩式精密微壓計儀器學習
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② 查看實驗簡介
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③ 填寫實驗習題
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④ 打開鐘罩式微壓計開關，調節(jié)斜管微壓計至0.4處，開啟風洞開關，調節(jié)風扇轉速，記錄實驗數據。
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（8）直管局部損失阻力系數測定實驗
本虛擬實驗模擬了直管局部阻力系數測定實驗的完整實驗流程，提功了包括突擴、縮管內徑25mm、30mm、35mm和漸擴、縮管25mm、30mm、35mm的管道選擇，同時軟件提供直管局部損失阻力系數測定實驗相關介紹、實驗習題訓練、設備認知、數據表格自動填寫等功能，幫助學生預習和復習鞏固實驗的相關知識，加深實驗理解。
① 進行管道選擇，游標卡尺測量管道直徑，直尺測量管道長度，打開注水開關，調節(jié)閥門開度，觀察實驗現象，記錄數據表格。
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（9）直管沿程阻力系數測定實驗
本虛擬實驗模擬了直管沿程阻力系數測定實驗的完整實驗流程，提功了包括有機玻璃管內徑8mm、15mm和鑄鐵管內徑15mm的管道選擇，同時軟件提供直管沿程阻力系數測定實驗相關介紹、實驗習題訓練、設備認知、數據表格自動填寫等功能，幫助學生預習和復習鞏固實驗的相關知識，加深實驗理解。
① 選擇管道，進行管道長度測量
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② 打開注水開關，調節(jié)開度，觀察實驗現象，記錄實驗數據。
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（10）繞流物體模型阻力系數測定虛擬實驗
本虛擬實驗模擬了繞流物理模型阻力系數測定虛擬實驗，提供模型的阻力系數測定、風速的標定、測力天平的標定和支撐桿阻力系數測定四種參數選擇，通過調節(jié)風速得到不同模型阻力系數曲線，通過天平標定，利用標準砝碼和標定支架率定三分力天平三方向的電壓輸出值和力、力矩的關系曲線；在實驗過程中提供多角度觀測方式、操作幫助，加深對實驗理解。
① 打開實驗儀器
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② 調節(jié)風速并記錄數據
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③ 添加砝碼并記錄數據
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（11）風洞實驗
本虛擬實驗模擬了風洞實驗的完整實驗流程，提供四種不同尺寸的不銹鋼薄板和三種不同尺寸的鋁合金薄板，通過直尺和游標卡尺測量薄板的長、寬、高，內置經驗公式得出薄板的理論臨界速度，與實際速度相比得出誤差率。同時軟件提供風洞實驗相關介紹、實驗習題訓練、設備認知、數據表格自動填寫等功能，幫助學生預習和復習鞏固實驗的相關知識，加深實驗理解。
① 選擇薄板類型、尺寸，進行尺寸測量，安裝薄板，螺絲固定；
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② 調節(jié)風洞風速大小，，記錄實驗數據，得到實際風速與理論臨界速度的誤差。
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總結如下：
1. 調用Ansys仿真分析計算，仿真結果準確，效果逼真：
在三維實驗窗口中，用戶打開設備開關或擰動閥門，都會立即看到對應實驗現象的發(fā)生，非常形象直觀。實驗過程中，用戶可從任意角度、任意距離查看實驗設備，互動操作簡單快捷。與此同時，用戶提交轉速、管徑比等實驗數據后，系統(tǒng)會自動調用Ansys仿真軟件，精確計算出水頭高度、云圖等實驗結果，并實時在實驗窗口中予以顯示。由于該系統(tǒng)借助專業(yè)軟件Ansys進行仿真計算，具有實驗結果準確的特點，對實際實驗亦具有極強的指導作用。
圖二 計算得出的云圖與曲線
2. 通過Unity3D仿真實驗裝置交互式操作，靈活的動畫制作，精美的場景渲染：
在三維實驗窗口中，系統(tǒng)提供工具欄，實驗過程中可以隨時收起/展開工具欄，同時工具欄在實驗過程中用戶可以隨時選用，提供視窗欄，便于用戶快速切換到對應視角進行操作或觀察實驗現象，提供操作提示和幫助，言簡意賅描述實驗操作步驟和方法，使易用性更強。
系統(tǒng)服務器端用戶分為學生、教師、教務管理員和系統(tǒng)管理員四種角色，不同角色擁有不同權限。
學生：選課、選擇實驗、開展實驗、接受實驗指導、在線提交實驗報告、保存和提交實驗結果、查詢實驗成績和批語。
教師：典型實驗庫維護、發(fā)布實驗、安排實驗、批改實驗報告、系統(tǒng)指導、統(tǒng)計并發(fā)布學生的實驗成績和批語。
教務管理員：課程計劃、開課計劃、選課日期設置、開課審核、開課查詢。
系統(tǒng)管理員：用戶管理、分組管理、角色管理、權限管理、系統(tǒng)維護等。
性能指標
支持同時在線用戶數1萬人以上，經測試，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，不限終端用戶數，完全能滿足日常教學使用。
服務器運行環(huán)境
操作系統(tǒng)：Windows Server ，Linux/Unix Server
Web服務器：Tomcat6.0，JDK6.0
數據庫：MySQL
客戶端運行環(huán)境
操作系統(tǒng)： All Windows系列
相關信息：
研制單位：北京潤尼爾網絡科技有限公司
通訊地址：北京市海淀區(qū)北三環(huán)中路44號文教文化產業(yè)園1號樓 郵政編碼：100876
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