雷諾實驗計算機仿真模擬探究
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作為開發平臺的LabVIEW軟件，與其他計算機語言的區別是不用文本語言產生代碼，而用圖形化語言編寫程序，類似于流程圖，產生的程序為框圖形式。框圖程序用LabVIEW圖形編程語言編寫，可把它理解為傳統程序下的源代碼。框圖程序由端口、節點、圖框和連線構成。其中端口連通程序面板的控制和顯示傳遞數據，節點用于函數和功能調用，圖框用來實現結構化程序控制命令;連線則代表程序執行過程中的數據流，定義框圖內的數據流動方向。LabVIEW的函數庫包含數據采集、GPIB、串口控制、數據分析、數據顯示及數據存儲等，也有傳統的程序調試工具，如設置斷點、以動畫方式顯示數據及其子程序(子Ⅵ，即虛擬儀器)的結果、單步執行等。采用數據流編程方式，程序框圖中節點間的數據流向決定子Ⅵ及函數的執行順序等，可方便創建用戶界面，用圖標和連線控制面板上的對象，便于程序調試。對虛擬儀器的互連及與計算機的連接，LabVIEW滿足GPIB、VXI、RS-232和RS-485協議的硬件及數據采集卡通訊的全部功能，還內置了便于應用TCP/IP、ActiveX等軟件標準的庫函數，可方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化界面使得編程及使用過程簡單化。編程時，基本不用寫程序代碼，取而代之的是流程圖或框圖，使儀器編程和數據采集系統的操作更加便捷。在實驗軟件設計中，所有圖形用Photoshop和CorelDRAW等繪制，形狀輪廓清晰，色彩明暗對比適中，與原物顏色接近。用CorelDRAW繪制結構清晰的水箱，方便物體的創建和確定位置，降低了操控難度;對于閥門、管道、管道接頭、水泵、日光燈和渦輪流量計等，是用Photoshop處理實物照片后得到。另外，對日光燈、水箱內水的反光和金屬管件表面的效果等進行精心設計，增強這些部位的效果。繪制好實驗所需的裝置零部件后，在LabVIEW程序設計中組裝，就像現實中將零件組裝成整臺儀器那樣。組裝時要注意各零部件的疊放次序和連接關系，保證組裝好的仿真模擬界面不會失真。如果僅有形象逼真的圖形界面是不夠的，還要求各個零部件必須像真實裝置那樣，能夠運行并產生相應的動態逼真的效果。仿真模擬實驗零部件包括有變化現象的控件、可操作控件和靜態控件3種。靜態控件是實驗中既不需要操作又不會產生任何變化的零部件，如水泵和管道等，編程時不賦予任何命令，只要將圖形位置擺放正確即可;可操作控件如截止閥、閘閥、示蹤劑開關和泵的開關等，對應的儀器可以操控。開關和截止閥設有打開和關閉兩個狀態;閘閥調節閥門開度控制流量，為旋轉式，范圍在0～400L•h－1之間。有變化現象可控件的值在編程中，作為有變化現象的控件產生相應現象變化的必要條件，涉及水的控制，如高位槽、低位槽和雷諾管等較為復雜且有現象變化，涉及多個條件和循環結構的嵌套。水顏色用9個液罐控制，均通過液罐控件設計來控制液面，液罐控件間還建立了單個或多個和可操作控件通過數值比較以“且”、“或”和“非”的關系，共同構成液罐控件發生相應變化的條件。該實驗的核心是觀察流體流型，仿真模擬軟件必然要考慮層流和湍流等現象。雷諾管涉及不同條件下4個液罐顯示，分別為無示蹤劑顯示、層流態顯示、過渡態顯示和湍流態顯示，顯示方式由選項卡控件控制。選擇顯卡控件的控制由軟件計算得出的雷諾數與臨界雷諾數、雷諾管是否充滿水和示蹤劑開關是否打開等因素共同決定。雷諾數大小由水的密度、黏度、模擬管徑和流量控制閥的開度決定，其中水密度和黏度采用在規定范圍內隨機賦值的方法顯示模擬溫度，溫度范圍在5～36℃。運行時直接調用相應溫度下水的密度和黏度計算出相應的雷諾數通過數顯控件顯示;渦輪流量計量程設定在0～400L•h－1之間。雷諾數與流型根據計算結果和臨界雷諾數相比較決定，模擬軟件中的仿真現象基于常見的實驗現象，層流時示蹤劑流線位于雷諾管中央，為一清晰的直線，完全湍流時示蹤劑質點會擴散到整個雷諾管，因流速快，在雷諾管上部能看見細小的短線迅速擴散，在下部無法看清，繪圖時候用充滿整個雷諾管的小點表示。過渡態示蹤劑流線的變化情況比較復雜，總體上是一個波動幅度逐漸增大直至進一步擴散的過程，繪圖時直接用波浪線表示。所繪圖形為gif動態圖片。運行時可觀察到3種現象，即雷諾數小于2000時顯示完全層流態流動，大于4000時顯示完全湍流，在2000～4000時顯示過渡態流動。
2模擬軟件輔助教學
實驗前學生雖然已經過課堂學習，了解了流體流動狀態與雷諾數的關系，再經過預習，也了解雷諾實驗的目的、裝置結構、操作步驟、數據處理方法及可能遇到的問題等;然而，看著與過去做過的基礎化學實驗差異甚大的化工實驗裝置，要操作的閥門、開關，要觀察、記錄的實驗現象，以及要測量的介質溫度和流量等，還是可能不知從何做起。如果學生面對實驗裝置，僅僅是按部就班完成操作，獲得實驗數據，而并不了解其本質，則難以達到好的效果。雷諾仿真模擬實驗軟件為實驗教學開辟了一個全新的平臺，提供了可行的模擬動手操作途徑。學生通過預習，結合仿真模擬軟件界面，進行模擬操作，就能夠了解實驗目的和裝置，熟悉雷諾實驗及實驗裝置的操作步驟，掌握流體流動狀態與雷諾數的關系等知識，這樣在實驗時對實驗裝置就不會出現誤操作和不敢操作的現象。同時，學生會帶著問題去做、去思考，真正達到掌握流體流動理論的目的。通過使用模擬實驗軟件后，學生能在具體實驗中順利地完成操作，既縮短了實驗時間，又提高了效率，還能將實驗獲得的數據與仿真實驗結果分析對比，查找偏離的原因，這樣對理論的理解就能更加深刻。經過對兩屆學生的使用，根據對學生實驗報告的分析，使用仿真模擬實驗軟件后，學生的實驗積極性提高了，實驗報告的質量明顯有了提升，收到了良好的效果。
3結論
實驗是培養學生動手操作能力和創造能力的重要途徑。用仿真模擬實驗軟件輔助實驗教學，有助于強化學生的實驗技能，為更好地掌握流體流動知識提供幫助;既改善實驗教學條件，又提高實驗教學效果，并為教學提供更多的思路，更便于引導學生發現問題、思考問題、解決問題。
作者：楊榮榛 董文生 劉春玲 陳繼生 單位：陜西師范大學化學化工學院