新型静水压强实验设备研制及教学改革实践

胡 静, 杨成建, 崔海航, 陈 力

(西安建筑科技大学 环境与市政工程学院, 国家级环境类专业实验教学示范中心, 陕西 西安 710055)

流体力学课程相对抽象复杂[1],因此实验教学就成为该门课程学习的重要辅助手段,对加深学生理解复杂理论知识、提升实践能力都起着至关重要的作用[2],甚至影响学生就业后对专业知识的灵活运用[3]。我校现有的静水压强实验设备使用太久,老化严重,问题较多,难以保证实验教学的质量,更难以满足当前实验教学改革和发展的要求。调研表明,我国大部分高校实验室的静水压强实验设备,在教学实施中也存在与我校类似的问题[4]。近年来,国内各相关院校也在不断进行该类实验设备的研制和创新[5],旨在通过研制新的实验设备来促进现有实验教学的改革,使实验教学成为理论教学的有机组成部分[6]。实验仪器设备作为教学、科研活动的硬件,对实验教学的影响至关重要[7]，又是衡量高校综合实力的一项重要指标[8]。市面上销售的同类设备无法全方位改善这一现状,因此本文研制了一套新型静水压强实验设备,既满足实验教学的基本要求,又增设新的实验方法与实验内容,有力地促进了实验教学改革。

1 研制目标

(1) 自主研制新型实验设备应解决现有实验设备的问题和弊端,能满足实验教学基本要求。新型实验设备的装置结构设计为紧凑的双面对称可移动式,方便实验室空间的统筹管理,节约实验室空间,并且单台设备也可支撑双倍的实验人数,设备利用率有效提升；装置材质上,选用有机玻璃,硅胶等塑料制品,从源头上避免了老化生锈、水体变色、静水水质污染现象,提高设备使用寿命,保证实验教学的顺利开展,能解决旧式传统静水压强实验设备的弊端,操作方便,稳定准确。

(2) 增设新的实验方法和新的实验教学内容,促进实验教学的改革与创新。实现实验功能多样化,一台设备不仅可以完成大纲要求的基本实验内容,能拓展新的实验测试方法,延伸新的实验内容,还能设置新的开放式实验项目供学生选修,最大化的发挥实验设备的潜能。

2 基本原理

2.1 流体静力学基本方程

在重力作用下,静力学基本方程的表达式为[9]

(1)

静止液体中任意点的静压强的计算式为

P=P0+γ(Z0-Z)=P0+γΔh

(2)

式中:Z0为静止液体自由表面位置高度，m；γ为液体容重，N /m3；P为液体内任一点静水压强，N/m2；P0为液体表面压强，N/m2；Δh为液体内任一点到液体表面的垂直距离，m。

任一点的静水压强由两部分组成,一部分是液体表面的气体压强P0,另一部分是液体自重产生的压应力γΔh[5]。

2.2 连通器原理

连通器中盛有多种液体(水或油)时,满足静止、同种、连续这3个条件的水平面是等压面，也就是说,在底部相连的两个容器(如最典型的U形管)里装入液体,其液面由于大气压相等而处于同一水平面上 ,这就是著名的 “连通器原理”[9]。

3 设备结构与功能

3.1 设备结构

本文研制的新型静水压强实验设备结构见图1,包括有机玻璃结构主体和不锈钢活动支架两大部分。有机玻璃结构主体部分为双面对称式,前后两面所有结构均相同,均包括密闭水箱、活动水箱及其滑动轨道、两支单管压力计、两支U形管压力计、各个硅胶连接管件、刻度尺。不锈钢活动支架是设备结构的下半部分,支架上端承载双面有机玻璃主体结构,台面下由矩形不锈钢四角支撑,四角分别设置了可调节万向轮,方便仪器的移动和统筹归置。

图1 设备结构示意图

3.2 设备功能

3.2.1 可实现密闭水箱上方气体空间不同的实验工况

打开密闭水箱上端的通气阀，观看各测压连通管内液面是否齐平,如不齐则平，检查各管内是否阻塞,并加以疏通；关紧密闭水箱上端的通气阀,抬高活动水箱至一定的高度,可以实现密闭水箱液体表面压力P0>Pa(大气压力)的工况；再次打开密闭水箱上端的通气阀,调整活动水箱至滑轨中部位置,可以实现密闭水箱液体表面压力P0=Pa的工况，此时再次观察各测压连通管液面应齐平；关闭排气阀,并将活动水箱下降至一定距离,可以实现密闭水箱液体表面压力P0

3.2.2 用U形管压力计测定静水中任一点K的压力或真空值

在正压或负压的工况下,通过选取任一U形管压力计观测记录,得出密闭水箱上部空间的正压(负压)值,根据公式(2)即可计算出静水中任一点K压力值或真空值:

PK=P0+γhK

(3)

其中,PK为静水中任一点K的压力值；hK为静水中任一点K距离液面的高度值。

3.2.3 用U形管压力计验证流体静力学基本方程

3.2.4 用单管压力计验证流体静力学基本方程

在不同实验工况下,液面稳定时可直观地观察1号单管压力计和2号单管压力计读数及其在实验过程中的变化情况(即在任何实验工况下,都可直观看到两支单管压力计读数保持相等,测压管水头值保持不变),由于选点的任意性,即可证明在静止流体中各点的测压管水头均相等,也即验证了流体静力学基本方程，这种实验验证方法是现阶段市面其他实验设备所没有的考虑。

3.2.5 提供了测定未知液体重率或密度的方法

研制的新型实验设备有两支U形管压力计,一支作对比管,管内注入标准对比液体水,一支做待测管,管内注入待测未知液体(酒精、煤油或其他未知液体)。U形管压力计的右侧均与密闭水箱的液面上方空间相连接,给定一个实验工况,例如正压的情况下,两支U形管压力计的左右两侧产生了压力差,由于液面上方空间的压力固定不变,基于此等压关系,两支U形管压力计的压力可形成如下关系式:

γ水(h左1-h右1)=γ未知(h左2-h右2)

(4)

ρ水g(h左1-h右1)=ρ未知g(h左2-h右2)

(5)

式中,γ水和ρ水分别为水的重率和密度；h左1和h右1分别为1号标准液体U形管压力计左右两侧的高度,γ未知和ρ未知分别为未知液体的重率和密度；h左2和h右2分别为2号待测液体U形管压力计左右两侧的高度。

水的各项参数已知,测压管的高度h也可通过刻度尺测量到,这样就可以测得未知液体的重率γ未知或密度ρ未知,并由此鉴别未知液体的种类。

4 教学改革实践

(1) 实验方法上进行了改革创新。现有传统的静水压强实验设备,只能用一种测量方法完成静水压强实验，本文研制的新型静水压强实验设备,设计了U形管压力计和单管压力计两种的测压方式,既可以用U形管测定出任一点的压力值和真空值,验证静力学基本方程,也可以通过单管压力计来验证静力学基本方程。可以让学生在实验中选用两种不同的实验方法验证流体静力学基本方程,通过两种测压方法的实践应用,让学生学会对比和思考,发现不同实验方法的特点以及优缺点。这一实验方法的改革和创新,在教学应用实践中,使得学生实验兴趣浓厚,参与感强,动手实践能力增强,提升了实验教学效果。

(2) 实验教学内容进行了改革创新。本文研制的新型静水压强实验设备具备多个实验功能,丰富了原有的实验教学内容。重新编写了实验指导书,完善了大纲要求必做实验项目静水压强实验的内容,把设备新增加的实验方法和功能纳入其中。本设备除了可以完成大纲要求的必做实验项目外,也拓展了新的实验内容，即测定未知液体的重率或密度的测量、两种测压管的使用及实验对比。新的实验内容既可以作为学生实验课的创新拓展内容,也可以作为选修的开放式实验项目。

(3) 实验教学方式进行了改革创新。本文自主研制的新型实验设备具有更加丰富全面的功能和结构基础,有利的促进了教学方式的转变。

对于教学大纲内的静水压强实验,根据新编的实验指导书,引导学生自主设计实验,自主选择实验方法, 让学生有独立思考的空间,有利于学生创新思维能力和实践动手能力的培养。

开放式实验教学是当前高校深化实验教学改革、提高实验教学质量的一项创新性工作[10]。在本文研制的新型设备基础上,开展了开放式实验项目,充分发挥学生的主观能动性,培养学生独立思考和敢于创新的精神,提升学生综合素质。有效弥补了传统实验教学的不足,有利于因材施教,调动学生的主动性 、积极性。

5 结语

本文自主研制的新型静水压强设备,克服了原有设备的弊端,优点众多,可使用不同的实验方法,开展不同的实验内容,在保证大纲内实验教学质量明显提升的同时,开展创新型开放式实验,全方位改革实验教学,彻底改变多年来静水压力实验教学改革止步不前的现状。并为进一步促进高校实验室发展建设,提高流体力学实验教学质量,培养学生实践能力和创新素质,做出了巨大贡献,意义深远。