水力學(xué)與工程流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)CAI簡介

1、水力學(xué)與工程流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)CAI簡介第二版浙江大學(xué)力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心CAI是“計(jì)算機(jī)輔助教育”的代稱。它是我國正在興起的面向21世紀(jì)教改熱潮中的一波來自于國際潮流的狂瀾涌浪。它作為一種現(xiàn)代教育技術(shù)，既是計(jì)算機(jī)應(yīng)用的一個(gè)領(lǐng)域，同時(shí)它又代表了一種新的教育思想和教育模式。本系列CAI教學(xué)軟件第一版是在毛根海教授主持下，經(jīng)浙大水利實(shí)驗(yàn)室和浙大CAI研究中心協(xié)同發(fā)展而成，是國內(nèi)用于水力學(xué)與工程流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的首套較完善的CAI軟件。該軟件曾于1997年獲國家教委工科組CAI一等獎(jiǎng)。1998年底，在毛根海教授主持下，經(jīng)浙大水利實(shí)驗(yàn)室自行開發(fā)、研究，現(xiàn)已成功地將該版軟件升級(jí)為多媒體版（第二版）。目前，該版軟件

2、是國內(nèi)水力學(xué)與工程流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的高版本軟件。它能幫助貴校在面向21世紀(jì)的教改中領(lǐng)先一步。本系列CAI軟件分上、下冊(cè)兩大部分。上冊(cè)是以管流為主體的工程流體力學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，共9項(xiàng)；下冊(cè)是明渠水力學(xué)實(shí)驗(yàn)，共6項(xiàng)。一、 該系列CAI軟件的共同性能指標(biāo)1、教學(xué)輔助功能齊全。每項(xiàng)實(shí)驗(yàn)CAI均包含儀器仿真，動(dòng)態(tài)操作界面、實(shí)驗(yàn)原理、數(shù)據(jù)采集、成果分析、操作指南和問題解答?？晒W(xué)生在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的過程操作、數(shù)據(jù)采集和成果分析，還設(shè)有實(shí)驗(yàn)提示、錯(cuò)誤糾正等功能，以輔導(dǎo)學(xué)生按正確途徑深入有序地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。所附的實(shí)驗(yàn)原理和問題解答除用文本形式外，均以多媒體動(dòng)畫和錄像的形式給出，形象生動(dòng)、簡單易懂，可供學(xué)生實(shí)驗(yàn)預(yù)

3、習(xí)與答疑，幫助學(xué)生成功地完成實(shí)驗(yàn)。2、 仿真可靠。計(jì)算機(jī)的實(shí)驗(yàn)?zāi)M設(shè)備選自本室研制的專利儀器。內(nèi)容豐富、功能齊全，界面動(dòng)態(tài)效果真實(shí)可信。實(shí)驗(yàn)數(shù)值仿真可靠，操作過程符合實(shí)際。3、 環(huán)境條件。該系列軟件宜在586機(jī)型、16M內(nèi)存以上的多媒體計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，操作系統(tǒng)宜選用Windows95及其以上的版本。4、 可靠性。以Hypertext結(jié)構(gòu)作為各學(xué)習(xí)單位的鏈接結(jié)構(gòu)，選用“按鈕”、“控制”的形式作為控制鏈的出入口。以“按鍵”與“對(duì)話框”方式實(shí)現(xiàn)界面的控制與信息傳輸。5、 容錯(cuò)性。人機(jī)交互時(shí)的誤操作或非界定操作，均有明確錯(cuò)誤指示，不會(huì)出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象。6、 界面友好操作方便。有操作幫助與中文指示，其測(cè)量數(shù)據(jù)

4、尊重操作員意愿可取可舍，功能鍵定義符合大眾習(xí)慣，操作鍵定義明確專一。7、 科學(xué)性。實(shí)驗(yàn)?zāi)康拿鞔_，符合科學(xué)要求。屏幕設(shè)計(jì)清晰高雅，色調(diào)搭配適中。窗口圖標(biāo)符合規(guī)范，操作簡便易學(xué)。二、 各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)CAI的其他功能與特點(diǎn)。上冊(cè)（一） 水靜力學(xué)實(shí)驗(yàn)CAI功能1、 可進(jìn)行用測(cè)壓管測(cè)量流體靜壓強(qiáng)的仿真實(shí)驗(yàn)；2、 可進(jìn)行利用點(diǎn)壓強(qiáng)測(cè)量技能測(cè)量油容重的實(shí)驗(yàn)；3、 可仿真不可壓縮流體靜力學(xué)基本方程的實(shí)驗(yàn)；4、 可供分析馬利奧特容器的變液位下恒定流實(shí)驗(yàn)及其他十余項(xiàng)定性、定量實(shí)驗(yàn)。特點(diǎn)1、 打氣加壓與放氣減壓的界面形象逼真；2、 測(cè)壓管、連通管、真空負(fù)壓管的測(cè)管液位實(shí)施動(dòng)態(tài)顯示，仿真效果與原型吻合無異；3、 實(shí)驗(yàn)分析以

5、表格形式顯示，完全符合實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求。（二） 伯努利方程實(shí)驗(yàn)CAI功能1、 用于分析管流總水頭與測(cè)壓管水頭的沿程變化規(guī)律及位能、壓能、動(dòng)能、能量損失之間轉(zhuǎn)換關(guān)系的實(shí)驗(yàn)仿真；2、 可仿真流體恒定總流的能量方程實(shí)驗(yàn)；5、 可供分析均勻流與急變流在過水?dāng)嗝嫔蟿?dòng)水壓強(qiáng)的分布規(guī)律及其它十余項(xiàng)定性、定量實(shí)驗(yàn)。特點(diǎn)1、 實(shí)驗(yàn)管道由三種不同管徑組成，管道直徑可由實(shí)驗(yàn)者自行設(shè)置，可供學(xué)生獨(dú)立構(gòu)思實(shí)驗(yàn)方案；2、 流量測(cè)量采用時(shí)間體積法，過程顯示具有多媒體動(dòng)態(tài)效果；3、 動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)顯示測(cè)壓管水頭和總水頭的變化規(guī)律；4、 成果分析采用表格和圖形共存的顯示形式，直觀清晰。（三） 動(dòng)量定律實(shí)驗(yàn)CAI功能1、 用于測(cè)定射流對(duì)平

6、板的沖擊力，驗(yàn)證恒定總流動(dòng)量定律的實(shí)驗(yàn)仿真；2、 用于測(cè)定動(dòng)量修正系數(shù)的實(shí)驗(yàn)仿真。特點(diǎn)1、 采用特殊的動(dòng)量力測(cè)量裝置，巧妙地把射流沖擊力轉(zhuǎn)變成靜水壓力，而利用測(cè)壓管進(jìn)行測(cè)量；2、 具有局部放大仿真功能，以演示用自控反饋原理設(shè)計(jì)的自動(dòng)平衡機(jī)構(gòu)和用動(dòng)摩擦減阻技術(shù)設(shè)計(jì)的減阻機(jī)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)原理；3、 供水箱恒定水頭連續(xù)可調(diào)，能任意改變實(shí)驗(yàn)流量；4、 流量測(cè)量采用時(shí)間體積法，過程顯示具有多媒體動(dòng)態(tài)效果。（四） 畢托管測(cè)速實(shí)驗(yàn)CAI 功能1、 用于畢托管測(cè)量點(diǎn)流速的實(shí)驗(yàn)仿真；2、 可進(jìn)行利用點(diǎn)流速測(cè)量技能測(cè)量明渠流量的實(shí)驗(yàn)；3、 可供測(cè)量管嘴淹沒射流點(diǎn)流速系數(shù)的實(shí)驗(yàn)仿真。特點(diǎn)1、 具有畢托管測(cè)量圓柱形管嘴淹沒

7、射流中心點(diǎn)流速的獨(dú)立界面，其供水箱的恒定水頭無級(jí)可調(diào)，測(cè)點(diǎn)流速隨之可變；2、 具有明渠流中用畢托管測(cè)流量的獨(dú)立界面，畢托管可在過流斷面上任意移動(dòng)定位；3、 畢托管的排氣過程形象逼真，符合實(shí)驗(yàn)要求；4、 測(cè)壓管與電測(cè)儀兼?zhèn)?，測(cè)量值可仿真動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)顯示。（五） 雷諾實(shí)驗(yàn)CAI功能用于測(cè)定臨界雷諾數(shù)，再現(xiàn)雷諾數(shù)實(shí)驗(yàn)全過程的仿真實(shí)驗(yàn)。特點(diǎn)1、 流量變化可由閥門仿真控制，流量測(cè)量采用時(shí)間體積法，過程演示具有多媒體動(dòng)態(tài)效果；2、 流動(dòng)形態(tài)可由放大窗口動(dòng)態(tài)仿真顯示；3、 下臨界雷諾數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果穩(wěn)定可靠，而上臨界雷諾數(shù)具有隨機(jī)性的實(shí)際仿真效果；4、 成果分析用表格顯示，符合實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求。（六） 文透利實(shí)驗(yàn)CAI功

8、能1、 可供使用文透利管測(cè)量管道流量和采用氣水多管壓差計(jì)測(cè)量壓差的實(shí)驗(yàn)仿真；2、 可供率定流量計(jì)流量系數(shù)m的仿真實(shí)驗(yàn)，并可供分析m與雷諾數(shù)Re的相關(guān)性；3、 可用模擬實(shí)驗(yàn)分析文氏流量計(jì)的局部真空度，并顯示文氏管的空化現(xiàn)象。特點(diǎn)1、 配有氣水多管差壓計(jì)與電測(cè)儀，可實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)仿真顯示壓差值；2、 文透利管管徑與水溫可任意設(shè)置，流量可由閥門任意調(diào)節(jié)，實(shí)驗(yàn)雷諾數(shù)的范圍可達(dá)106以上。3、 當(dāng)文透利喉徑外出現(xiàn)空化時(shí)，即有仿真放大的動(dòng)態(tài)空化圖窗自動(dòng)彈出；4、 成果分析有表格和圖形兩種形式，可任意選擇。（七） 局部水頭損失實(shí)驗(yàn)CAI功能1、 用于訓(xùn)練二點(diǎn)法、三點(diǎn)法、四點(diǎn)法測(cè)量局部水頭損失與局部阻力系數(shù)技能的仿

9、真實(shí)驗(yàn)；2、 可供驗(yàn)證圓管突擴(kuò)局部阻力系數(shù)包達(dá)公式和突縮局部阻力系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式的模擬實(shí)驗(yàn)；3、 可供局部水頭損失的機(jī)理分析和突擴(kuò)與突縮局部水頭損失大小關(guān)系的比較實(shí)驗(yàn)等多項(xiàng)定性與定量實(shí)驗(yàn)。特點(diǎn)1、 實(shí)驗(yàn)管道由三種不同管徑的直管組成，各管徑可任意設(shè)置；2、 在實(shí)驗(yàn)管段上的測(cè)壓點(diǎn)，突擴(kuò)段按三點(diǎn)法布置，突縮段按四點(diǎn)法布置，二點(diǎn)法用于測(cè)量閥門阻力，有獨(dú)立界面，實(shí)驗(yàn)中閥體可與對(duì)應(yīng)的直管段互相替換，過程具有多媒體動(dòng)態(tài)效果；3、 設(shè)有流量測(cè)讀誤差仿真功能，當(dāng)測(cè)量時(shí)間過短時(shí)，產(chǎn)生隨機(jī)誤差的概率會(huì)增高；4、 成果分析有圖形和表格兩種形式，可任意選擇。（八）沿程阻力實(shí)驗(yàn)CAI功能1、 用以訓(xùn)練測(cè)量管流沿程阻力系數(shù)的實(shí)

10、驗(yàn)仿真；2、 仿真實(shí)驗(yàn)可供分析圓管層流和紊流的沿程損失與平均流速定量關(guān)系；3、 可供測(cè)定不同直徑、不同當(dāng)量粗糙度實(shí)驗(yàn)管道的沿程阻力系數(shù)。特點(diǎn)1、 管徑、水溫、當(dāng)量粗糙度任由實(shí)驗(yàn)者設(shè)置；2、 用電測(cè)儀動(dòng)態(tài)仿真顯示二測(cè)點(diǎn)間的壓差值；3、 實(shí)驗(yàn)雷諾數(shù)范圍可達(dá)層流區(qū)、過渡區(qū)、光滑區(qū)、阻力平方區(qū)；4、 流量控制與測(cè)量具有多媒體效果。（九） 孔口與管嘴實(shí)驗(yàn)CAI功能1、 用以訓(xùn)練測(cè)量孔口與管嘴的流速系數(shù)、流量系數(shù)、側(cè)收縮系數(shù)、局部阻力系數(shù)技能的仿真實(shí)驗(yàn)；2、 仿真實(shí)驗(yàn)可供管嘴的進(jìn)口形狀（直角與喇叭）及管嘴類型（直管與錐管）對(duì)過流能力的影響；3、 可供分析孔口與管嘴出流各水力要素間相關(guān)關(guān)系的實(shí)驗(yàn)及其他十余項(xiàng)

11、定性、定量實(shí)驗(yàn)。特點(diǎn)1、 設(shè)有薄壁孔口、直角進(jìn)口圓柱形管嘴、喇叭進(jìn)口圓柱形管嘴、圓錐形管嘴4種出流裝置，可由實(shí)驗(yàn)者任意選擇；2、 出流直徑、出流位置、圓錐管的錐角均可任意設(shè)置；3、 薄壁孔口仿照原型用游標(biāo)卡尺測(cè)量孔口的側(cè)收縮系數(shù)，過程由仿真放大圖窗顯示，具有多媒體動(dòng)態(tài)效果。下冊(cè)：（十） 水面曲線實(shí)驗(yàn)CAI功能1、 演示平坡、倒坡、臨界坡、陡坡、緩坡的水流銜接現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)仿真；2、 演示棱柱體渠道十二種水面曲線的實(shí)驗(yàn)仿真。特點(diǎn)1、 斜面槽的坡度調(diào)節(jié)，閘板開啟均具有多媒體動(dòng)態(tài)效果；2、 水面曲線、水躍形態(tài)、水躍發(fā)生的位置等均由系列數(shù)學(xué)模型準(zhǔn)確給定，動(dòng)態(tài)效果十分逼真；3、 臨界底坡由實(shí)測(cè)流量確定；操作

12、過程模擬實(shí)際實(shí)驗(yàn)，生動(dòng)形象。（十一） 堰流實(shí)驗(yàn)CAI功能1、 用以對(duì)不同d/H的有坎、無坎寬頂堰或?qū)嵱醚叩乃鳜F(xiàn)象，以及下游水位變化對(duì)寬頂堰過流能力影響的實(shí)驗(yàn)仿真；2、 模擬實(shí)驗(yàn)可供訓(xùn)練測(cè)量堰流流量系數(shù)m和淹沒系數(shù)ss的實(shí)驗(yàn)技能，并可測(cè)定圓角與直角寬頂堰的m及ss值和WES與克奧型實(shí)用堰的m值。特點(diǎn)1、 應(yīng)用多媒體技術(shù)對(duì)測(cè)針定位、堰型更換等界面的動(dòng)態(tài)效果作了仿真設(shè)計(jì)；2、 水流形態(tài)的表面微波、流動(dòng)顯示、過堰水面形態(tài)、水躍、渦旋都經(jīng)系列數(shù)學(xué)模型嚴(yán)格控制，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)過程十分逼真；3、 單寬流量q，上游渠底高程、上游堰高、寬頂堰寬度、實(shí)用堰體型設(shè)計(jì)水頭均可任意設(shè)定，不同參數(shù)的實(shí)驗(yàn)方案有無限多種組合，可

13、供學(xué)生任意構(gòu)思實(shí)驗(yàn)方案；4、 實(shí)驗(yàn)成果由表格顯示，成果精度隨模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)的測(cè)量準(zhǔn)確度而定。（十二） 水躍實(shí)驗(yàn)CAI功能1、 用以檢驗(yàn)平坡矩形明槽自由水躍共軛水深理論關(guān)系的合理性，并測(cè)定躍長、檢驗(yàn)躍長經(jīng)驗(yàn)公式可靠性的仿真實(shí)驗(yàn)；2、 通過仿真實(shí)驗(yàn)的成果分析，了解水躍消能效果。特點(diǎn)1、 設(shè)有閘下出流水躍實(shí)驗(yàn)的多媒體流動(dòng)界面；2、 單寬流量可任意設(shè)置，閘門開度、尾水位可動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。水位由測(cè)針測(cè)量，測(cè)針可由鼠標(biāo)拖動(dòng)任意定位。測(cè)針微調(diào)時(shí)，能自動(dòng)彈出放大動(dòng)態(tài)圖窗。附有標(biāo)尺指針測(cè)量水躍長度，閘板開度、標(biāo)尺指針、尾水位可由按鈕分別控制；3、 閘下出流的臨界水躍、遠(yuǎn)驅(qū)水躍、淹沒水躍都由數(shù)學(xué)模型嚴(yán)格給定，動(dòng)態(tài)反映實(shí)時(shí)仿

14、真。（十三） 消能池實(shí)驗(yàn)CAI功能1、 用以掌握消能池模型實(shí)驗(yàn)技能的仿真；2、 動(dòng)態(tài)界面可供觀察壩下游設(shè)置消能工前后的水流銜接形式，并可供檢驗(yàn)設(shè)置消能池必要性的仿真實(shí)驗(yàn)；3、 可用于檢驗(yàn)消能池設(shè)計(jì)方法可靠性的仿真實(shí)驗(yàn)；4、 仿真實(shí)驗(yàn)可觀察任意設(shè)定的消能池形態(tài)和不同過流量下過消能池的水流狀況。特點(diǎn)1、 設(shè)有未設(shè)消能池、設(shè)置消能池和下游渠底為池底高程時(shí)的三種多媒體實(shí)驗(yàn)界面，并附有按鈕可任意切換；2、 池深設(shè)計(jì)流量、池長設(shè)計(jì)流量、WES堰的體型設(shè)計(jì)水頭、上游堰高、下游堰底高程、實(shí)際單寬流量與下游水深均可單獨(dú)任意設(shè)置，不同參數(shù)的實(shí)驗(yàn)方案有無限多種組合。可供學(xué)生任意構(gòu)思實(shí)驗(yàn)方案；3、 消能池前后的水躍形

15、態(tài)及過堰水流形態(tài)（包括過低水位下池后的波狀水躍等）均由系列數(shù)學(xué)模型準(zhǔn)確給定，能隨實(shí)驗(yàn)條件改變而實(shí)時(shí)仿真演示。（十四） 消能坎（墻）實(shí)驗(yàn)CAI功能1、 用以掌握消能坎模型實(shí)驗(yàn)技能的仿真；2、 動(dòng)態(tài)界面可供觀察壩下游設(shè)置消能工前后的水流銜接形式，并可供檢驗(yàn)設(shè)置消能坎必要性的仿真實(shí)驗(yàn)；3、 可用于檢驗(yàn)消能坎設(shè)計(jì)方法可靠性的仿真實(shí)驗(yàn)；4、 仿真實(shí)驗(yàn)可觀察任意設(shè)定的消能坎形態(tài)和不同過流量下，過消能坎的水流狀況。特點(diǎn)1、 設(shè)有未設(shè)消能坎和設(shè)置消能坎的多媒體界面實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，界面切換可由按鈕控制；2、 池深設(shè)計(jì)流量、池長設(shè)計(jì)流量、WES堰的體型設(shè)計(jì)水頭、上游堰高、下游渠底高程、過坎單寬流量、尾水位均可單獨(dú)任意設(shè)置，不同參數(shù)的實(shí)驗(yàn)方案有無限多種組合，可供學(xué)生任意構(gòu)思實(shí)驗(yàn)方案；3、 消能坎前后的水躍形態(tài)、過堰水流形態(tài)（包括坎后自由水躍、臨界水躍、淹沒水躍與波狀水躍等）均由系列數(shù)學(xué)模型給出仿真圖像，并隨實(shí)驗(yàn)條件改變而實(shí)時(shí)仿真演示。（十五）