基于文丘里管的实训教学改革.pdf
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1、基金项目:年甘肃省高等学校创新基金“先进工业数值仿真软件在流体输送模块化教学的应用研究”(基金编号:A )作者简介:韩雅妮,女,硕士,讲师,主要从事化工单元实验过程的开发与研究.基于文丘里管的实训教学改革韩雅妮,刘哲(兰州石化职业技术大学 应用化学工程学院,甘肃 兰州 )摘要:流体输送单元是研究流体流动基本理论及流体输送机械的一个模块化课程,是高等职业教育本科化工技术专业开设的一门核心课.为了提高本课程实训教学的质量,本文将数值仿真软件应用到文丘里管的实训教学中,首先通过参照流量测量节流装置国家标准对文丘里管进行参数化结构设计,并使用数值仿真软件对其内部流场进行分析求解,验证数值模型的有效性,
2、然后通过数值仿真软件探讨文丘里管结构、入口速度和介质变化对压降和速度的变化趋势,并组织小组合作讨论分析数值实验结果,弥补现有压差式流量计实训的不足,有利于在实训教学中推广使用.关键词:数值模拟;文丘里管;实训教学;参数化设计中图分类号:T P P r a c t i c a lT e a c h i n gR e f o r mB a s e do nV e n t u r iT u b eH a nY a n i,L i uZ h e(F a c u l t yo fA p p l i e dC h e m i c a lE n g i n e e r i n g,L a n z h o u
3、P e t r o c h e m i c a lU n i v e r s i t yo fV o c a t i o n a lT e c h n o l o g y,L a n z h o u ,G a n s u,C h i n a)A b s t r a c t:T h e f l u i d t r a n s f e ru n i t i s am o d u l a r c o u r s e f o r s t u d y i n g t h eb a s i c t h e o r yo f f l u i d f l o wa n d f l u i dc o n v e
4、 y i n gm a c h i n e r y,a n di sac o r ec o u r s eo f f e r e db yt h eu n d e r g r a d u a t ec h e m i c a l t e c h n o l o g ym a j o ro fh i g h e rv o c a t i o n a l e d u c a t i o n I no r d e r t o i m p r o v e t h eq u a l i t yo f t h ep r a c t i c a l t e a c h i n go f t h i sc o
5、 u r s e,t h i sp a p e r a p p l i e sn u m e r i c a l s i m u l a t i o ns o f t w a r e t o t h ep r a c t i c a l t e a c h i n go f v e n t u r i t u b e F i r s t l y,b y r e f e r r i n gt o t h en a t i o n a l s t a n d a r do f f l o wm e a s u r e m e n t t h r o t t l ed e v i c e,t h e
6、 v e n t u r i t u b e i s p a r a m e t r i c a l l yd e s i g n e d,a n d t h e i n t e r n a l f l o wf i e l d i s a n a l y z e d a n d s o l v e db yn u m e r i c a l s i m u l a t i o n s o f t w a r e t ov e r i f y t h e e f f e c t i v e n e s so f t h e n u m e r i c a lm o d e l T h e n,
7、t h e t r e n do f p r e s s u r e d r o p a n dv e l o c i t yo f v e n t u r i t u b e s t r u c t u r e,i n l e tv e l o c i t ya n dm e d i u mc h a n g e i sd i s c u s s e db yn u m e r i c a l s i m u l a t i o ns o f t w a r e,a n d t h eg r o u p i so r g a n i z e d t od i s c u s sa n d a
8、 n a l y z e t h e n u m e r i c a l e x p e r i m e n t a l r e s u l t s,w h i c hm a k e s u p f o r t h e s h o r t c o m i n g s o f t h e e x i s t i n gd i f f e r e n t i a lp r e s s u r ef l o w m e t e rt r a i n i n g,w h i c hi sc o n d u c i v et ot h ep r o m o t i o na n du s eo fp r
9、 a c t i c a lt r a i n i n ga n d t e a c h i n g K e y w o r d s:n u m e r i c a l s i m u l a t i o n;v e n t u r i t u b e;p r a c t i c a l t e a c h i n g;p a r a m e t r i cd e s i g n 引言流体流动现象普遍存在于城市供水、供热、化工物料输送等过程中,流体流动过程中必不可少地会使用到流量计,其中以文丘里管为节流元件的差压式流量计因其结构简单,性能稳定,压力损失小,不易被堵塞的优点,广泛在流量测量、调节
10、和控制过程中得到应用.为了增强流量计教学活动的针对性和有效性,提高课堂教学的质量和学生的获得感,采用各种教学手段加强学生协作并开展探究类活动已成为一种新的教学手段.例如:闫乐乐等为避免文丘里管设计过程中因压差传感器量程而导致的大量重复迭代工作,开发了文丘里管设计仿真一体化平台,实现了文丘里管自动优化设计,极大地提高了工作效率.K I T ANA等在流体力学课程中,通过应用可动手操作的小型文丘里管低成本桌面学习模块,帮助学生直观地观察到压力变化趋势,并对流体力学教学效果进行了有效评估.J K B u r g h e r等用I C A P评估学习模式,对流体力学课程中文丘里管进行教学研究,研究结果
11、表明,交互式学习比被动学习能获得更高的学习收益,有助于学生的长期记忆.J K B u r g h e r等将D LM s融入实践课堂,通过开发低成本的文丘里管模型,让学生观察、分析并积极参与教学内容的讨论,加深了学生对相关概念的理解.李玲等对文丘里管局部水头损失和动能修正系数取值范围进行探讨,深化学生对文丘里管流量系数的理解,强化对实验误差来源的认识,提高实验教学质量.李泊文等针对当前流量计教学中存在的理论讲解过于抽象化、实物演示教学设备成本太高的问题,设计了流量计三维教学仿真系统.上述学者用各自的方式进行了与文丘里管相关的教学研究,使用方法各有不同,但均未涉及将文丘里管的数值仿真与实训教学相
12、结合.本文在压差式流量计实训教学中引入数值仿真实验环节,利用数值仿真软件高精度、可视化、高效、低成本、能适应多种可变因素的优势和特点 ,将传统实训教学过程中学生看不到的实验现象图像化,测不准的实验数据精确化,应用数值仿真软件生成现有实训设备无法绘制的压力分布图、速度分布图等可视化图像,通过小组对仿真结果的讨论,强化学生应用所学知识分析和理解数据的能力,同时,数值仿真结果真实可靠,还可作为分析现有实验装置测量误差的一个重要参考.通过真实的实验与虚拟的数值仿真互相补充,锻炼学生独立思考的能力,培养学生的工程应用思维,降低教学成本,弥补了传统实训的不足,有利于推广使用.文丘里管的结构及工作原理充满管
13、道的流体流经管道内的节流装置,流束在节流元件处形成局部收缩,使流速增加,静压力降低,流体在截流件前后产生了静压力差.流体的流速越大,在节流件前后产生的静压力差也越大,所以可通过测量差压图文丘里管三维模型来确定流体流过节流装置时的流量大小,这种测量方法是以能量守恒定律和流体流动连续性方程为基础的.经典文丘里管由入口圆筒段A、圆锥收缩段B、圆筒形喉部C和圆锥扩散段E共个部分依次连接构成,其结构如图所示.经典文丘里管收缩段B为圆锥形,并有 的收缩锥角,收缩段B的直径长度为D,圆筒形喉部C处直径为d,入口圆筒段A与圆锥收缩段B面之间的距离为(Dd),下游终端截止于喉部C与扩散段E相交线的所在平面,其中
14、喉部C的长度等于d,扩散段E为圆锥形,并具有 之间的扩散角.具有机械加工收缩段的经典文丘里管在下述规定条件下使用:mmD mm;(d/D称为喉径比);R e ,在上述条件下,按照国家标准查得孔流系数C .文丘里管的上游取压面位于需要测定流量的管道上距离收缩段进口断面(D/)处,下游取压面位于喉道断面(d/)处(如图所示),两取压面连接有压差计,通过测量个测压面的压差p,通过公式()就可计算管道内流体的体积流量Vs,再经修正即可得到实际体积流量.高校实验室科学技术VsAuCA(pp)p()式中:Vs为体积流量,m/s;C为孔流系数;A为喉径的面积,m;u为喉径处的体积流速,m/s;p为上游圆筒段
15、取压面的压力,P a;p为下游喉径处取压面的压力,P a;为被测流体密度,k g/m.文丘里管流量计数值模拟过程 物理模型的建立本实训课程参照国家标准流量测量节流装置中具有机械加工收缩段的经典文丘里管结构,使用C OM S O LM u l t i p h y s i c s软件中计算流体力学(C F D)模块进行文丘里管结构的参数化数值分析.根据文丘里管流量计结构的对称性,为了简化分析,建立 D轴对称模型,其数值模型如图所示.针对文丘里管结构进行数值分析时作如下假设,:被测流体是不可压缩的牛顿型流体,忽略重力因素影响;流体的物性参数为常数,不随压力和温度发生变化;流体在文丘里管中作稳态流动;
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