依托大学生项目力学实验教学模式

点赞:4237 浏览:11724 近期更新时间:2024-01-27 作者:网友分享原创网站原创

摘 要通过总结一项大学生创新项目,即对不同形状绕流物体受力进行风洞实验研究,探索一条力学实验实践教学改革的创新之路.通过大学生创新项目的实施,使得传统实验教学模式得以提升,实验教学内容得以充实,大大强化了学生的动手能力,锻炼了学生的创新思维,将课堂真正迁移到了实验室,知行合一,提高了学生的综合素质.

关 键 词绕流物体雷诺数大学生创新实验教学

中图分类号:G424文献标识码:A

RelyonStudents'InnovativeProjectsandExplore

MechanicsExperimentTeachingMode

LANYamei,XIAOShigui,LIMing,WANGShiming,SONGQiuhong,LIUShuang

(ShanghaiOceanUniversity,Shanghai201306)

AbstractBysummingupacollegeinnovativeproject,namelytheflowaroundobjectsofdifferentshapeorcewindtunnelexperimentalstudytoexploretheroadofinnovationpracticeamechanicalexperimentteachingreform.Studentsthroughtheimplementationofinnovativeprojects,thetraditionalexperimentalteachingmodelcanbeimproved,experimentalteachingcontentcanbeenrichedgreatlyenhancedtheabilitiesofstudents,trainingthestudents'creativethinking,willtrulymovetothelaboratoryclassroom,applywhattheylearntoimproveoverallqualityofstudents.


Keywordlowobjects;Reynolds;collegestudents'innovation;experimentalteaching

本文对一项上海海洋大学市级大学生创新计划进行总结,该项目主要针对不同形状绕流物体受力进行风洞实验研究,从模型的设计制作到实验测试、实验数据的整理与分析,每个环节都由学生亲力亲为,真正将课堂转移到了实验室,锻炼了学生的创新思维和动手能力,充分利用了学校的实验室资源,将生活中的现象以模型的方式抽象出来,用实验的方法解释说明,得出更深刻的科学证明,取得了较好的实验结果,丰富了实验教学内容.

1大学生创新项目研究背景及内容

为什么打高尔夫球比光滑圆球打得更远?为什么鱼雷的头部接近流线型?为什么场地自行车赛的运动员都要带一顶具有尖尾巴的帽子?风对汽车的阻力主要来自于迎风面还是背风面?很多人对以上流体力学现象缺乏认识,这主要是因为流体变化难以用肉眼观察、辨认,必须借助相应的流体测试仪器进行分析研究.这些绕流物体阻力问题同尾部漩涡流有关,用风洞结合现代流体力学测试技术可得到阻力变化规律.

在流体中运动的物体统称为绕流物体.绕流的运动一般可分为两类,一类是流体运动,物体静止,流体绕过物体运动;另一类是物体运动,流体静止,物体在流体中运动;当然也可以上述两种运动都有.前者运动如河水绕过桥墩、风吹过建筑物;后者如船在水中运动、飞机在大气中飞行、以及粉尘、泥沙在空气和水中的沉降等.对于后一类运动,可以在运动的物体上建立动坐标系,而将运动转换为流体相对于动坐标系的运动.就研究流体与物体之间相互作用力的问题而言,两者是等价的.

粘性物体绕有曲率物体运动时,在物体后部紧贴壁面区域,将产生逆压梯度.后部靠近壁面的流体在逆压的作用下,将产生倒流现象,并发展成旋涡,这就是曲面边界层的分离现象.一旦产生该现象,边界层的厚度将明显增加,物体后部将形成尾涡区,将外部势流隔离于壁面之外,使得作用在物体上的压强分布具有前后不对称性,且后部的压强小于前部,这种不对称的压强分布产生的合力与来流方向相同,定义为压差阻力.由于物体后部的逆压梯度大小与物面形状紧密相关,因此压差阻力又被称为形状阻力.

流体绕过物体,作用在物体上的力按其方向不同,可分为阻力和升力.前者包括摩擦阻力和压差阻力两部分.摩擦阻力是由于流体与物面摩擦而产生的应力,可用边界层理论计算,而形状阻力一般通过实验测定.绕流阻力用无量纲的阻力系数来表示,计算公式为:

等于

式中为绕流阻力;为流体的密度;为来流速度;为物体特征面积,即水平最大截面积.此外,研究发现,雷诺数的大小会影响阻力系数,计算公式为:

等于

式中为特征长度;为流体的运动粘度;为来流速度.

本创新实验在风洞中进行,实验对象为直径80mm的圆板、圆锥、半球,后部由细长支撑架固定.实验中用到的设备主要有:直流式低速风洞,是实验中风的来源,将圆盘置于风箱中,用来测定各个物理量,采用风速调频仪调节频率,进而调节风速;YD-28A型应变放大器,测量由于风吹动圆盘而引起的支架形变,从而得到阻力,毕托管测得实验风速,进一步分析可以得到雷诺数与阻力系数的关系.

2大学生创新项目与力学实验教学相结合

将大学生创新实验项目和力学实验教学结合起来,一方面能将大学生创新实验项目落到实处,有利于更进一步地激发大学生的创新性思维,另一方面可以提高实验教学的质量,丰富实验教学的内容.同时,在创新计划中,改变了实验教学的模式,由传统的灌输模式,发展为学生根据自己感兴趣的课题或者方向,自主实验,具体为学生自主设计实验、完成实验、管理实验.项目实施的过程中,学生的自主性、创新性和团队协作性,以及实验教学质量都得到明显提高.传统的教学实验项目实施,难以实现“以学生为主体,以教师为主导”的实验教学理念,学生普遍都对教师有依赖思想,其次由于实验指导书描述的步骤过于详尽,实验报告的格式较为固定死板,将学生的思维始终局限在设定的框架内,难以激起学生创新的兴趣和热情.风洞实验使学生能够对流体力学理论有更深层次的认识,同时为实验教学提供了一个更好的平台,能够解决很多难以在传统实验教学中解决的问题,为力学实验的实践教学注入了新的活力.根据研究方案,选择圆板、半球、圆锥三种模型,实验研究雷诺数对阻力的影响.实验过程中,完成了三分力天平的标定工作,得到力与电压之间的关系;利用压差计,得到来流风速与电机频率之间的关系.通过多次实验取平均值的方法,最终得到Re数与三种模型阻力系数Cd的关系.对实验结果进一步分析可知,当风速比较小,Re<5000时,Cd随着Re增大而减小,同一Re值下,平板的阻力系数最大,半球的最小,这是因为半球形状相对圆滑,后部的边界层分离点靠后,尾涡区域较小;而当风速增大,Re>5000时,Cd趋于定值,风速影响不大.实验结论与理论相吻合,因为风速越大,粘性力的影响越小.

在整个创新计划的执行过程中,学生自始至终积极参与前期调研、查阅相关文献资料、进行材料的梳理整合.实验中遇到问题,能够及时和导师进行沟通,修订实验计划和方案,认真规划和管理创新项目的基金经费.通过大学生创新实验项目的实施完成,初步了解科研项目的规范与步骤,大大提高了学生的整体素质,实验中分析问题、解决问题,以及动手能力都得到了锻炼,团队的合作能力也进一步提高.

3结束语

通过大学生创新计划项目的实施完成,使得实验教学的模式和内容更具多样性和丰富性,调动了学生学习的积极性,使得学生的创新性得到提升.学生在导师的指导下,自主完成立项申报、设计方案、调试设备、准备材料、动手实验、整理分析数据、撰写结题报告等工作,学生的实验动手能力以及综合素质都有较大的提升.以大学生创新项目为载体,使实验教学的模式和内容较之前均有一定的提升,这也正是力学实验实践教学改革的一条创新之路.

基金项目:本文受“2013年课程教学方法改革研究项目”(项目号:A-0201-13-0313017)和“2013年度校级大学生创新活动计划项目(沪海洋教〔2013〕号)”资助

依托大学生项目力学实验教学模式参考属性评定
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