УДК 66.01:532
, ,
НИУ ИТМО ИХиБТ
Виртуальная лабораторная работа как элемент учебно-исследовательской работы
Виртуальная лабораторная работа демонстрирует аналогичную работу по реальным значениям. Выяснилось, что на определенной стадии опытов невозможно достичь всех теоретических показателей. Ранее приходилось добиваться этих показателей расчетным путем. Наглядно не было возможности это проиллюстрировать. Виртуальная работа не ограничена, например, размерами аппарата, количеством испытуемого материала и т. д.
Струя жидкости, протекающая через отверстие в тонкой стенке, преодолевает местное сопротивление самого отверстия. Истечение из отверстия под постоянным напором является установившимся движением жидкости. Установлено, что наибольшее сжатие струи, в районе которого поток подчиняется условиям плавной изменяемости, наблюдается на расстоянии половины диаметра отверстия от плоскости отверстия, рис. 1.
Отношение площади сжатого сечения струи к площади сечения отверстия называют коэффициентом сжатия и обозначают через 
.
Таким образом: 
, а для круглого сечения, где: 
, 
, где: 
– диаметр сжатой струи, м; 
– диаметр отверстия, м.
Рис. 1. Сжатие струи
Численное значение коэффициента скорости φ, коэффициента расхода μ и коэффициента сопротивления отверстия 
устанавливают опытным путем с использованием зависимостей, определяющих количественную сторону процесса истечения по реальной установке.
Зная, что теоретический расход определим коэффициент расхода путем по соотношению:
. 
(1)
Коэффициенты сжатия, скорости и расхода при истечении через отверстие зависят от числа Рейнольдса:
, (2)
где: 
– коэффициент кинематической вязкости, м2/с.
Коэффициент сопротивления уменьшается от ξ = 1,0 при
Rе = 100 до ξ = 0,06 при Rе > При Rе > коэффициенты 
и 
практически не изменяются и равны: 
; 
; 
. Причина малого значения коэффициента расхода объясняется процессом сжатия вытекающей струи. Значение коэффициента расхода отверстия сравнительно мало и имеет порядок 0,6.В практических случаях, при истечении через отверстия, числа Рейнольдса имеют большие значения..
В том случае, когда отсутствует возможность проведения натурного эксперимента аналогичные сведения можно получить при проведении виртуального эксперимента. Для этого необходима разработка соответствующего электронного контента. Нами такой контент разработан на базе пакета Adobe Flash CS-5. Виртуальная лабораторная работа указанного содержания содержит методические указания, блок тестирования и саму электронную симуляцию. Общий вид оборудования для проведения виртуальной лабораторной работы при исследовании процесса истечения жидкости через малое круглое отверстие изображен на рис.2 Кружками отмечены кнопки для управления процессами, происходящими в этой работе. При наведении курсора на любой кружок или сектор появляется поясняющая надпись о том, для чего предназначена данная кнопка.
Вначале необходимо выбрать вариант опыта с истечением воды через отверстие, для этого достаточно кликнуть по соответствующей кнопке. Затем нужно включить насос для подъёма воды в напорный бак. Далее можно будет открыть клапан, закрывающий отверстие и наблюдать истечение струи. При истечении через отверстие, необходимо произвольно выбрать точку на траектории струи и измерить её координаты относительно начала струи при помощи соответствующих измерительных линеек X и Y, см. рис. 3.
Уровень напора также определяется по координате Y с помощью измерительной линейки. При этом принимается её абсолютное значение – знак минус отбрасывается. Завершив действия с линейками Х и Y, можно включить поворот ограничителя струи вверх и далее, включив сливной клапан таймер, дождаться полного заполнения мерного бака и записать соответствующее показание виртуального таймера, см. рис. 3. Пользоваться другими способами измерения времени в данном случае нельзя, так как скорость воспроизведения "swf" ролика зависит от быстродействия конкретного компьютера.
Рис. 2 Исходное состояние лабораторной установки
Рис.5 Измерение координат X и Y и произвольной точки струи
Ценность виртуальной лабораторной работы состоит в том, что можно выполнять исследования для диапазона изменения параметров истечения по тем или иным соображениям нецелесообразным в реальном эксперименте
Для того, чтобы результаты лабораторной работы совпадали с предполагаемыми экспериментальными данными можно заложить в электронный контент регрессионные соотношения по полученным раннее экспериментальным данным. Это позволяет осуществить интерполяцию результатов на диапазоны варьирования параметров истечения предполагаемые к реализации в разрабатываемой конструкции.
Литература:
1. , Бриденко лабораторный практикум по курсу «Механика жидкости и газа»: Учебное пособие. – СПб.: ГИОРД, 2007.-152 с.
