Micro-PIV在工程流體力學教學中的應用

郭平業(yè) 高愷 王蒙

摘 ?要：介紹了Micro-PIV工程流體力學教學過程中的應用。主要從以下3方面進行介紹，1.Micro-PIV的技術原理以及試驗裝置;2.Micro-PIV在裂隙滲流領域的應用情況;3.如何把Micro-PIV的試驗相關案例與目前的礦業(yè)類工程流體力學教學相結合。

關鍵詞：Micro-PIV;裂隙滲流;教學案例

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2019）12-0111-03

Abstract： The application of Micro-PIV in fracture seepage teaching is introduced. This paper mainly introduces the following three aspects： 1. the technical principle and current research progress of Micro-PIV; 2. application of Micro-PIV in fracture seepage field; 3. how to combine the Micro-PIV experimental cases with the current fracture seepage teaching.

Keywords： micro-PIV; fracture hydrology flow; teaching case

一、概述

目前的《流體力學》課本大部分都圍繞著土木，水利等學科為背景，課本中的相關實驗和題目也都以此為基礎展開，其教學應用的部分很少涵蓋采礦工程和安全工程等學科的專業(yè)領域。

為了針對學校的礦業(yè)類重點專業(yè)特色，中國礦業(yè)大學（北京）圍繞礦業(yè)相關專業(yè)，開展了32個學時的《礦業(yè)類工程流體力學》這門課程，構建突出礦業(yè)工程特色的《流體力學》課程體系。重點便是結合礦業(yè)類專業(yè)在實際礦業(yè)工程中特有的學科特點與傳統(tǒng)的流體力學課程相結合[1]。在流體力學基本理論的基礎上，將流體力學在礦業(yè)工程領域常用的案例添加到相應章節(jié)，重新構建流體力學課程體系規(guī)劃框架。這是流體力學教學改革的基礎和重要環(huán)節(jié)[2，3]。而流體力學在礦業(yè)工程領域常用的案例的其中之一便是觀測流體在裂隙-孔隙型多孔介質地質體中微觀條件下的滲流現(xiàn)象。

微觀條件下的滲流現(xiàn)象在實際生活中非常普遍， 同時在工程中起著非常重要的作用。但是目前對于微觀條件下的滲流現(xiàn)象的研究還停留在很淺的一個階段。這是因為在具體的研究過程中遇到了許多的困難，其中一個很棘手的問題便是如何直觀的觀測到微觀條件下的滲流現(xiàn)象。這也就在研究中需要采用更先進的技術和設備。

顯微粒子圖像測速技術（Micro-scale particle image velocimetry， Micro-PIV）是上世紀90年代發(fā)展起來的一種針對微觀流動測量與顯示的技術，其有效測量的尺度范圍為0.1～100μm，且可以達到非常高的分辨率，這也就使其成為了目前研究微觀滲流現(xiàn)象的一種很受歡迎的選擇并獲得了廣泛的關注。[4，5]。

二、Micro-PIV的技術原理和試驗裝置

Micro-PIV粒子圖像測速原理如下：在流體中加入示蹤粒子，用激光對示蹤粒子進行照明和追蹤。再用CCD相機拍下示蹤粒子的照片，根據(jù)照片以及照片拍攝之間的時間間隔，由計算機生成相關的速度場圖像。

Micro-PIV 測速技術的系統(tǒng)組成如圖1所示，其中主要部件有脈沖激光器、CCD 相機、同步控制器、倒置顯微鏡和微流動器件。Micro-PIV 系統(tǒng)實物圖如圖2，3，4 所示。

三、Micro-PIV在裂隙滲流領域的應用

在裂隙滲流領域中，裂隙的高速非達西滲流情況一直是目前的裂隙滲流領域研究中的重點和難點問題。其中的一個關鍵點便是如何實現(xiàn)裂隙高速非達西滲流的可視化。而Micro-PIV技術有著準確度高，放大倍數(shù)高等優(yōu)點為此提供了一個解決方案。

圖5即為通過Micro-PIV系統(tǒng)觀測到的某裂隙在不同流速下孔腔內的流動情況，其中可以看到隨著流速的增加，腔內有很明顯的渦流出現(xiàn)，并且渦流的面積很大。圖6為多支道交叉情況下裂隙的速度場圖像，其中上下兩條裂隙通道被人為關閉，中間的裂隙通道開放，在其中可以很直觀的看到，上下兩裂隙通道與主通道的交界處有回流以及渦流現(xiàn)象，與圖5相比圖6部分區(qū)域放大后可以看到更加明顯的渦流以及回流的情況。

四、Micro-PIV實驗案例與礦業(yè)類工程流體力學教學的結合

在目前的流體力學教學中，多以理論教學為主，實驗教學為輔。而如何讓學生成功把理論融會貫通，則需要相對應實驗教學的保證[6]。而受限于目前的技術等原因，實驗中得出的結果并不能直觀地反映出裂隙滲流的流態(tài)與流速場的情況。Micro-PIV技術則能很好地解決這一問題。

將Micro-PIV對裂隙達西-非達西流的滲流情況試驗作為一個典型的教學案例加入到目前流體力學的教學中可以有效地改善目前礦業(yè)類工程流體力學教學中所暴露出來的問題，即如何更加直觀地通過實驗讓學生們理解理論知識。通過讓學生們了解Micro-PIV的原理和試驗設備，學習Micro-PIV系統(tǒng)設備的操作，進行裂隙滲流的試驗，觀察所得出的實驗圖像，分析實驗結果，與所學理論知識進行比較;這一循序漸進的步驟，可以讓學生們更加直觀深刻地理解裂隙滲流的具體演變情況。分析流動現(xiàn)象，結合流態(tài)判斷與流體力學課程中的雷諾數(shù)，立方定律、高速非達西滲流等知識點與現(xiàn)象都結合在課程的實驗中讓學生在其中達到融會貫通的效果。

五、結束語

Micro-PIV對裂隙達西-非達西流的微尺度滲流情況試驗這一案例也僅僅是眾多裂隙滲流試驗中的一個。將Micro-PIV運用到更多的試驗中，充分發(fā)揮其優(yōu)勢來豐富目前的教學也是未來教學的重點。而將Micro-PIV的實驗案例引入教學也是對傳統(tǒng)教育方法的一次嘗試性的改革，為傳統(tǒng)教學注入新的生機和活力。針對于傳統(tǒng)教育重理論，但教學內容僵化的特點，取其精華去其糟粕。讓傳統(tǒng)教學模式與更多的新技術，新科技接軌，讓學生能接受到更加直觀清晰，立體而多元化的教學。這才是流體力學學科教學改革的根本宗旨，同時也是響應國家深化教育改革的號召[7，8]。通過實際的教學實踐表明，該方法能較大程度提高教學效果，提高學生的主觀能動性，同時也為探索相似的課程教學改革提供了新的方向與經(jīng)驗。

參考文獻：

[1]林龍沅.安全工程專業(yè)流體力學課程教學實踐探析[J].中國科教創(chuàng)新導刊，2011（26）.

[2]馮軍發(fā)，李海軍，金志遠，等.突顯礦業(yè)工程特色的流體力學課程案例式教學改革與實踐[J].高教學刊，2018，85（13）：142-144.

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[7]朱克勤，任仲泉.關于美國幾所著名高校的流體力學新生研討課[J].力學與實踐，2016，27（01）：78-80.

[8]賈永霞.創(chuàng)新性實驗教學的探究與實踐[J].實驗室研究與探索， 2018（12）：206-208.