Компьютерные модели лабораторных работ

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 62.50

Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Компьютерные модели лабораторных работ

М. Ю. Токарев Токарев Михаил Юрьевич, студент ИрГТУ, , email: maikl 1107@mail.ru., В.В. Виноградов Виноградов Владимир Владимирович, студент ИрГТУ, , email: vvv158@mail.ru.

Аннотация

анимационный компьютерный лабораторный самостоятельный

Представлены анимационные компьютерные модели лабораторных работ по курсу «Процессы и аппараты химической технологии». Эти модели позволяют наблюдать за протеканием на экране дисплея компьютера изучаемого процесса, изображение которого максимально приближено к реальному процессу, и определять необходимые данные для дальнейших теоретических расчетов. Такие модели могут использоваться студентами для выполнения лабораторного практикума, как тренажеры для самостоятельной подготовки к выполнению работ на реальных установках или для закрепления теоретических знаний.

Ключевые слова: модель, компьютер, процесс, лабораторная работа, анимация.

Annotation

In the article there are presented animated computer models of laboratory works at the discipline «Processes and devices of chemical technology». These models enable to observe the under study process, which imaging is maximal close to reality, on a computer monitor and to define necessary data for the further theoretical calculations. These models can be used by students for performing laboratory practical works, as training simulators for independent preparation for the performing of works on real installations or for attaching theoretical knowledge.

Key words: model, computer, process, laboratory work, animation.

Подготовка специалистов для химических производств связана с изучением дисциплины «Процессы и аппараты химической технологии». Важнейшей её частью являются лабораторные работы, постановка которых сопряжена с многочисленными трудностями. Для постановки работ, кроме разработки лабораторных моделей, требуются существенные материальные и энергетические затраты, соответствующие инженерные и электрические сети, обслуживающий персонал, значительные площади, методическое обеспечение, контроль за состоянием оборудования, поверка измерительных приборов и многое другое. Подготовка к выполнению лабораторных работ осуществляется только теоретически по методическим указаниям, часто в часы, отведенные для их выполнения [1].

По заданию кафедры химической технологии неорганических веществ и материалов нам было поручено под руководством профессора Н.М. Самохвалова и доцента С.А. Сенотовой создать программный продукт, позволяющий осуществлять демонстрацию ряда гидродинамических процессов и замену натуральных лабораторных установок компьютерными моделями. Модель должна внешне соответствовать реальной установке и позволять получать опытные данные, необходимые для теоретических расчетов.

Используя программу «Delphi» была разработана компьютерная модель лабораторной установки «Изучение кинетики гравитационного осаждения». Сущность данной работы заключается в экспериментальном измерении скоростей осаждения твердых частиц в различных жидкостях под действием силы тяжести и дальнейшее их сравнение с рассчитанными по теоретическим уравнениям скоростями осаждения. На рис. 1 представлен пример программы компьютерной модели этой лабораторной работы.

Рис. 1. Фрагмент работы «Изучение кинетики гравитационного осаждения» на дисплее компьютера

Программа позволяет работать с тремя жидкостями - водой, маслом и глицерином, которые имеют различные физико-химические свойства.

В ходе выполнения лабораторной работы могут использоваться твердые частицы шарообразной формы из алюминия, свинца и стали размером 1, 2 и 5 мм. Для выполнения работы необходимо в рамке 1 выбрать среду, в рамке 2 выбрать материал частицы, а в рамке 3 - размер частиц. При этом на экране появятся соответствующие надписи, а на рисунке - колонка голубого цвета для воды, для глицерина - белого, а для масла коричневого цвета и частица соответствующего размера.

После нажатия кнопки 5 «Старт» частица начнет осаждаться. При работе студент фиксирует время начала и окончания осаждения. Используя высоту столба жидкости, которая указана на рисунке, определяется опытная скорость осаждения. Эта скорость будет соответствовать реальной для выбранных условий осаждения.

Попытка использовать программу «Delphi» для других лабораторных работ не дала положительных результатов из-за сложности привязки анимации ко времени и трудоемкости программирования анимации. Более удобной оказалась программа «ADOBE FLASH CS3». С помощью этой программы созданы компьютерные модели лабораторных установок «Исследование режимов течения жидкости» и «Истечение жидкости из насадков». Эти работы могут быть использованы также для изучения курса «Гидравлика». Компьютерная модель лабораторной работы «Исследование режимов течения жидкости» представлена на рис. 2.

Рис. 2. Управляемая установка для исследования режимов течения жидкости

Цель работы заключается в установлении режима течения жидкости в зависимости от ее степени перемешивания в потоке. Это состояние определяются соотношением сил инерции и вязкости, действующие в потоке жидкости. При плавном течении без перемешивания превалируют силы вязкости. Такое течение называется ламинарным. Когда в потоке силы инерции существенно преобладают над силами вязкости, течение называется развитым турбулентным и сопровождается интенсивным перемешиванием среды во всех направлениях. В области между ламинарным и турбулентным течением существует переходный режим умеренного перемешивания. В работе режим течения определяется визуально по состоянию краски, перемещающейся в потоке жидкости по стеклянной трубке. Если краска не перемешивается, то течение ламинарное. Если краска размывается по сечению трубки, то течение турбулентное.

В предлагаемой компьютерной модели (см. рис. 2) вода по трубопроводу 1 поступает в расходный бак 9. Подача воды регулируется краном 11. Для предупреждения переполнения и поддержания постоянного уровня жидкости в баке установлена переливная труба 10, которая соединена с канализацией 2. Из расходного бака 9 вода по стеклянной трубке 7 поступает в промежуточную емкость 6 и сливается из нее через регулировочный кран 5 в мерный бак 4. Из бака 4 вода через кран 3 сливается в линию канализации 2. Из бюретки с краской 8, через кран 12, краска по тонкой трубке поступает в стеклянную трубку 7. Температуру воды (для нахождения вязкости) определяют по термометру 13. При выполнении работы на модели все эти действия анимируются на экране дисплея. Управление потоками осуществляется поворотом соответствующих рукояток кранов и вентилей.

При выполнении работы устанавливается несколько различных положений ручки крана 5, которые соответствуют различным скоростям течения жидкости. При каждом положении ручки крана 5, визуально фиксируется состояние подкрашенной струйки жидкости в стеклянной трубке 7. При ламинарном течении эта струйка на перемешивается и движется в виде плавной линии. При турбулентном течении струйка колеблется и пульсирует. Затем закрывается вентиль 3 и засекается время заполнения мерного бака 4 от нижней, до верхней метки. После окончания работы необходимо слить воду, открыв краны 3, 5, 14, а кран 11 при этом закрывается.

Зная размеры бака и время его заполнения, рассчитываются расход, скорость течения жидкости в стеклянной трубке и, в конечном итоге, критерий Рейнольдса, величина которого определяет режим течения жидкости. Сравнивают визуальные наблюдения с результатами расчета.

Рис. 3. Структура программы

Вся программа лабораторной работы состоит из 10 слоёв и 9 кадров в каждом слое (рис. 3).

В каждом слое присутствует своя программа, которая отвечает за определённые действия и поведения анимации. Структура программы показана на примере четвертого кадра. На рис. 4 видно, что лабораторная работа состоит из 9 кадров, в каждом своя программа, в которой есть кнопки, анимации, клипы и даже просто рисунки.

Рис. 4. Пример программы модели установки для исследования режимов течения жидкости

На аналогичном принципе разработана компьютерная модель лабораторной установки «Истечение жидкости из насадков». Её компьютерная модель представлена на рис. 5. Установка состоит из напорного резервуара А-1, питающего трубопровода с вентилем В-1, сливного трубопровода с краном В-2, водомерного стекла (4), насадков (3), укреплённых на кране В-4 в отверстии на боковой стенке резервуара А-1, расходомерного бака А-2 со сливным краном В-3. Длина расходомерного бака А-2 - 1,25 м, ширина 0,38 м. Внутренний диаметр напорного бака А-1 - 0,38 м.

Цель работы состоит в определении коэффициента расхода жидкости при истечении жидкости через отверстия и насадки при постоянном напоре и времени истечения жидкости при переменном напоре. Работа основана на использовании уравнения Бернулли.

В ходе выполнения работы открывается вентиль В-1 и в баке А-1 устанавливается постоянный напор жидкости. Открывается вентиль В-4 и вода сливается через насадок в бак А-2 до установленного отметкой уровня. Одновременно с открытием вентиля В-4 фиксируется время наполнения бака А-2 до установленного уровня. По окончании опыта бак А-2 опорожняется через вентиль В-3. После этого закрывается вентиль подачи воды В-1 и вода из бака А-1 сливается от напора Н₁ до напора Н₂. При этом измеряются объем и время заполнения бака А-2. После этого вода из бака А-2 сливается через вентиль В-3. Все эти действия анимируются на экране дисплея компьютера.

Рис. 5. Установка «Истечение жидкости из насадков»

Цель работы состоит в определении коэффициента расхода жидкости при истечении жидкости через отверстия и насадки при постоянном напоре и времени истечения жидкости при переменном напоре. Работа основана на использовании уравнения Бернулли.

В ходе выполнения работы открывается вентиль В-1 и в баке А-1 устанавливается постоянный напор жидкости. Открывается вентиль В-4 и вода сливается через насадок в бак А-2 до установленного отметкой уровня. Одновременно с открытием вентиля В-4 фиксируется время наполнения бака А-2 до установленного уровня. По окончании опыта бак А-2 опорожняется через вентиль В-3. После этого закрывается вентиль подачи воды В-1 и вода из бака А-1 сливается от напора Н₁ до напора Н₂. При этом измеряются объем и время заполнения бака А-2. После этого вода из бака А-2 сливается через вентиль В-3. Все эти действия анимируются на экране дисплея компьютера. Время заполнения бака А-2 на дисплее компьютера фиксируется студентом вручную, а объем жидкости рассчитывается исходя из уровня наполнения бака А-2 и заданных размеров этого бака. По результатам замеров рассчитываются коэффициент расхода и время истечения жидкости через установленный насадок в соответствии с методическими указаниями к лабораторной работе.

Разработанные компьютерные модели можно использовать вместо реальных лабораторных установок. Полученные на моделях опытные данные можно использовать для сравнения с теоретическими результатами расчетов. При наличии реальных лабораторных установок эти модели можно использовать как тренажеры для самостоятельной подготовки к лабораторным занятиям и закрепления теоретических знаний.

Библиографический список

1. Руководство к практическим занятиям в лаборатории процессов и аппаратов химической технологии / под ред. П.Г. Романкова. 6 изд, перераб. и доп. Л.: Химия, 1990. 272 с.

Размещено на Allbest.ru