基于CDIO理念的组装式流动原理实验系统”由东北石油大学机械科学与工程学院张颖教授设计并制作完成。
CDIO代表:构思(Conceive)、设计(Design)、实现(Implement)、运行(Operate),以产品的研发到运行的生命周期为载体,让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程,是近年来国际工程教育改革的最新成果。为使学生的素质得到全面提升,提高流动原理实验课程教学的效果,根据CDIO理念对流动原理实验台进行了创新,采用模块化设计方法,设计一套涵盖实体实验台和虚拟实验系统的流动原理实验系统,实现实验系统的功能集成化和结构小型化。
实体实验台集合了以往多种大型、固定式流动原理过程实验台的功能,变分散的单功能设备为集中的综合性设备。流动原理实验课程的实验主要包括:沿程阻力实验、局部阻力实验、管路串并联实验、雷诺实验、泵的性能曲线测试实验、流量计标定实验等。通过这些实验已有的实验系统进行实验工艺流程及系统的结构的分析,将每一实验系统进行细致的模块划分,从而找到各个实验系统的结构和功能上的重复部分和不同之处。其中,结构相似或相同的部分形成一个模块,功能相同的部分也可以形成一个模块。通过对这些已有实验系统的分析,采用上述模块化设计方法,对工艺流程进行模块化分解,共分为四个主模块:管路连接模块,测量模块,动力模块和实验台模块。
实验台模块尺寸为500mmx300mmx550mm,可满足整个实验系统的收纳和管路支撑需要。实验台箱体底部装有万向轮,使箱体便于携带。管路连接模块包括管件、阀门和快接接头。管件模块分为主管路管件和辅管路管件。为便于观察实验现象,主管路的材质都选用透明的有机玻璃,主管路是用于完成各实验项目参数测量的管件。辅管路模块是用于完成实验装置搭建时管件长度的补充作用。
该基于CDIO原理的组装式流动原理实验系统设计选型并制作完成后,选取了六项流动原理基本实验,分别是:沿程阻力损失实验、局部阻力损失实验、管路串并联实验、雷诺实验、泵的性能曲线测试实验和流量计标定实验对该实验系统的可操作性和实验结果的可靠性进行验证。
经过六项基本实验的反复测定,证明该实验系统达到了设计目的。验证发现,该实验系统实验精度高,结构优化,资源得到充分利用,适用范围广,且经济实惠,是当前仪器研制发展的方向。在装置结构上,具有简捷、合理,易安装,易维修等优点。既满足了实验教学的需要,又照顾到了工程教育的特点。在操作上,具有操作方便、简单易学的特点。并且设备的性能稳定,测量仪表的量程范围选取适当,读数波动小。该基于CDIO理念的组装式流动原理实验系统集多套实验装置的特点和功能于一身,拓宽了实验内容,使其资源得到了更充分利用;在占地面积上大大缩小,在资金投入上也大大降低。此套装置不仅在设计上有所创新和突破,而且在其实验装置的性能和功能上也达到了各实验的基本要求,此外,还基于LABVIEW软件开发了配合实验台使用的虚拟实验系统,充分利用计算机自身资源,能够真实反映实验效果、满足学生自由交互实验、涵盖理论学习和虚拟实验。利用该系统,学生可以不受时空限制、不限次数地进行实验。该系统的使用极大地解决了实验场地局限等问题,提高了实验设备使用率,在帮助学生学习流动原理知识方面发挥了很好的作用。
目前,该实验系统已经应用于东北石油大学过程原理及设备实验课程的教学活动中。