动态交互性流体力学虚拟实验室

　　1　引言

　　流体力学是研究流体平衡和机械运动规律的一门学科,是许多专业重要的技术基础课程。该课程中涉及到的公式推导、抽象型概念较多,使得教师在讲授这门课程以及学生学习时难度较大,容易产生枯燥的情绪,并且实践性强,实验较多。通过实验教学,可以增强学生的感性认识和实际动手技能,进一步培养学生分析问题和解决问题的能力,为学生今后从事研究工作打下基础。流体力学系列实验包括:水静压强测定、流线演示实验、伯努利方程实验、动量方程实验、雷诺实验、管道沿程水头损失实验、管道局部水头损失实验、文丘里实验、风洞实验和风管实验等。但由于种种条件的限制,一般学校开设的流体力学实验数目较少,而且在实际实验中难以观察实验现象,使得学生学习本课程时有较大的局限性。

　　自进入20世纪90年代以来,以多媒体和Internet为标志的新的信息技术革命在很大程度上解决了目前日益增长的现代教育的要求。组建远程虚拟实验室能够解决实验仪器数量的不足以及实验场地、课时数的限制,学生进行实验可受时间和地点的约束,从而大大提高实验教学的伸缩性和适应性。国外已有为数众多的大学开辟了网络虚拟实验室,学生可通过互联网登录并访问实验室服务器的信息资源,完成各种仿真模型的实验[1-4]。虚拟实验并不能完全代替传统的在实验室内进行的的真实实验,然而真实仪器的本地实验或远程实验只能在满足实验仪器条件的范围内进行实验。

　　真实实验和计算机仿真实验系统协调地结合,可以扩展实验内容、节省实验时间、提高实验教学人员的综合素质和工作效率,而且对提高学生创造性和动手能力都十分有利。由此,对流体力学虚拟实验室进行研究,弥补传统实验的不足。

　　2　虚拟实验室的建构

　　实验课程的学习一般具有如下要求:加深学生对基础理论,基本知识的理解,掌握分析实验技能和基本操作,提高观察、分析和解决问题的能力,搞清楚将要使用的实验装置和仪器仪表的基本原理和操作方法等,给学生提供一个理论联系实际的机会。虚拟实验室的建构模型对于虚拟实验的实验效果非常重要,本文将建立动态交互性3D流体力学虚拟实验室。

　　2.1　建构模型

　　流体力学虚拟实验室的建构以实验课程的学习要求为基础,其建构模型如图1所示。输入参数和输出结果要突出实验的基础理论和基本知识;输出结果具有多种形式,如输出数据、图表、图像或2D动画等,以最大的信息量表示实验特征和实验现象等; 3D模型为实验提供真实的实验环境,有利于学生了解实验仪器,增强实验效果。此外,该虚拟实验室具有动态交互性,即对象之间具有双向信息传递的方式。