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基于循环水洞设备的实验研究 超空泡流场创新实验研究 超空泡流场创新实验的教学目的有如下几方面。(1)加深学生对超空泡理论及应用技术的认识。(2)掌握超空泡模型水洞实验模型安装、测试系统、通气系统使用等实验技术。获得超空泡流场实验数据，了解不同实验参数情况下，超空泡流场的变化规律及特殊物理现象。(3)使学生完整参与包括前期设计在内的整个超空泡问题科研实验过程，培养学生创新开拓的能力。该创新实验工作量很大，涉及多相流体力学、实验相似理论等学科知识，以及多个大型实验设备及模型系统。如果由学生完成整个实验过程，则应将其作为大学生科技创新选题，或本科生毕业设计题目，选题方向为超空泡航行体的理论研究、应用技术或水洞实验技术，可以是教师在科研中遇到的具体问题，也可以是学生在文献学习中想到的问题。视题目设计难度的不同，整个周期2～4个月。该创新实验的准备工作也可以由教师完成，学生只完成一次现场实验。这种情况下，可将该实验设计为流体力学理论课程中的创新实验学时，一次现场实验约需4学时。无论采用哪种教学模式，其基本的实验准备工作和现场实验设计是类似的。下面以4学时创新实验为例，介绍具体的实验设计。2．1实验前准备工作如不进行LDV测速和天平测力，前期准备工作包括以下几个部分:(1)水洞实验模型设计和加工;(2)通气控制系统调试;(3)高速摄像系统调试;(4)水洞循环水过滤，水洞电气系统、控制系统调试。其中水洞实验模型设计和加工工作周期很长，无法在教学实验中实施。在实际教学实验中，预先设计和加工了多套模型，每套模型中又加工了尺寸和几何形状不同的多套可更换部件。在课上实验工况确定过程中，学生根据其掌握的文献资料和计划实现的空泡效果，对模型和部件进行选择和组合。水洞本身的工作，如循环水过滤、电器系统调试等，因其周期较长以及安全等因素，由教师在实验前完成，学生不参与。通气控制系统和高速摄像系统的硬件设备由教师在实验前准备，操作规程需要学生提前预习。2．2创新实验教学设计前期准备完成后，即可安排现场创新实验。整个实验过程中，需教师2名(一名操作水洞设备，另一名现场指导与安全保障)，直接参与实验过程的学生8名，其中2名学生负责组装模型，并将模型安装到水洞工作段;2名学生负责操作通气控制系统，并记录通气参数;2名学生负责操作高速摄像系统，并调整摄像照明;2名学生负责协调各系统工作，并发出控制口令。其他学生现场观摩，也可以根据情况临时调换。完成整个实验约需4学时，前两个学时为现场学习和准备实验阶段，首先由指导教师现场提问，考察学生预习情况确定直接参与实验操作的8位同学，然后由同学们讨论完善实验大纲，主要包括模型及可更换部件的选择、实验工况确定等。接下来需要同时开展的工作有:通气控制系统和高速摄像系统现场调试、模型安装、熟悉实验流程、实验过程预演等;模型安装完毕后，需20分钟使水位上升至汽水分离罐中部(实验水位高度)。第3学时为正式实验阶段。工作段流速分别调整至实验大纲设计的流速，每个流速状态稳定后，调整通气量，分别得到无通气自然空化、局部空泡初生、局部空泡发展、超空泡等各状态，待各自状态稳定后，手工记录通气参数、水洞参数、模型参数;同时启动高速摄像机记录流场状态，观察并分析空泡稳定性、尾部回注射流等流场特性。该阶段需特别提醒学生注意观察生动的超空泡流场现象。第4学时为整理阶段。填写实验数据记录表格，整理实验数据，拆卸模型，保养实验设备。课后每位学生独立完成数据处理(主要内容有:实验现象解释分析，典型空泡形态测量，形成实验曲线，分析获得实验规律等)，撰写实验报告。某次实验过程中，观测到的空泡形态随通气参数变化规律如图6所示，超空泡的溃灭过程如图7所示。从图6中可以看出，当无通气情况下，航行体表面无空泡，只在其头部有雾状自然空化产生;当通气率达到1．563时，头部局部空泡尺度增加，但是仍处于不透明状态，其后部有雾状气团脱落;当通气率达到2．813时，生成了透明的，覆盖航行体大部分表面的超空泡，只有尾部部分区域仍处于沾湿状态;当通气率继续增加，超空泡尺度进一步增大，覆盖包括尾翼在内的全部表面。从图7可以看出，当停止通气后，超空泡没有马上溃灭，而是伴随着强烈的回注射流，空泡长度逐渐减小;当仅余一半长度后，突然破灭，退化到雾状空化状态。 实验效果、经验与改进思路 实验教学是高校教学中非常重要的组成部分。实验教学有利于提高学生的实验实践能力，培养学生的学习兴趣和创新意识［9］。流体力学是一门抽象、复杂且基于实验的科学，其知识点繁多，难于理解和掌握，流体实验是观察流体现象、促进理解和掌握理论知识的重要方法和手段［10］。本创新实验采用大型流体实验设备———超空泡循环水洞，将国际上流体研究热点方向———超空泡问题引入教学环节，取得了很好