动力机械虚拟仿真实验系统需求说明

动力机械虚拟仿真实验系统需求说明围绕基于WEB的流体力学虚拟仿真实验，流体力学核心理论与工程应用，集成流体虚拟仿真云平台、能量转换及流动特性分析功能，覆盖从原理演示、基础验证到综合设计创新的教学需求，核心功能包括：（1）基于WEB的流体力学虚拟仿真；（2）流动、流谱、水击、空化、紊动和三维漩涡演示；（3）伯努利方程、动量定律、流体动阻力测定和流体静压强实验；（4）观察总水头线与测压管水头线，了解流体流动中能量损失的变化规律；（5）精确测量动量修正系数；（6）设计变水位对喉管真空度影响、管嘴出流动量修正因数与边界层厚度测量；序号标的名称数量单位要求1动力机械虚拟仿真实验系统1套1.总体要求1.1基于WEB的流体力学虚拟仿真实验，实验交互操作，实验数据实时仿真、动画反馈，具有实验提示、错误纠正功能，提供永久多用户登陆账号，满足200人以上同时登录网络WEB和网上交互操作实验要求；1.2动力与供水系统：水泵功率限制在≤500W，如配备自循环供水功能则确保供水流量稳定在0~500mL/s特定区间内；1.3台式设备配套专用实验桌；1.4测量类设备流量测量精度控制在≤1%F.S.内；1.5触摸屏系统设备：测量与显示系统上传感器精度≤1%F.S.，触摸屏≥10英寸、分辨率≥1024*600；1.6伯努利方程与动量定律实验嵌入式实验仿真测控软件配置动态可视化全虚拟仿真人机交互动画界面；1.7演示类设备演示效果优良；1.8测量类设备配置实验数据处理软件；1.9全套设备配套实验指导书和教材；2.组件2.1基于WEB的流体力学虚拟仿真实验平台1套：含WEB网络版流体力学虚拟仿真实验CAI与流体力学水力学实验数据处理WEB网络版2套系统各9项实验（分别为流体静力学实验、伯努利方程实验、文丘里实验、雷诺实验、动量定律实验、孔口管嘴实验、局部水头损失实验、沿程水头损失实验和毕托管测速实验）、单机运行的明渠生态水工虚拟仿真软件系统3项实验（分别为鱼道虚拟仿真系统、船闸虚拟仿真系统、分层取水口虚拟仿真系统）；(1)WEB网络版流体力学虚拟仿真实验CAI1)提供永久多用户登陆账号，无需下载APP，直接通过客户端的IE浏览器上网，登录流体力学实验虚拟仿真CAI网站云平台，进入“流体力学”板块即可操作虚拟仿真实验，并具有使用用户名、密码登录界面选择实验项目的实验用户安全管理功能；*2)每项实验系统均包含仪器仿真，动态操作界面、实验原理、数据采集、成果分析、操作指南和问题解答，非录像演示，真正用户体验交互操作，具有实时仿真实验数据、动画反馈功能，针对有测压管读数的实验可仿真带镜面反射校准的测压管标尺读数测量操作并实现三点一线镜面反射校准的人眼测量；3)每项虚拟仿真实验操作过程均具有实验提示、错误纠正功能；4)所附实验原理和问题解答除用文本形式外均以多媒体动画和录像形式给出，形象生动、简单易懂，可供学生实验预习与答疑；5)实验数值仿真可靠，操作过程仿真实际实验并能超越真实实验仪器的局限，自行更改设定实验管径；6)实验成果分析以表格形式显示，符合实验报告要求，表格中每次实验成功纪录数据与仿真实验交互界面输入的实验条件、常数和流量、测压管水头等动态测量数据能一一对应记录，并具有图像曲线分析自动处理功能，记录的测量数据、计算分析结果和图像曲线仿真实际实验有随机误差带来的仿真测量误差且完全符合流体力学公式和原理；(2)流体力学水力学实验数据处理WEB网络版1)提供永久多用户登陆账号，无需下载APP，直接通过客户端的IE浏览器上网，登录流体力学实验虚拟仿真CAI网站云平台，进入“数据处理”板块即可进行实验数据处理；2)各项实验数据处理具有每次实验数据输入后的记录存盘、历史记录读取、实验记录修改删除功能，在计算机端浏览器打开时具有实验记录表格、计算数值表格、实验数值分析曲线图的打印输出功能；3)各项流体力学实验数据处理符合实验教材的报告要求，实验数据处理和曲线图形绘制正确；(3)明渠生态水工虚拟仿真软件系统1)明渠生态水工虚拟仿真软件系统包括鱼道虚拟仿真系统、船闸虚拟仿真系统、分层取水口虚拟仿真系统3个虚拟仿真实验模块，软件配置安装运行包，能在Windows10以上版本的单机电脑系统中安装运行；2)鱼道虚拟仿真系统*2.1)支持5种以上洄游类鱼、3种不同结构鱼道选择及不同种鱼类过各鱼道的3D动态显示，具有诱鱼区域、鱼道观察室等设施布置实验操作学习功能；2.2)具备水库大坝和鱼道的整体结构布局的3D结构显示及鱼道多种基本设施的设置；*3)船闸虚拟仿真系统：具备整体河道、大坝和双向5级船闸通航河道的详细各项设施3D仿真结构学习，具有船只过闸动态模拟、闸室水位变化过程3D动态演示、船只过闸实际音效等功能；4)分层取水口虚拟仿真系统*4.1)具备参照实际工程的三维仿真结构分层取水口场景展示，支持库水随深度、温度变化颜色分层标识显示，具有不同水深、温度测量功能，支持取水口位置仿真调节和3层及以上分层取水口组合下泄调节；*4.2)分层取水口实验仿真能测量混合下泻后的水温，测量的温度数据、混合后的水流流量数据、颜色变化数据基本符合分层取水混合后的水工计算模型；5)软件设置模块：实验原理、注意事项、设备系统简介和三维仿真实验操作；6)采用3D虚拟仿真技术进行实验场景仪器运行操作，水流动画形象逼真、运行流畅并真实展示整个实验过程；画面使用“画中画”的动画放大技术并具有良好的交互性；虚拟仿真软件无需下载插件且能提供电脑端APP，单机即能运行，具有网络端云平台直接升级扩展功能；7)学生可直观了解实验系统、原理、功能并对设备重要部件触碰会高光显示并带有文字注释；2.2自循环流动演示实验仪1套(1)主要实验功能1)能显示不少于30种流谱图案及相关原理，包含但不限于以下湍流流动图谱：逐渐扩散、逐渐收缩、突然扩大、突然收缩、壁面冲击、直角弯道、文丘里流量计、孔板流量计、圆弧入口管嘴流量计、壁面冲击、圆弧形弯道、30°弯头、直角圆弧弯头、直角弯头、45°弯头、非自由射流、分流、合流、YF—溢流阀、闸阀、蝶阀、明渠逐渐扩散、单圆柱绕流及卡门涡街、多圆柱绕流、明渠渐扩、桥墩形钝体绕流、流线体绕流、正反流线体绕流、边界层分离、射流附壁；2)“双稳放大射流阀”流动原理显示，包括射流附壁效应、边界层分离等；3)分析进出水口、蝶阀、闸阀等阀门的过流阻力、受力情况及震动原因等；4)分析卡门涡街水力特性；5)分析局部水头损失机理及其与边界形状的定性关系；6)显示实际厂房结构建筑物的过流流动图谱；(2)主要配置及要求1)狭缝流道为显示屏面、水为工作流体、空气泡为示踪介质，由显示屏、水泵、掺气装置、供水箱、电光源等组成，含工程常见的各种流场；2)调频水泵，流速PWM数字型无级可调，外壳由安全可靠ABS全封包绝缘；3)无级可调掺气装置，掺气量多少及气泡大小均可调；4)8台分体壁挂式自循环装置，单台主要部件包括双向配置T4平面片光源、有机玻璃流道、彩色有机玻璃机体、显示屏、亚光后罩；5)配有能模拟实际建筑结构的显示屏面，可模拟带有门、窗、货架和房顶无动力风帽的厂房结构的空气过流流动流场，其中门和窗户的过流通道可以打开和关闭；2.3自循环流谱流线演示实验仪1套(1)主要实验功能1)以自循环多流道组成显示屏、以化学溶液为工作流体，流、迹线由电控染色显示，经显示屏后能自动消色，可长期自循环工作；2)演示机翼绕流及升力方向的流线和迹线、十余种势流图谱与相关原理，如圆柱绕流的流线、迹线及流场驻点、源、汇的势流流谱；3)演示文丘里和孔板管流、逐渐扩散、逐渐收缩、突然扩大、突然缩小、明渠闸板和平面汇流的流线、迹线等势流流谱；(2)主要配置及要求：3台分体壁挂式自循环装置（10W/台），单台主要部件包括自循环供水装置、节能微型泵、流速调节器、发色电极、发色控制器、蓄水箱、T4光源、显示屏、狭缝形流道、玉白色有机玻璃机体；2.4自循环水击综合实验仪1台(1)主要实验功能1)水击现象：水击的产生和传播；2)水击危害：水击压强的定量观测；3)水击的利用：水击扬水原理、自然能水泵工作原理；4)水击危害的消除：调压井工作原理；(2)主要配置及要求1)采用有机玻璃制作的自循环供水系统及恒压水箱、实验管道、水击发生装置、测压装置、调压井、扬水机等；2)系统无锈蚀、低噪声，总功耗≤65W；3)供水最大流量300mL/s，实验管道流量0~200mL/s；4)配备最大水击升压≥20倍的工作水头与调压井模拟装置，调压井能消除水击升压的65%以上，扬水机扬程为作用水头的1.5倍以上；5)配套专用实验桌，规格（长*宽*高）≤1500*550*800mm,实木环保板材（非中纤板、密度板）；2.5自循环空化机理实验仪1台(1)主要实验功能：显示漩涡型、分离型及游移型等多种空化形态并可定量测量其汽化压强1)支持展示空化发生过程、现象及机理；2)支持展示流道体型对空化影响；3)支持展示空化管节流装置原理；4)支持展示常温水低压沸腾现象；(2)主要配置及要求1)采用有机玻璃制作的自循环供水系统及狭缝显示面、真空测压计、电光源等；2)具有渐缩渐扩流道、突缩渐扩流道、矩形闸门槽流道、防空化型闸门槽流道等4种边界不同的流道，可显示漩涡型、分离型及游移型等多种空化形态；3)具有利用空化区的低压抽吸作用使常温水沸腾的装置并可定量测量其汽化压强；4)具有灯光显影装置，空化现象清晰可见；5)喉道最大流速18m/s，最大真空度接近10m水柱；6)配套专用实验桌，规格（长*宽*高）≤1500*550*800mm,实木环保板材（非中纤板、密度板）；2.6自循环紊动机理实验仪1台(1)主要实验功能1)紊动发生机理的实验教学；2)自循环，紊动涡染色显示后又可自动消色；3)演示层流、波动形成与发展、波动转变为旋涡紊动的全过程；(2)主要配置及要求1)采用有机玻璃制作的自循环供水系统及剪切流道显示面、染色液容器、消色液容器、光源等；2)具备紊动涡染色显示后又可自动消色技术；3)抗腐蚀ABS全封闭防水绝缘安全外壳水泵，T4光源；4)供水最大流量300mL/s，实验管道流量0~200mL/s；5)配套专用实验桌，规格（长*宽*高）≤1500*550*800mm,实木环保板材（非中纤板、密度板）；2.7三维旋涡实验仪1台(1)可研究夹在两个旋转圆柱间缝隙中的粘性非牛顿流体、牛顿流体等，通过测量流体流速、温度、雷诺数、粘度研究不同角速度下的涡流的稳态，如环形涡、波状涡流、螺旋涡流等；(2)内筒直径30mm、外筒内径70mm、高度≥150mm，转速≥300rad/s，上下均有滚轴约束（保证内筒外径圆同心度偏差＜±0.02mm、旋转时涡流所在内外筒间隙20mm变形度＜±0.1mm）且外筒方便拆卸、更换和清洗装在筒内的粘性流体，配置高稳定转速控制的品牌伺服电机和控制器（转速波动≤±0.05%、响应时间＜1ms、17bit编码）及转速控制旋钮；(3)具备非畸变可视窗和黑色背景便于用激光PIV测量旋转液体流速、雷诺数；(4)具备针对圆筒内旋转实验流体的热交换温控系统，温控范围为室温~100℃、控温精度±0.5℃；(5)配置高精度动态扭矩传感器，非线性精度≤0.1%F.S.，采集速度≥2000次/s，能显示旋转扭矩和转速并配有上位机测量和数据采集软件；(6)配有整体落地、可调水平的防锈防腐实验台并配备电源、调速旋钮总控箱；2.8PLC触摸屏测控型伯努利方程综合实验仪5台(1)主要实验功能1)工业级高安全性PLC+触摸屏+嵌入式实验专用软件一体，实验流量、9支测压管压差水头值电测巡检数显与手测功能并存；2)定量测量实验：验证伯努利方程；3)定性分析实验：演示测压板直接显示的总水头线与测压管水头线、均匀流与非均匀流断面上动压强分布及沿程能量转换规律等；4)设计性实验：变水位对喉管真空度影响；(2)主要配置及要求1)集成化设计的工业级PLC触摸屏一体机作为实验专用数字巡检测控仪，≥IP55；2)≥10英寸真彩LCD触摸屏多路测量数据显示，全触摸式软控按钮，PLC触摸屏安全可靠；3)无需Windows等操作系统支持即可直接打开的专用嵌入式实验测控软件，配有安全保洁模块，具有限时自动关机及系统停止或一键关机后的延时自动打气排水保洁功能；4)嵌入式伯努利实验测控软件配置动态可视化全虚拟仿真人机交互动画界面，能与实体实验仪器虚实联动、动画仿真；具备完整实体伯努利实验自循环装置的全仿真结构，能仿真显示水泵旋转、恒压供水箱、液气转化测压筒水位变化动画、实验管水流和出流动画、在实际流量数据支持下的19路测压管水柱高度仿真变化动画；5)具备流量、压差满度自动校准和零点的数字化一键程控校准，9路测压管和实时流量数显精度≤1%F.S.；6)配有带巡回电测数显的排式多管测压装置，电测参考零点基准面误差＜0.5mm，可自动对各测压管排气排水；7)设备功率≤100W；8)采用有机玻璃制作的蓄水箱及恒压供水器、19路手测测压管、自循环供水、电动控制流量调节阀、全封闭防水绝缘抗腐蚀水泵；9)配套专用实验桌，规格（长*宽*高）≤1500*550*800mm,实木环保板材（非中纤板、密度板）；2.9PLC触摸屏测控型动量定律综合实验仪5台(1)主要实验功能1)具备工业级PLC+触摸屏虚拟仿真界面的数字型交互测控操作系统，实验流量、各水头值电测巡检数显与手测功能并存；2)定量测量实验：恒定总流动量方程验证、动量修正因数测定；3)定性分析实验：分析测力机构创新点、实验装置的灵敏度、v2x¹0对Fx的影响；4)设计性实验：管嘴出流动量修正因数与边界层厚度测量的创新研究实验；(2)主要配置及要求1)集成化设计的工业级PLC触摸屏一体机作为实验专用数字巡检测控仪，≥IP55；2)≥10英寸（≥1024*600）LCD工业级触摸屏配置，全触摸式软控按钮（无硬件旋钮、拨位开关）；3)无需Windows等操作系统支持即可直接打开的专用嵌入式实验测控软件，配有安全保洁模块，具有限时自动关机及系统停止或一键关机后的延时自动打气排水保洁功能；4)嵌入式动量实验测控软件配置动态可视化全虚拟仿真人机交互动画界面，能与实体实验仪器虚实联动测控、动画仿真；具备完整实体动量定律实验自循环装置的全仿真结构，能仿真显示恒压供水箱&液气转化测压筒水位变化&实验管水流和出流动画、实际射流测量数据支持下的测压管水柱高度仿真实时变化动画、水泵运转动画等；5)具备流量、压差满度自动校准和零点的数字化一键程控校准，温度、雷诺数、流量实时测量数显精度≤1%F.S.；6)设备功率≤100W；7)采用有机玻璃制作的蓄水箱及恒压供水器、透明实验管道、自循环供水、电动控制流量调节阀、全封闭防水绝缘抗腐蚀水泵；8)配套专用实验桌，规格（长*宽*高）≤1500*550*800mm,实木环保板材（非中纤板、密度板）；2.10流体静力学综合实验仪5台(1)主要实验功能1)定量测量实验：验证静水力学基本方程，可供分析研究马利奥特容器的变液位下恒定流实验；2)定性分析实验：测压管和连通管判定、观察测压管水头线、判别等压面、观察真空现象；3)设计性实验：油库液位高度检测、家用饮水机构设计、变液位恒压系统供水设计等；4)拓展性实验：给定条件下测定油密度；(2)主要配置及要求1)有机玻璃标尺管（标尺精度±0.1mm）、有机玻璃密闭静压实验水箱（直径*厚度≥210*5mm）、测压管、真空管、U型管、加气装置、降压装置、真空测量计、油库液位高度检测实验模拟装置等；2)配有油水隔离器使油水不会混合污染主实验桶，设有直接显示真空度的测管装置强化负压实验的直观效果；3)配套专用实验桌，规格（长*宽*高）≤1500*550*800mm,实木环保板材（非中纤板、密度板）；2.11流体流动阻力测定实验仪（含方管实验）4台(1)主要实验功能1)测定流体流经突扩、突缩和阀门时的局部阻力系数；2)测定流体流经粗糙管及光滑管时的沿程阻力系数；3)了解流体流动中能量损失的变化规律；4)测定直管摩擦系数与雷诺数间的关系；(2)主要配置及要求1)蓄水箱