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摘要：针对流体力学实验传统教学方法的缺陷，采用MATLAB数学软件完成实验数据的分析整理和图表的处理。通过雷诺实验举例介绍了MATLAB在流体力学实验数据处理中的应用，该方法减少人工处理数据带来的烦琐计算，具有快速简便、可靠程度高等优点，是目前本科生处理流体力学实验数据的好帮手，有必要在实验教学中推广应用。
关键词：MATLAB；流体力学实验；雷诺实验
作者简介：郭炜（1975-），女，湖北荆州人，北京石油化工学院机械工程学院，讲师。（北京102617）刘锋（1974-），男，湖北荆州人，中国船级社质量认证公司体系认证部，助理工程师。（北京100006）
中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2012）14-0106-01
流体力学实验涉及的实验数据较多，数据处理工作量较大，兼有作图，有的要多次重复使用一个或几个公式计算。在传统的实验教学方式下，学生把主要时间花在烦琐的数据计算方面，从而不再关注实验中的现象，整个实验没有充分发挥出实验教学应有的效能，学生没有通过实验加深对理论的理解和运用理论思考实验中的现象。其次，实验作为对理论知识掌握程度的一种量度，在传统的实验教学形式下其反馈周期过长，学生只有在实验报告返回之后才能知道实验过程是否操作正确，不能在实验过程中考虑错误实验数据的问题出现在哪里。因此，对传统实验教学进行创新成为提高实践教学质量的有效方法。
MATLAB是美国Math Works公司于1984年推出的科学计算软件，它以矩阵的形式处理数据，将高性能的数值计算和可视化集成在一起，提供了大量的内置函数，从而广泛地应用于科学计算、控制系统、信息处理等领域的分析、仿真和程序语言设计工作，使繁琐、枯燥的数值计算变成一种简单、直观的可视化操作过程，能较准确地标记样本数据点和绘出拟合曲线，已成为国际公认的最优秀的科技应用软件。其主要特点如下：语言简洁灵活，库函数丰富；运算符丰富，兼有结构化语句和面向对象编程特性；程序限制不严格，自由度大，可移植性好；图形功能强大，数据可视化简单；有功能强大的学科工具箱和功能工具箱，内部函数丰富；开放性强的源程序，用户易于构建自己的工具箱。
基于上述MATLAB的功能及其特点，在流体力学实验中引入MATLAB软件，以上问题不但可以得到解决，而且可以提高学生应用计算机处理数据的能力。根据流体力学实验的教学内容，结合MATLAB软件的特点与功能，我们在流体力学实验教学中进行了实验设计。以流体力学中的雷诺实验为例，简要介绍了MATLAB语言在数据输入、数值计算以及图形可视化方面的功能，展示了MATLAB在流体力学实验数据处理中简洁、快捷与直观等特点。
一、MATLAB在雷诺实验中的应用
在流体力学的教学中，为了使学生理解和掌握流体运动的两种主要状态——层流和紊流的判别，雷诺实验占有很重要的地位。
1.实验原理
实际流体的流动会呈现出两种不同的型态：层流和紊流。它们的区别在于：流动过程中流体层之间是否发生混掺现象。在紊流流动中存在随机变化的脉动量，而在层流流动中则没有。圆管中恒定流动的流态转化取决于雷诺数，d是圆管直径，v是断面平均流速，是流体的运动粘性系数。
圆管中定常流动的流态发生转化时对应的雷诺数称为临界雷诺数，又分为上临界雷诺数和下临界雷诺数。上临界雷诺数表示超过此雷诺数的流动必为紊流，它很不确定，跨越一个较大的取值范围。有实际意义的是下临界雷诺数，表示低于此雷诺数的流动必为层流，有确定的取值，圆管定常流动的下临界雷诺数取为Re=2300。
2.实验数据处理
在实验中把颜色水注入实验台管内，为了测量下临界雷诺数，将实验台调节阀打开，使管中呈完全紊流，再逐步关小调节阀使流量减小。当流量调节到使颜色水在全管刚呈现出一稳定直线时，即为下临界状态。整个实验过程，调节阀门，水流速度由大到小，紊流状态测2次水量和时间，下临界状态测1次水量和时间，层流状态测2次水量和时间，每个状态均用体积法测定流量。5次实验数据记录表如表1。
在雷诺的实验中，编写简单的MATLAB的* . m 文件，对实验数据进行处理，求出雷诺数，并做出雷诺数与流量的关系曲线图如图1所示。
二、讨论
从上面的程序可以看出，用MATLAB语言编写应用程序处理实验数据比C及Fortran更加简单易用，编程如同列算式一样，不易出错，且利于调试和修改，数据和处理结果可视化。因此可成为高效的处理流体力学实验数据的帮手。从实践效果看，利用MATLAB软件进行流体力学实验教学对于学生理解和掌握课程的基本原理内容是非常有帮助的，同时随着该软件计算功能的进一步增强和课程实验设计的深入开展，充分利用以MATLAB为代表的计算软件包进行专业课程的辅助实验教学不但提高了学生的学习积极性，加深了学生对实验原理的认识，而且十分有助于对专业课程课堂理论教学内容的理解和掌握，对学生熟悉和应用MATLAB软件也起到一定的积极作用。
参考文献：
[1]张铮,杨文平,石博强,等.MATLAB 程序设计与实例应用[M].北京:中国铁道出版社,2003.
[2]胡敏良.流体力学[M].武汉:武汉理工大学出版社,2003.
[3]曹桂萍,孙杰,潘亮,闫亭亭.雷诺实验的创新性教学[J].高师理科学刊,2011,31(2):110-112.
[4]乔善平,商树桓,阎虹.用计算机模拟雷诺实验的体会[J].实验室研究与探索,2002,21(2):39-40.
[5]鄢喜爱,杨金民,田华.Matlab在数据处理和绘图中的应用[J].科学技术与工程,2006,6(22):3631-3633.
[6]石雷,范长春,陈晓芳.Matlab在物理化学实验教学中的应用[J].实验技术与管理,2008,25(11):107-108.
（责任编辑：王祝萍）
关键词：MATLAB；流体力学实验；雷诺实验
作者简介：郭炜（1975-），女，湖北荆州人，北京石油化工学院机械工程学院，讲师。（北京102617）刘锋（1974-），男，湖北荆州人，中国船级社质量认证公司体系认证部，助理工程师。（北京100006）
中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2012）14-0106-01
流体力学实验涉及的实验数据较多，数据处理工作量较大，兼有作图，有的要多次重复使用一个或几个公式计算。在传统的实验教学方式下，学生把主要时间花在烦琐的数据计算方面，从而不再关注实验中的现象，整个实验没有充分发挥出实验教学应有的效能，学生没有通过实验加深对理论的理解和运用理论思考实验中的现象。其次，实验作为对理论知识掌握程度的一种量度，在传统的实验教学形式下其反馈周期过长，学生只有在实验报告返回之后才能知道实验过程是否操作正确，不能在实验过程中考虑错误实验数据的问题出现在哪里。因此，对传统实验教学进行创新成为提高实践教学质量的有效方法。
MATLAB是美国Math Works公司于1984年推出的科学计算软件，它以矩阵的形式处理数据，将高性能的数值计算和可视化集成在一起，提供了大量的内置函数，从而广泛地应用于科学计算、控制系统、信息处理等领域的分析、仿真和程序语言设计工作，使繁琐、枯燥的数值计算变成一种简单、直观的可视化操作过程，能较准确地标记样本数据点和绘出拟合曲线，已成为国际公认的最优秀的科技应用软件。其主要特点如下：语言简洁灵活，库函数丰富；运算符丰富，兼有结构化语句和面向对象编程特性；程序限制不严格，自由度大，可移植性好；图形功能强大，数据可视化简单；有功能强大的学科工具箱和功能工具箱，内部函数丰富；开放性强的源程序，用户易于构建自己的工具箱。
基于上述MATLAB的功能及其特点，在流体力学实验中引入MATLAB软件，以上问题不但可以得到解决，而且可以提高学生应用计算机处理数据的能力。根据流体力学实验的教学内容，结合MATLAB软件的特点与功能，我们在流体力学实验教学中进行了实验设计。以流体力学中的雷诺实验为例，简要介绍了MATLAB语言在数据输入、数值计算以及图形可视化方面的功能，展示了MATLAB在流体力学实验数据处理中简洁、快捷与直观等特点。
一、MATLAB在雷诺实验中的应用
在流体力学的教学中，为了使学生理解和掌握流体运动的两种主要状态——层流和紊流的判别，雷诺实验占有很重要的地位。
1.实验原理
实际流体的流动会呈现出两种不同的型态：层流和紊流。它们的区别在于：流动过程中流体层之间是否发生混掺现象。在紊流流动中存在随机变化的脉动量，而在层流流动中则没有。圆管中恒定流动的流态转化取决于雷诺数，d是圆管直径，v是断面平均流速，是流体的运动粘性系数。
圆管中定常流动的流态发生转化时对应的雷诺数称为临界雷诺数，又分为上临界雷诺数和下临界雷诺数。上临界雷诺数表示超过此雷诺数的流动必为紊流，它很不确定，跨越一个较大的取值范围。有实际意义的是下临界雷诺数，表示低于此雷诺数的流动必为层流，有确定的取值，圆管定常流动的下临界雷诺数取为Re=2300。
2.实验数据处理
在实验中把颜色水注入实验台管内，为了测量下临界雷诺数，将实验台调节阀打开，使管中呈完全紊流，再逐步关小调节阀使流量减小。当流量调节到使颜色水在全管刚呈现出一稳定直线时，即为下临界状态。整个实验过程，调节阀门，水流速度由大到小，紊流状态测2次水量和时间，下临界状态测1次水量和时间，层流状态测2次水量和时间，每个状态均用体积法测定流量。5次实验数据记录表如表1。
在雷诺的实验中，编写简单的MATLAB的* . m 文件，对实验数据进行处理，求出雷诺数，并做出雷诺数与流量的关系曲线图如图1所示。
二、讨论
从上面的程序可以看出，用MATLAB语言编写应用程序处理实验数据比C及Fortran更加简单易用，编程如同列算式一样，不易出错，且利于调试和修改，数据和处理结果可视化。因此可成为高效的处理流体力学实验数据的帮手。从实践效果看，利用MATLAB软件进行流体力学实验教学对于学生理解和掌握课程的基本原理内容是非常有帮助的，同时随着该软件计算功能的进一步增强和课程实验设计的深入开展，充分利用以MATLAB为代表的计算软件包进行专业课程的辅助实验教学不但提高了学生的学习积极性，加深了学生对实验原理的认识，而且十分有助于对专业课程课堂理论教学内容的理解和掌握，对学生熟悉和应用MATLAB软件也起到一定的积极作用。
参考文献：
[1]张铮,杨文平,石博强,等.MATLAB 程序设计与实例应用[M].北京:中国铁道出版社,2003.
[2]胡敏良.流体力学[M].武汉:武汉理工大学出版社,2003.
[3]曹桂萍,孙杰,潘亮,闫亭亭.雷诺实验的创新性教学[J].高师理科学刊,2011,31(2):110-112.
[4]乔善平,商树桓,阎虹.用计算机模拟雷诺实验的体会[J].实验室研究与探索,2002,21(2):39-40.
[5]鄢喜爱,杨金民,田华.Matlab在数据处理和绘图中的应用[J].科学技术与工程,2006,6(22):3631-3633.
[6]石雷,范长春,陈晓芳.Matlab在物理化学实验教学中的应用[J].实验技术与管理,2008,25(11):107-108.
（责任编辑：王祝萍）