一种基于LabVIEW的虚拟雷诺实验系统的制作方法

本发明涉及一种虚拟实验仿真系统，具体涉及一种基于labview的虚拟雷诺实验系统。

背景技术：

labview是一种程序开发环境，使用的是图形化编辑语言g编写程序，产生的程序是框图的形式。labview提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径，在原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。

传统的雷诺实验教学，设备昂贵，操作繁琐，并且存在一定危险性；教师在授课时，单凭书面的理论知识，并不能够让学生真正理解实验原理及目的；学生们在做实验时只会按照实验步骤进行机械的操作，并不能从整体把关了解实验的目的和原理，对于动手能力差的同学，操作失误会得不到想要的实验结果，同时也会对设备造成损坏，缩短实验设备的使用寿命。

虚拟实验系统能够灵活的运用于不同的实验，不涉及真实的实验仪器设备，通过虚拟实验，教师能够更直观便捷的教授实验课程，使学生能够充分的理解实验原理和现象；学生在做实验前通过虚拟实验预习，对于实验设备，实验步骤更加熟悉，从而缩短真实实验操作使用的时间，大大降低了操作失误对仪器的损坏，虚拟实验相对于真实实验操作更加便捷，同时能够大大提高实验教学质量。

技术实现要素：

对于传统雷诺实验教学存在的不足，本发明不仅操作简单，数据准确，实验效率高而且大大降低了硬件成本，对于教学质量有显著的提高，同时操作系统更加人性化，在操作不当的情况下会提示操作者正确操作。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种基于labview的虚拟雷诺实验系统包括用于操作和显示的图形化用户界面(前面板)和与之相关联的程序框图，程序框图包括与前面板控件对应的节点和与实验原理相关的程序结构，图形化用户界面包括雷诺实验理论预习区和虚拟雷诺实验区，虚拟雷诺实验区包括自循环雷诺实验装置、操作界面、显示界面。

优选的，雷诺实验理论预习区包括四个选择按钮和显示窗口，显示窗口可以独立的显示四个选择按钮代表的雷诺实验理论知识。

优选的，自循环雷诺实验装置采用装饰控件以及实验台图片搭建而成，实验管道采用自定义的布尔控件装饰，自定义的素材是动态图片，作图软件为photoshop。

优选的，操作界面包括实验开关、初始化、结束按钮以及水温、管径和实验流量调节阀可调控件。

优选的，显示界面包括数值显示控件以及圆形指示灯，用于显示各实验参数以及实验管道状态，方便数据记录和实验状态观察。

一种基于labview的虚拟雷诺实验系统的实现方法，包括如下步骤：

1)创建“一、实验目的要求”、“二、实验装置”、“三、实验原理”、“四、实验方法与步骤”四个选择按钮，通过事件结构和条件结构对显示窗口写入相应的字符串，操作者选择需要查阅的实验部分，详细的实验信息会在显示窗口显示。

2)根据实验原理编写基本的公式和程序结构，所需要的物理参数通过labview中的控件进行替换，水温、管径、实验流量调节阀采用可以调节大小的控件，从而适应不同的实验环境；

按照真实的实验台结构，利用装饰控件以及实验台图片搭建自循环雷诺实验台，实验管道采用自定义的布尔控件装饰，用photoshop制作管道各种流动状态的动态图片，通过labview将这些动态图片对布尔控件自定义，自定义的布尔控件大小相同并按照一定顺序重叠在一起；

连接相应的节点实现实验参数的计算，并将雷诺数与各流动状态临界雷诺数比较，实现实验管道随着实验参数的变化呈现不同的流动状态。为了使实验现象更明显，把过渡状态划分成了过渡前期状态和过渡后期状态。

3)实验开关、初始化与结束按钮均为布尔控件，利用条件结构和事件结构分别实现实验的开始和停止、实验数据的初始化与结束运行程序的功能。实验开关打开才能对实验参数进行调节，实验开关关闭状态调节实验参数会弹出“请先打开实验开关”提示框，避免操作者误操作，实验开关关闭以及初始化都能使实验恢复初始状态，以便于多次重复操作。

4)在显示界面创建圆形指示灯以及数值显示控件，连接相应的节点，实时的显示实验参数和实验状态，实验操作时可以根据实验现象记录相应的实验数据。

附图说明

图1是本发明的雷诺实验理论预习区工作流程图；

图2是本发明的虚拟雷诺实验区工作流程图；

图3是本发明虚拟雷诺实验系统的前面板；

图4是本发明虚拟雷诺实验系统的程序框图；

图5是本发明虚拟雷诺实验系统弹出提示框示意图；

图6是本发明虚拟雷诺实验层流状态示意图；

图7是本发明虚拟雷诺实验过渡前期状态示意图；

图8是本发明虚拟雷诺实验过渡后期状态示意图；

图9是本发明虚拟雷诺实验紊流状态示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的内容。

如图3-4所示，本发明优选实施例的基于labview的虚拟雷诺实验系统包括用于操作和显示的图形化用户界面(前面板)和与之相关联的程序框图，程序框图包括与前面板控件对应的节点和与实验原理相关的程序结构，图形化用户界面包括雷诺实验理论预习区和虚拟雷诺实验区，虚拟雷诺实验区包括自循环雷诺实验装置、操作界面、显示界面；

雷诺实验理论预习区包括四个选择按钮和显示窗口，显示窗口可以独立的显示四个选择按钮代表的雷诺实验理论知识；

自循环雷诺实验装置采用装饰控件以及实验台图片搭建而成，实验管道采用自定义的布尔控件装饰，自定义的素材是动态图片，作图软件为photoshop；

操作界面包括实验开关、初始化、结束按钮以及水温、管径和实验流量调节阀可调控件；

显示界面包括数值显示控件以及圆形指示灯，用于显示各实验参数以及实验管道状态，方便数据记录和实验状态观察。

一种基于labview的虚拟雷诺实验系统的实现方法，包括如下步骤：

1)创建“一、实验目的要求”、“二、实验装置”、“三、实验原理”、“四、实验方法与步骤”四个选择按钮，通过事件结构和条件结构对显示窗口写入相应的字符串，操作者选择需要查阅的实验部分，详细的实验信息会在显示窗口显示。

2)根据实验原理编写基本的公式和程序结构，所需要的物理参数通过labview中的控件进行替换，水温、管径、实验流量调节阀采用可以调节大小的控件，从而适应不同的实验环境；

按照真实的实验台结构，利用装饰控件以及实验台图片搭建自循环雷诺实验台，实验管道采用自定义的布尔控件装饰，用photoshop制作管道各种流动状态的动态图片，通过labview将这些动态图片对布尔控件自定义，自定义的布尔控件大小相同并按照一定顺序重叠在一起；

连接相应的节点实现实验参数的计算，并将雷诺数与各流动状态临界雷诺数比较，实现实验管道随着实验参数的变化呈现不同的流动状态。为了使实验现象更明显，把过渡状态划分成了过渡前期状态和过渡后期状态。

3)实验开关、初始化与结束按钮均为布尔控件，利用条件结构和事件结构分别实现实验的开始和停止、实验数据的初始化与结束运行程序的功能。实验开关打开才能对实验参数进行调节，实验开关关闭状态调节实验参数会弹出“请先打开实验开关”提示框，避免操作者误操作，实验开关关闭以及初始化都能使实验恢复初始状态，以便于多次重复操作。

4)在显示界面创建圆形指示灯以及数值显示控件，连接相应的节点，实时的显示实验参数和实验状态，实验操作时可以根据实验现象记录相应的实验数据。

具体地，本发明用于测定下临界雷诺数与上临界雷诺数的操作流程如下：

1)程序运行后，虚拟雷诺实验处于初始状态，实验开关与实验流量调节阀为关闭状态，水温t、管径d为初始值，其余实验参数均为零。

2)实验操作前仔细阅读雷诺实验理论预习区信息，分别选择四个选择按钮，了解实验目的要求、实验装置工作原理，理解实验原理，按照实验方法与步骤操作本系统，仿真雷诺实验。

3)打开实验开关，调整合适的水温t、管径d，逐步开大实验流量调节阀，通过颜色水直线的变化观察层流转变到紊流的水力特征，观察水温和管径对实验流动状态的影响，待管中出现完全紊流后，再逐步关小流量调节阀，观察由紊流变为层流的水力特征。当实验开关为关闭状态，调节实验参数会弹出“请先打开实验开关”提示框，避免误操作。

4)测定下临界雷诺数。

将实验流量调节阀打开，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管中刚呈现出一稳定直线时，即为下临界状态，测定下临界雷诺数1到2次，记录此时的实验数据。计算下临界雷诺数，并与公认值(2320)比较，偏离过大需重测。

5)测定上临界雷诺数

逐渐开启实验流量调节阀，使管中水流由层流过渡到紊流，当色水线刚开始散开时，即为上临界状态，测定上临界雷诺数1到2次，记录此时的实验数据。

6)每次实验测量结束，点击初始化使数据恢复至初始状态，依次按照以上步骤重复操作，直至实验完成，点击结束退出虚拟雷诺实验系统。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。