Ротштейн В.П., Идрисов Ф.Ф., Шереметьева У.М. Наука и образование: Технология, предпринимательство, безопасность жизнедеятельности

Подождите немного. Документ загружается.

~ 11 ~

торов обеспечивает дистанционное переключение, но значительно

увеличивает стоимость схемного устройства. Высокий уровень уни-

фикации современной компьютерной техники, использование универ-

сальной последовательной шины USB и линейно-звёздная топология

цепи управляющих сигналов обеспечивают достаточно высокую для

учебных целей степень расширяемости предлагаемого схемного уст-

ройства (до 127 портов) при сравнительно небольших дополнитель-

ных затратах [3, с. 99-101]. Модульный принцип построения схемного

устройства ККМ-1 позволяет подбирать необходимое количество

учебных блоков и степень их оснащенности в зависимости от количе-

ства обучаемых и требуемого уровня комфорта. Так индивидуальный

учебный блок, рассчитанный на одного обучаемого, состоит из мони-

тора, клавиатуры и мыши, а групповой блок ККМ-1Г оснащён одним

монитором и несколькими, например, двумя комплектами управляю-

щих устройств. Использование групповых учебных блоков несколько

ухудшает условия работы обучаемых, но значительно уменьшает за-

траты. Схемные устройства коммутируемых компьютерных модулей

для первой стадии обучения ККМ-1И и ККМ-1У позволяют демонст-

рировать на экранах мониторов учебных блоков элементы компью-

терных технологий и осуществлять управление учебным объектом не

только преподавателю, но и любому обучаемому. Управление учеб-

ным объектом может осуществляться при работающем компьютере

как по команде преподавателя в случае постоянного подключения

управляющих устройств учебных блоков, так и ручным выборочным

подключением отключенных управляющих устройств с использова-

нием разъемов шины USB.

Комбинированная линейно-звездная топология позволяет под-

ключать к персональному компьютеру достаточно большое количест-

во учебных блоков с учетом того, что максимально допустимая на-

полняемость учебной группы составляет 25 человек.

Для создания условий эффективного обучения на второй стадии,

когда учащиеся уже получили начальные знания и приобрели умения

самостоятельной работы на компьютере в объёме необходимом для

решения задач по изучаемой дисциплине, целесообразно использо-

ваться такое устройство, которое с минимальными затратами создава-

ло бы возможность самостоятельной работы обучаемых с индивиду-

альными учебными объектами и обеспечивало доступ преподавателя

к любому объекту со своего рабочего места. Сформулированным

функциональным требованиям в полной мере удовлетворяет комму-

тируемый компьютерный модуль (ККМ-2И), в котором индивидуаль-

ные учебные блоки оснащены персональными компьютерами стан-

~ 12 ~

дартной комплектации, а блок преподавателя имеет усеченную ком-

плектацию, состоящую из монитора, клавиатуры и мыши. Функцио-

нальная связь блока преподавателя с индивидуальными учебными

блоками осуществляется через блок управления с сохранением линей-

но-звёздной топологии цепей видео и управляющих сигналов. Ком-

плектация ККМ-2И осуществляется на аппаратной базе ККМ-1, что

минимизирует затраты на оснащение и эксплуатацию компьютерных

классов.

ККМ-2И позволяет эффективно решать педагогические задачи на

второй стадии обучения благодаря тому, что на занятиях обучаемые

самостоятельно выполняют индивидуальные задания, а преподаватель

имеет возможность выборочно осуществлять контроль за их работой

путём подключения своего монитора к индивидуальным учебным

блокам через разветвители видеосигналов и при необходимости

управлять персональными компьютерами обучаемых, подключаясь

через концентраторы блока управления к их системным блокам. Дис-

танционное переключение линий связи может осуществляться препо-

давателем как ручным способом с использованием разъёмов концен-

траторов и разветвителей видеосигнала, так и аппаратно, когда вместо

блока управления, состоящего из концентраторов и разветвителей, в

схему подключается управляемый переключатель портов, например

типа КВМ. Описанный вариант учебного компьютерного модуля, в

котором индивидуальные учебные блоки оснащены персональными

компьютерами полной комплектации, предназначен для проведения

занятий методом индивидуальных проектов. Для реализации метода

группового проектирования, когда над проектом работает рабочая

группа состоящая из нескольких обучаемых, разработан вариант уст-

ройства учебного компьютерного модуля с групповыми блоками

ККМ-2Г, в котором каждый групповой учебный блок оснащён одним

системным компьютерным блоком, а так же мониторами и комплек-

тами управляющих устройств в соответствии с количеством обучае-

мых в рабочей группе. Подключение внешних устройств к группово-

му системному блоку осуществляется, как и в первом варианте, по

линейно-звёздной топологии с использованием разветвителей и кон-

центраторов, которые объединены в блок управления. Блок препода-

вателя так же имеет усечённую комплектацию, а преподаватель через

блок управления может подключаться к учебным блокам рабочих

групп ручным способом или аппаратно. При аппаратурном подключе-

нии переключатель портов включается в схему дополнительно между

блоком управления и блоком преподавателя.

~ 13 ~

Учебный компьютерный модуль для первой стадии обучения

с индивидуальными блоками (ККМ-1И)

~ 14 ~

Учебный компьютерный модуль ККМ-2Г даёт возможность груп-

пе обучаемых самостоятельно выполнять учебные задания, а препода-

вателю осуществлять контроль за их работой и, при необходимости,

принимать участие в её выполнении. Наличие в обоих типах компью-

терных модулей разветвителей видеосигналов и концентраторов обес-

печивает высокое качество передачи сигналов в пределах размеров

компьютерного класса.

Последовательное увеличение доли самостоятельной работы при

использовании предлагаемого комплекта коммутируемых компью-

терных модулей несомненно будет способствовать успешному фор-

мированию готовности обучаемых к самостоятельной работе на пер-

сональных компьютерах в автономном режиме и в составе сети.

Литература

1. Захарова, И. Г. Информационные технологии в образовании / И. Г. Захарова.

– М. : Академия, 2005. – 188с.

2. Патент РФ № 76484, кл. G06F 15/00, 2008. – 6 с.

3. Бандаевский, Г. И. Разработка схемного устройства модульного учебного

компьютера: ХIII Всероссийская конференция «Наука и образование», том

УI /Г.И. Бандаевский, И.В. Крашенинникова, А.В. Бондарева. – Томск: ТГПУ,

2009. -4 с.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРОГРАММЫ MICROSOFT OFFICE EXCEL

ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ПРОЦЕССА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ МЕТАЛЛОВ

И СПЛАВОВ В РЕАЛЬНОМ РЕЖИМЕ ВРЕМЕНИ

М. И. Безматный

Томский государственный педагогический университет

Научный руководитель: В.П. Ротштейн д. тех. наук, профессор

Процессы кристаллизации металлов и сплавов изучают с помо-

щью кривых охлаждения. Целью настоящей работы является визуали-

зация процесса кристаллизации путем построения кривых охлаждения

в реальном режиме времени с использованием программы Microsoft

Office Excel. Ниже представлены результаты, полученные при выпол-

нении лабораторной работы «Построение и анализ диаграммы состоя-

ния висмут–кадмий».

В ходе эксперимента студенты, предварительно разбитые на 3

бригады, снимают по точкам кривые охлаждения для трех сплавов

системы Bi - Cd с различной концентрацией Cd с интервалом 0.5 мин.

Температуру измеряют с помощью термопарного цифрового прибора.

Кривые охлаждения представлены на рис. 1.

~ 15 ~

Рис. 1. Кривые охлаждения сплавов Bi – Cd.

Опишем метод визуализации на примере участка кривой охлажде-

ния для сплава Bi – 40% Cd, выделенного на рис.1. Последователь-

ность операций визуализации процесса построения кривой охлажде-

ния:

1. Оператор готовит таблицу и систему координат температура

– время в программе Microsoft Office Excel и заносит в таб-

лицу дискретные значения времени от 0 до 20 мин с шагом

0.5 мин.

2. Студенты сообщают оператору значения температуры для

каждого момента времени с шагом 0.5 мин.

3. Оператор вносит значения температуры для каждого момен-

та времени в таблицу, экспериментальные точки автомати-

чески отображаются на графике и проецируются на экран с

помощью проектора (рис. 2).

~ 16 ~

Рис. 2. Таблица экспериментальных данных и график температура – время, построенные в

реальном режиме времени с использованием программы Microsoft Office Excel.

Данный подход был использован при выполнении указанной вы-

ше лабораторной работы. Он позволяет наблюдать процессы фазовых

превращений при кристаллизации металлов и сплавов в реальном ре-

жиме времени. Планируется использование данного подхода при вы-

полнении других лабораторных работ, например, работы «Построение

и анализ диаграммы растяжения».

ИССЛЕДОВАНИЕ ДВИЖЕНИЯ КАПЕЛЬ

В ЗАКРУЧЕННОМ ПОТОКЕ

С. Л. Берковский

Томский государственный педагогический университет

Научный руководитель: А.С. Ткаченко, д.ф.–м.н., профессор

Процессы деформации и потери устойчивости капель в потоке,

приводящие к их дроблению, играют важную роль в гидро-

газодинамике двухфазных течений [1]. Эти процессы имеют очевид-

ное практическое значение в метеорологии (формирование спектра

~ 17 ~

размеров капель атмосферных осадков [2]), в двигателестроении (дис-

персность капель горючего в двигателях внутреннего сгорания и жид-

костных ракетных двигателях [3]), в задачах экологии (формирование

облака токсичных компонентов жидких ракетных топлив при разде-

лении ступеней ракет-носителей [4]) и в целом ряде других отраслей

техники и технологии.

Существует неустойчивость Кельвина-Гельмгольца [1], приводя-

щая к дроблению капли аэродинамическими силами при достижении

критического значения числа Вебера, характеризующего отношение

сил динамического напора к силам поверхностного натяжения:

WW Dρ−

где – плотность среды, в которой движется капля;

WW−

– относительная скорость движения капли в воздухе;

–

диаметр капли; σ – коэффициент поверхностного натяжения вещества

капли.

Менее изучена неустойчивость Рэлея-Тейлора [1], приводящая к

деформации и дроблению капли за счет ее ускорения при достижении

критического значения числа Бонда, характеризующего отношение

массовых сил к силам поверхностного натяжения:

aDρ

где ρs – плотность вещества капли;

– модуль вектора ускорения

массовых сил.

Исследования неустойчивости Рэлея-Тейлора показали, что наи-

больший теоретический и практический интерес представляет режим

движения капли, характеризующийся малыми значениями числа Рей-

нольдса

Re 1≤

и значениями числа Бонда, близкими к критическому

значению Bo*=40÷90 [1, 5–8]. В указанной области чисел Бонда про-

исходит потеря устойчивости капли, сопровождающаяся ее деформа-

цией, колебаниями и, в конечном счете, разрушением. В работе [9]

получена связь между числами Вебера и Бонда

()

Bo 9 1 0.03 We

=⋅ + ⋅

, из которой следует, что при

Re 1≤

, число

Бонда более чем на порядок превышают число Вебера и дробление

капель будет происходить по механизму Рэлея–Тэйлора. В той же ра-

боте приведены результаты экспериментов по исследованию устойчи-

~ 18 ~

вости капли в потоке вязкой жидкости при малых значениях чисел

Рейнольдса

Re 1≈

Оценочные расчеты позволили выбрать следующую пару модель-

ных жидкостей для экспериментов с малыми числами Рейнольдса –

капля ртути в растворе дистиллированная вода – глицерин. При выбо-

ре пары модельных жидкостей для данного режима обтекания необ-

ходимо добиться весьма медленного падение капли (Re<1). Пара

ртуть – водно-глицериновый раствор позволяет обеспечить медленное

падение капли за счет большой вязкости глицерина, которая резко

возрастает при охлаждении до отрицательных температур.

Экспериментальное исследование проводилось путем киносъемки

процесса гравитационного осаждения. Картина движения и деформа-

ции капли снималась кинокамерой «Конвас–автомат» и фотокамерой

«Зенит–ТТЛ». Получены зависимости степени деформации капли от

числа Вебера и обнаружено появление неустойчивости капли при

Bo 10>

При проведении опытов серьезной проблемой оказалось получе-

ние крупных капель ртути. В связи с большой плотностью и малой

вязкостью ртути использование обычного капилляра не позволяет по-

лучить капли диаметром более 1-2 мм. Для получения капель ртути

диаметром 5-10 мм использовалось специальное устройство. Т.о. ока-

зывается, что в поле сил тяжести невозможно получить нужный диа-

пазон чисел Бонда

40 80÷ .

В [10] предложено устройство (рис. 1) для исследования устойчи-

вости капель в вязком потоке в области малых значений числа Рей-

нольдса Re≤1 при режимах движения, соответствующих возникнове-

нию неустойчивости Рэлея-Тейлора, то есть при значениях числа

Бонда Во∼Во

=40÷90.

Рис. 1.

Рис. 2. Системы координат: цилиндрическая ZR

и декартова XYZ

~ 19 ~

Устройство состоит из цилиндрического сосуда 1 радиусом R с

вязкой жидкостью 2, расположенного соосно с валом электродвигате-

ля 3 с возможностью вращения в горизонтальной плоскости. Из ка-

пельницы 4, закрепленной на валу двигателя на расстоянии R

от оси

вращения, начальная капля 5 поступает в сосуд с вязкой жидкостью.

При этом капля 6 движется в радиальном направлении к периферии

сосуда и одновременно движется вниз под действием силы тяжести. В

процессе движения капли 6 ее деформация регистрируется скоростной

видеокамерой 7.

В данной работе проводится анализ режимов движения капли в

закрученном потоке вязкой жидкости в данном устройстве на основе

компьютерного моделирования. Такой анализ нужен для выбора ха-

рактеристик запатентованной установки для изучения неустойчивости

Рэлея-Тейлора и планирования проведения эксперимента.

Уравнение движения капли имеет вид:

∑

, (1)

где

–силы, действующие на каплю. Это сила тяжести, сила Архиме-

да (включая

àöá

=− ρ =− ρ

– центробежную силу Архи-

меда), сила аэродинамического сопротивления и сила Кориолиса.

Для данного случая, проектируя (1) на оси цилиндрической систе-

мы координат (рис. 2), получим следующую систему дифференциаль-

ных уравнений

()

2( ) (1 )

zs s

dv w

dt R

vww

⎧

⎛⎞

=− −φ

⎪

⎜⎟

⎝⎠

⎪

=−ω+− −φ

⎨

⎪

=− ω +φ −

⎪

⎩

где

u ,

v ,

w –компоненты вектора скорости капли

на оси цилинд-

рической системы координат;

ρ – плотность вещества капли;

–

плотность среды, в которой движется капля;

– тангенциальная ско-

рость глицерина в точке, где находится капля;

ϕ –комплекс

ϕ=

, где

fC=

–функция сопротивления, µ – коэффи-

~ 20 ~

циент динамической вязкости вещества среды;

ω – единственная

компонента угловой скорости

, направленная по оси ОZ;

Для численного интегрирования системы дифференциальных

уравнений используется неявная по правым частям разностная схема.

На рисунках 3-6 приведены результаты численных расчетов.

Рис. 3

Рис. 4

Рис. 3 получен следующим образом: задавалась вязкость глицери-

на

9.0

àñμ= ⋅ , диаметр капли и число оборотов установки варьируем

с тем, чтобы на середине радиуса установки (R=0.075) достигалось

соответствующее число Бонда при соблюдении ограничения

Re 1< . По

оси абсцисс отложен коэффициент перегрузки k (отношение ускоре-

ния центробежных сил инерции среды к ускорению свободного паде-

ния g)

222

(2 )

/(2)

wnRR

kg n

RRgg

== =π

. На рис. 4 приводится возмож-

ность достижения чисел Bo

=40 и Bo

=90 в точке R=0.075 для

фиксированного диаметра капли (4,06 мм) при варьировании вязкости

глицерина и числа перегрузки. При этом соблюдается ограничение

Re 1< .

Рис. 5 иллюстрирует размер рабочей области для съемки кинока-

мерой поведения капли для варианта n=9 об/с, D=4,28 мм

12.0

àñμ= ⋅ .

Пунктиром показана проекция траектории капли в горизонтальной

плоскости. На рис.6 показана рабочая область для варианта n=14 об/с,

D=4.06 мм,

12.0μ= .