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摘要：为实现科研与教学的融合，构建了喷雾冷却传热综合实验教学平台。该平台由喷雾冷却系统和数据采集系统构成，能实现演示性、验证性和创新性三个层次的教学目标。以水喷雾冷却光滑热表面为例，介绍了所需仪器、实验过程、数据处理方法。噴雾冷却传热实验可加深学生对强化传热知识的理解，提升学生的实践动手能力，激发学生的创新意识，并在多元化创新型人才的培养中发挥了重要作用。
关键词：喷雾冷却；传热特性；实验教学；实验平台
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）23-0269-03
目前，我校能源与动力工程专业学生对对流传热、强化传热等知识的学习主要是通过专业基础课“传热学”和专业选修课“换热器原理与设计”。在这两门课中，教师仅讲授一些基本理论知识，未涉及实验教学内容。而实验教学在培养学生实践能力、创新能力中发挥了不可替代的作用[1，2]。因此，构建综合性的实验教学平台十分必要，这不仅能帮助学生更好地掌握课程知识，更为重要的是为学生提供了一个施展平台，有利于学生自主学习和探索研究，是实施多元化创新型人才培养模式的有效保障[3]。为了更好地实践中国石油大学（华东）提出的“三三三”本科培养体系[4]，本着鼓励本科生多参与教师科研的精神，笔者结合自身的研究方向，构建了喷雾冷却传热综合实验教学平台。
一、喷雾冷却传热实验教学平台建设方案
实验教学平台是通过喷雾冷却热表面的方式，研究强化对流传热的原理、方法以及影响对流传热的因素。整体式实验件、保温腔体、加热系统、喷雾冷却系统和数据采集系统组合而成的喷雾冷却传热实验教学平台（图1），可以使学生学习实验系统的搭建过程，掌握相关仪器的选型和操作，分析强化传热的途径、方法等。
1.整体式实验件。如图2所示，整体式实验件为紫铜材料，由底部基座、顶部测试段和中间过渡段构成，总高度为120mm。底部基座为圆柱体，直径、高度分别为55mm、80mm；沿底部掏空出9个直径10mm、高度75mm的热源孔，用于放置电加热棒。顶部测试段也是圆柱体，直径、高度分别为15mm、25mm；从上表面向下5mm、12.5mm、20mm的三个截面处，沿着周向开设8个直径1mm、深度3.5mm的测孔，用于埋设热电偶。
上述实验件的上表面是受喷雾冲击、被冷却的表面，当底部加热与上部冷却相平衡时，实验件温度分布稳定。通过处理采集到的温度，可以得到喷雾冷却传热特性。上表面可以是光滑表面，也可以是微结构表面。不同的传热表面结构呈现出不同的传热性能[5]，通过更换整体式实验件，可进行微结构表面强化喷雾冷却传热研究，这也为学生自主创新实验奠定了基础。
2.喷雾冷却系统。喷雾系统包括水槽、水箱、泵、流量计、调节阀和喷嘴。实验中，水泵抽取冷水箱中的冷水，经由转子流量计、调节阀、喷嘴对实验件进行喷雾冷却，吸热后的热水回流水槽，接着进入热水箱。喷嘴选用微细压力雾化喷嘴（HAGO公司，1/4FB-SS FN0.75和1/4TT-SS TG0.3），其具有雾化角小、流量分布均匀、流量小的特点，可满足实验要求。水泵选用的是南京欧瑞克公司的MG204XK/DC24W1磁力齿轮泵，其具有压力高、流量低、易调节（外接调速控制器调转速、控流量）的优势，以满足实验喷雾工况的变化。
3.加热系统。加热系统产生热量，使整体式实验件升温，模拟电子发热器件。交流电源、调压器、电加热棒、整体式实验件、腔体、保温材料等组成加热系统，将电加热棒（9只，功率为200W）嵌入整体式实验件热源孔中，调节调压器输出指定的加热功率，匹配喷雾冷却能力，以实现设计的实验工况。整体式实验件放置于腔体中，两者间隙填满保温材料，以减小热量损失，保证热量向上传递。
4.数据采集系统。数据采集是实验中的重要环节，Agilent34972A数据采集器、34901A数据采集卡、计算机构成了数据采集系统，它将热电偶及压力传感器获取的电压及电流信号转化为直观的温度及压力值。除了采集温度、压力数据外，实验中还配备了摄像机，拍摄实验件上表面发生的喷雾冷却现象，用于辅助分析传热规律。笔者以往的研究是在封闭系统内进行的[5]，为了便于实验过程的观察和拍摄，将原有系统改造为当前的开放式系统。传热特性或性能主要由热流密度表征，通过采集的温度进行计算：
q=
式中，q为热流密度，单位为W/m2；λ为紫铜实验件导热系数，单位为W/（m·℃）分别为上、中、下三排热电偶测得的温度均值，单位为℃；分别为三排热电偶的两个间距，单位为m。
二、教学实验项目设计
针对能源与动力工程专业在传热技术方面对多元化创新型人才的培养需求，从演示性实验、验证性实验和创新性实验三个方面[6]构建了喷雾冷却传热实验教学平台，可以开展以下主要实验。
1.喷雾冷却传热认识实验。通过对喷雾冷却传热系统中各组件的组装和管路的连接，熟悉传热实验台的搭建过程，了解和实际操作齿轮泵、流量计、雾化喷嘴、电加热棒、调压器、摄像机、数据采集器等仪器设备，对整体式实验件（模拟电子发热元件）有直观的认识，为后续课程的学习和工作打下基础。
2.喷雾特性对传热性能影响的实验。在同一个整体式实验件上，调节喷雾流量、喷嘴高度、喷嘴倾角、雾化压力等特征参量，研究它们与传热性能的内在关系，结合课本理论知识，验证提升传热性能的因素。
3.工质性质对传热性能影响的实验。在同样操作条件下，做蒸馏水和酒精等工质的对比实验，发现工质性质（沸点、汽化潜热、比热、导热系数等）对传热性能的影响规律，结合摄像机拍摄的图像、视频，解释强化传热的机理。
4.表面微结构对传热性能影响的实验。表面微结构化因增加了表面的凸起与凹槽，改善了表面液膜的形态，为近年来强化喷雾冷却传热的主要方向。学生可自行设计表面微结构，与光滑表面作对比实验，发现传热最佳的表面微结构并进行机理解释。 工质性质、微结构表面实验属创新性实验，通过设计实验过程、分析实验现象、给出机理解释等环节的训练，可激发学生的研究热情，提升自我创新能力。
三、喷雾冷却传热实验教学平台功能的多元化
在喷雾冷却传热实验系统搭建过程以及不同传热性能影响因素的综合设计、实验实施、数据处理、结果分析中，学生不仅完成了综合应用技能的强化和研究方法的训练，更重要的是，学生可以根据自己的兴趣自主选择实验项目，自主设计实验方案，自主完成实验及分析过程[6]，发现和探索喷雾冷却传热过程的规律和原理，这样既保证了理论教学演示性和验证性实验的开设，又满足了创新性、探究性和综合性实验的需求，也充分发挥了实验教学的认识、综合和探究功能[7]。
当前本科毕业设计选题普遍比较老旧且以理论计算为主，同时国家又大力倡导青年创新创业，喷雾冷却传热实验教学平台既可改善本科生毕业选题质量，又能为本科生提供创新创业训练的途径。学生可结合目前高功率电子器件散热的需求以及喷雾冷却技术的应用前景，自主查阅文献，自主选择或者在教师的指导下选择研究内容，利用教学平台完成项目实验。这不仅培养了学生理论联系实际的能力，更为重要的是为学生提供了一个从理论走向实践的平台，有助于提升学生的创新精神和实践能力[8，9]。
喷雾冷却传热实验教学平台还可满足科学研究和科技创新的需要，实现教学和科研的紧密结合。平台可为传热性能实验、强化传热表面微结构的优选及传热机理分析提供相关设备、装置和仪器，还可开展纳米流体喷雾冷却、喷雾冷却系统启动、喷雾冷却蒸发特性等方面的研究。将科研设备、实验技术、科学思维引入实验教学中，部分科研成果转化为本科实验教学内容，吸纳学生参与教师的科研项目，激发学生的科研热情，实现实驗室资源的最大化利用[10]。
四、结语
喷雾冷却传热实验教学平台的构建，将教师科研设备转化成为本科实验平台，实现了科学研究和实验教学的紧密结合。该实验平台，既满足演示性、验证性实验的要求，又具有创新性、设计性和综合性实验的功能，不仅能加深学生对强化传热知识的理解，而且可培养学生的工程素养、实践动手能力和科研创新意识。该平台在实施多元化创新型人才培养中发挥了重要作用。
参考文献：
[1]陈姝雨，吴传平，刘泽军.以培养创新型人才为导向的开放实验的探索[J].教育教学论坛，2017，（39）：272-274.
[2]易红.高校实验教学与创新人才培养[J].实验室研究与探索，2008，27（2）：1-4.
[3]林日亿，贾志英，徐伟栋.环空对流换热综合实验教学平台搭建[J].实验技术与管理，2016，33（6）：38-41.
[4]刘华东.构建“三三三”本科教育培养体系推进人才培养模式改革[J].中国高教研究，2016，（1）：56.
[5]WEI Zhang，ZHAO Liang-wang.Heat transfer enhancement of spray cooling in straight-grooved surfaces in the non-boiling regime[J].Experimental Thermal and Fluid Science，2015，（69）：38-44.
[6]姜烨，林日亿，刘晴雨，等.烟气脱硝实验教学平台的搭建[J].实验技术与管理，2015，32（11）：180-186.
[7]严碧歌，韩静.高等教育实验教学的作用与改进的措施[J].陕西教育学院学报，2008，24（2）：13-16.
[8]华小虎，杜双明.优化实验教学体系和资源培养学生认知和实践能力[J].实验室研究与探索，2017，36（1）：215-217.
[9]熊铁军，郦文忠，黄凯.光电系统创新设计实验教学与实践[J].教育教学论坛，2017，（34）：270-271.
[10]詹福建，许可，张东方.整合资源，优化资源共享，促进实验室全面开放[J].实验技术与管理，2011，28（11）：343-345.
关键词：喷雾冷却；传热特性；实验教学；实验平台
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）23-0269-03
目前，我校能源与动力工程专业学生对对流传热、强化传热等知识的学习主要是通过专业基础课“传热学”和专业选修课“换热器原理与设计”。在这两门课中，教师仅讲授一些基本理论知识，未涉及实验教学内容。而实验教学在培养学生实践能力、创新能力中发挥了不可替代的作用[1，2]。因此，构建综合性的实验教学平台十分必要，这不仅能帮助学生更好地掌握课程知识，更为重要的是为学生提供了一个施展平台，有利于学生自主学习和探索研究，是实施多元化创新型人才培养模式的有效保障[3]。为了更好地实践中国石油大学（华东）提出的“三三三”本科培养体系[4]，本着鼓励本科生多参与教师科研的精神，笔者结合自身的研究方向，构建了喷雾冷却传热综合实验教学平台。
一、喷雾冷却传热实验教学平台建设方案
实验教学平台是通过喷雾冷却热表面的方式，研究强化对流传热的原理、方法以及影响对流传热的因素。整体式实验件、保温腔体、加热系统、喷雾冷却系统和数据采集系统组合而成的喷雾冷却传热实验教学平台（图1），可以使学生学习实验系统的搭建过程，掌握相关仪器的选型和操作，分析强化传热的途径、方法等。
1.整体式实验件。如图2所示，整体式实验件为紫铜材料，由底部基座、顶部测试段和中间过渡段构成，总高度为120mm。底部基座为圆柱体，直径、高度分别为55mm、80mm；沿底部掏空出9个直径10mm、高度75mm的热源孔，用于放置电加热棒。顶部测试段也是圆柱体，直径、高度分别为15mm、25mm；从上表面向下5mm、12.5mm、20mm的三个截面处，沿着周向开设8个直径1mm、深度3.5mm的测孔，用于埋设热电偶。
上述实验件的上表面是受喷雾冲击、被冷却的表面，当底部加热与上部冷却相平衡时，实验件温度分布稳定。通过处理采集到的温度，可以得到喷雾冷却传热特性。上表面可以是光滑表面，也可以是微结构表面。不同的传热表面结构呈现出不同的传热性能[5]，通过更换整体式实验件，可进行微结构表面强化喷雾冷却传热研究，这也为学生自主创新实验奠定了基础。
2.喷雾冷却系统。喷雾系统包括水槽、水箱、泵、流量计、调节阀和喷嘴。实验中，水泵抽取冷水箱中的冷水，经由转子流量计、调节阀、喷嘴对实验件进行喷雾冷却，吸热后的热水回流水槽，接着进入热水箱。喷嘴选用微细压力雾化喷嘴（HAGO公司，1/4FB-SS FN0.75和1/4TT-SS TG0.3），其具有雾化角小、流量分布均匀、流量小的特点，可满足实验要求。水泵选用的是南京欧瑞克公司的MG204XK/DC24W1磁力齿轮泵，其具有压力高、流量低、易调节（外接调速控制器调转速、控流量）的优势，以满足实验喷雾工况的变化。
3.加热系统。加热系统产生热量，使整体式实验件升温，模拟电子发热器件。交流电源、调压器、电加热棒、整体式实验件、腔体、保温材料等组成加热系统，将电加热棒（9只，功率为200W）嵌入整体式实验件热源孔中，调节调压器输出指定的加热功率，匹配喷雾冷却能力，以实现设计的实验工况。整体式实验件放置于腔体中，两者间隙填满保温材料，以减小热量损失，保证热量向上传递。
4.数据采集系统。数据采集是实验中的重要环节，Agilent34972A数据采集器、34901A数据采集卡、计算机构成了数据采集系统，它将热电偶及压力传感器获取的电压及电流信号转化为直观的温度及压力值。除了采集温度、压力数据外，实验中还配备了摄像机，拍摄实验件上表面发生的喷雾冷却现象，用于辅助分析传热规律。笔者以往的研究是在封闭系统内进行的[5]，为了便于实验过程的观察和拍摄，将原有系统改造为当前的开放式系统。传热特性或性能主要由热流密度表征，通过采集的温度进行计算：
q=
式中，q为热流密度，单位为W/m2；λ为紫铜实验件导热系数，单位为W/（m·℃）分别为上、中、下三排热电偶测得的温度均值，单位为℃；分别为三排热电偶的两个间距，单位为m。
二、教学实验项目设计
针对能源与动力工程专业在传热技术方面对多元化创新型人才的培养需求，从演示性实验、验证性实验和创新性实验三个方面[6]构建了喷雾冷却传热实验教学平台，可以开展以下主要实验。
1.喷雾冷却传热认识实验。通过对喷雾冷却传热系统中各组件的组装和管路的连接，熟悉传热实验台的搭建过程，了解和实际操作齿轮泵、流量计、雾化喷嘴、电加热棒、调压器、摄像机、数据采集器等仪器设备，对整体式实验件（模拟电子发热元件）有直观的认识，为后续课程的学习和工作打下基础。
2.喷雾特性对传热性能影响的实验。在同一个整体式实验件上，调节喷雾流量、喷嘴高度、喷嘴倾角、雾化压力等特征参量，研究它们与传热性能的内在关系，结合课本理论知识，验证提升传热性能的因素。
3.工质性质对传热性能影响的实验。在同样操作条件下，做蒸馏水和酒精等工质的对比实验，发现工质性质（沸点、汽化潜热、比热、导热系数等）对传热性能的影响规律，结合摄像机拍摄的图像、视频，解释强化传热的机理。
4.表面微结构对传热性能影响的实验。表面微结构化因增加了表面的凸起与凹槽，改善了表面液膜的形态，为近年来强化喷雾冷却传热的主要方向。学生可自行设计表面微结构，与光滑表面作对比实验，发现传热最佳的表面微结构并进行机理解释。 工质性质、微结构表面实验属创新性实验，通过设计实验过程、分析实验现象、给出机理解释等环节的训练，可激发学生的研究热情，提升自我创新能力。
三、喷雾冷却传热实验教学平台功能的多元化
在喷雾冷却传热实验系统搭建过程以及不同传热性能影响因素的综合设计、实验实施、数据处理、结果分析中，学生不仅完成了综合应用技能的强化和研究方法的训练，更重要的是，学生可以根据自己的兴趣自主选择实验项目，自主设计实验方案，自主完成实验及分析过程[6]，发现和探索喷雾冷却传热过程的规律和原理，这样既保证了理论教学演示性和验证性实验的开设，又满足了创新性、探究性和综合性实验的需求，也充分发挥了实验教学的认识、综合和探究功能[7]。
当前本科毕业设计选题普遍比较老旧且以理论计算为主，同时国家又大力倡导青年创新创业，喷雾冷却传热实验教学平台既可改善本科生毕业选题质量，又能为本科生提供创新创业训练的途径。学生可结合目前高功率电子器件散热的需求以及喷雾冷却技术的应用前景，自主查阅文献，自主选择或者在教师的指导下选择研究内容，利用教学平台完成项目实验。这不仅培养了学生理论联系实际的能力，更为重要的是为学生提供了一个从理论走向实践的平台，有助于提升学生的创新精神和实践能力[8，9]。
喷雾冷却传热实验教学平台还可满足科学研究和科技创新的需要，实现教学和科研的紧密结合。平台可为传热性能实验、强化传热表面微结构的优选及传热机理分析提供相关设备、装置和仪器，还可开展纳米流体喷雾冷却、喷雾冷却系统启动、喷雾冷却蒸发特性等方面的研究。将科研设备、实验技术、科学思维引入实验教学中，部分科研成果转化为本科实验教学内容，吸纳学生参与教师的科研项目，激发学生的科研热情，实现实驗室资源的最大化利用[10]。
四、结语
喷雾冷却传热实验教学平台的构建，将教师科研设备转化成为本科实验平台，实现了科学研究和实验教学的紧密结合。该实验平台，既满足演示性、验证性实验的要求，又具有创新性、设计性和综合性实验的功能，不仅能加深学生对强化传热知识的理解，而且可培养学生的工程素养、实践动手能力和科研创新意识。该平台在实施多元化创新型人才培养中发挥了重要作用。
参考文献：
[1]陈姝雨，吴传平，刘泽军.以培养创新型人才为导向的开放实验的探索[J].教育教学论坛，2017，（39）：272-274.
[2]易红.高校实验教学与创新人才培养[J].实验室研究与探索，2008，27（2）：1-4.
[3]林日亿，贾志英，徐伟栋.环空对流换热综合实验教学平台搭建[J].实验技术与管理，2016，33（6）：38-41.
[4]刘华东.构建“三三三”本科教育培养体系推进人才培养模式改革[J].中国高教研究，2016，（1）：56.
[5]WEI Zhang，ZHAO Liang-wang.Heat transfer enhancement of spray cooling in straight-grooved surfaces in the non-boiling regime[J].Experimental Thermal and Fluid Science，2015，（69）：38-44.
[6]姜烨，林日亿，刘晴雨，等.烟气脱硝实验教学平台的搭建[J].实验技术与管理，2015，32（11）：180-186.
[7]严碧歌，韩静.高等教育实验教学的作用与改进的措施[J].陕西教育学院学报，2008，24（2）：13-16.
[8]华小虎，杜双明.优化实验教学体系和资源培养学生认知和实践能力[J].实验室研究与探索，2017，36（1）：215-217.
[9]熊铁军，郦文忠，黄凯.光电系统创新设计实验教学与实践[J].教育教学论坛，2017，（34）：270-271.
[10]詹福建，许可，张东方.整合资源，优化资源共享，促进实验室全面开放[J].实验技术与管理，2011，28（11）：343-345.