机械工程

来源：Alexander S Rattner 和 Sanjay Adhikari；宾夕法尼亚州立大学机械与核能工程系，宾夕法尼亚州大学城 浸没在流体介质中的物体、运载工具和生物体会受到来自周围流体的作用力，这些力包括：由于流体重量产生的垂直向上的浮力、与运动方向相反的阻力（拖曳力），以及垂直于运动方向的升力。准确预测和表征这些力对于运载工具的设计以及理解游泳和飞行生物的运动机制至关重要。

来源：Alexander S Rattner 和 Kevin Rao Li，宾夕法尼亚州立大学机械与核工程系，University Park，宾夕法尼亚州 本实验的目的是演示漂浮船舶稳定性的现象——即当船舶受到外力作用而发生侧倾时，能够自行恢复正浮状态的能力。通过精心设计船体形状和内部质量分布，可以使航海船舶在吃水深度（船体浸没深度）较小的情况下仍保持稳定，从而提高船舶的操纵性并减小阻力。

来源：Alexander S Rattner；宾夕法尼亚州立大学机械与核工程系，University Park，宾夕法尼亚州 飞机、火箭和船舶通过将周围的流体或高温燃烧产物加速至高速来产生推进力。根据动量守恒原理，流体速度的增加会在飞行器或船舶上产生有效的推力。推进系统的推力性能通常通过静态推力测试来测量。在这些测试中，推进系统被安装并运行在固定的、配备仪器的平台上，通过测量安装支架上的约束力来确定推力。 在本实验中，将构建并建模一个小型静态推力测量装置。将测量两种模型飞机电机与螺旋桨系统以及一个计算机散热风扇的推力曲线。同时还将评估推力效率（推力 /...

来源：Alexander S Rattner，宾夕法尼亚州立大学机械与核工程系，University Park，宾夕法尼亚州 本实验介绍了管道网络和内流系统中压力损失的测量与建模方法。在这些系统中，通道壁面、管件和障碍物产生的摩擦流动阻力会使以流体压力形式存在的机械能转化为热能。需要通过工程分析来确定流动设备的尺寸，以确保摩擦压力损失处于可接受范围内，并选择能够满足压降要求的泵。

来源：Alexander S Rattner、Sanjay Adhikari 和 Mahdi Nabil；宾夕法尼亚州立大学机械与核工程系，宾夕法尼亚州大学城 在许多材料加工应用中，受控加热后快速冷却是一个重要环节。这种热处理工艺可以提高材料的硬度，对于切削工具或处于高磨损环境中的表面尤为重要。快速冷却阶段称为淬火，通常通过将材料浸入流体浴（常用水或油）中实现。淬火过程中的传热可能由强制对流引起——即材料在冷却剂中快速移动推动传热过程；也可能由自然对流引起——即材料表面附近高温流体密度降低，从而引发浮力驱动的循环和传热。在材料温度较高时，冷却剂可能发生沸腾，从而增强传热效果。然而，当温度极高的材料被淬火时，其表面可能被一层导热性相对较低的冷却剂蒸气包裹，导致传热效果变差。

来源：Alexander S Rattner 和 Mahdi Nabil；宾夕法尼亚州立大学机械与核工程系，宾夕法尼亚州大学城 当液体在开放渠道中以高速流动时，流动可能变得不稳定，微小的扰动即可导致液面突然跃升至更高水平（图1a）。这种液面的急剧上升称为水力跃升。液面的升高导致平均流速降低，从而将可能具有破坏性的流体动能以热能形式耗散。水力跃升被有意识地设计应用于大型水利工程中，例如大坝的溢洪道，以防止高速水流造成的破坏并减少侵蚀。水力跃升也自然发生于河流与溪流中，并可在家庭环境中观察到，例如水龙头水流冲击到水槽底部后呈径向向外扩散的情形（图1b）。 在本项目中，将构建一个明渠流动实验装置。安装一个闸门，这是一种可升降的垂直闸板，用于控制水流从上游水库向下游溢流道的排放速率。将测量在闸门出口处产生水跃所需的流量。这些实验结果将与基于质量守恒和动量分析的理论值进行比较。 图1：a. 由于对不稳定的高速流动产生轻微扰动，导致溢洪道下游出现水跃现象。b. 家用自来水龙头水流径向向外扩散时产生水跃现象的示例。

来源：Alexander S Rattner 和 Christopher J Greer；宾夕法尼亚州立大学机械与核工程系，University Park，宾夕法尼亚州 换热器在两种流体之间传递热能，在能源系统中广泛应用。常见应用包括汽车散热器（将高温发动机冷却液的热量传递给周围空气）、冰箱蒸发器（将冰箱内部空气的热量传递给蒸发中的制冷剂）以及发电厂的冷却塔（将凝结蒸汽的热量传递给蒸发的水和环境空气）。本实验的目的是介绍换热器的实验测量（性能测定）和建模方法。 在本实验中，将构建并评估一种水-水套管式换热器。通过测量温度和流量，确定传热速率（Q）和总传热导率（UA）。将实测的换热器 UA...

来源：Alexander S Rattner 和 Christopher J Greer；宾夕法尼亚州立大学机械与核能工程系，宾夕法尼亚州大学城 本实验演示了蒸气压缩制冷的基本原理。蒸气压缩循环是目前占主导地位的制冷技术，广泛应用于大多数冰箱、冷冻柜、空调系统和热泵中。在此循环中，通过制冷剂在低压下的蒸发实现制冷（吸热）。蒸发过程中吸收的热能通过制冷剂在高压下的冷凝释放到周围环境中。压缩机对工质施加机械功，使其从低压升至高压。 尽管制冷技术无处不在，但大多数冰箱的包装具有遮蔽性且运行过程自动化，这使得人们难以理解其工作原理以及关键部件的功能。在本实验中，将构建一个简单的蒸气压缩式制冷装置。压缩机通过自行车打气筒手动驱动，使实验者能够直观地理解循环运行过程，因为实验者本身成为了系统的一部分。通过热力学 T-s 图和 P-h...

来源：Ricardo Mejia-Alvarez 和 Hussam Hikmat Jabbar，密歇根州立大学机械工程系，美国密歇根州东兰辛市

来源：Ricardo Mejia-Alvarez 和 Hussam Hikmat Jabbar，密歇根州立大学机械工程系，美国密歇根州东兰辛市 湍流表现出极高的频率波动，需要使用具有高时间分辨率的仪器才能对其进行适当表征。热丝风速计具有足够短的时间响应，能够满足这一要求。本实验的目的是演示如何利用热丝风速测量技术来表征湍流射流。 在本实验中，将使用先前校准过的热线探针，在射流内的不同位置获取速度测量值。最后，我们将对数据进行基本的统计分析，以表征湍流场。 ...

来源：Ricardo Mejia-Alvarez，Hussam Hikmat Jabbar 和 Mahmoud N. Abdullatif，密歇根州立大学机械工程系，美国密歇根州东兰辛市 由于其控制定律的非线性特性，流体运动会产生复杂的流动模式。数百年来，人们对这些模式的本质进行了深入研究。尽管个人计算机和超级计算机被广泛用于推导流体流动模式，但其能力仍不足以准确确定复杂几何结构或高惯性流动（例如，动量主导于黏性阻力时）下的精确流动行为。鉴于此，人们已开发出多种实验技术，用以清晰呈现流动模式，这些技术能够达到理论和计算工具无法触及的流动状态和几何条件。 本演示将研究绕流钝体的流体流动。钝体是指由于其形状导致大部分表面发生流动分离的物体。这与流线型体（如翼型）相反，后者沿流动方向排列，产生的流动分离较少。本研究的目的是利用氢气泡作为可视化流动模式的方法。氢气泡通过直流电源在水中进行电解产生，即将电源电极浸入水中。氢气泡在负极形成，负极需使用极细的金属丝，以确保气泡保持微小，从而更有效地追踪流体运动。该方法适用于稳态和非稳态层流，基于描述物体周围流动特性的基本流线原理。[1-3]

来源：Ricardo Mejia-Alvarez 和 Hussam Hikmat Jabbar，密歇根州立大学机械工程系，美国密歇根州东兰辛市 本实验的目的是通过动压向静压的转换，演示流体流动如何对结构施加作用力。为此，我们将使平面射流冲击一块平板，并测量沿平板表面的压力分布。通过将压力分布与平板表面适当定义的面积微元的乘积进行积分，估算合力。该实验将在两种平板相对于射流方向的倾斜角度和两种流量条件下重复进行。每种配置都会在平板上产生不同的压力分布，这是由于在平板表面处动压向静压转换程度不同所致。

来源：Ricardo Mejia-Alvarez 和 Hussam Hikmat Jabbar，密歇根州立大学机械工程系，美国密歇根州东兰辛市 本实验的目的是演示如何应用能量守恒方程来确定流动系统的性能。为此，将稳态不可压缩流动的能量方程应用于一段带有闸阀的短管道。随后逐步关闭闸阀，并表征其对流动状态的影响。此外，通过将系统曲线与风机的特性曲线进行比较，研究该流动系统与驱动流动的风机之间的相互作用关系。

来源：Ricardo Mejia-Alvarez 和 Hussam Hikmat Jabbar，密歇根州立大学机械工程系，美国密歇根州东兰辛市 本实验的目的是通过控制体（CV）公式法[1, 2]，演示将流道校准为流量计的过程。控制体分析关注的是流动对工程系统的宏观影响，而非通过详细的微分分析所能获得的精细描述。这两种技术应被视为互补的方法，因为控制体分析可为工程师在设计流动系统时选择后续研究路径提供初步依据。总体而言，控制体分析能够使工程师了解系统中主导的质量交换情况，因此在采用微分公式进行任何详细设计或分析之前，理想情况下应首先完成控制体分析。

来源：Ricardo Mejia-Alvarez 和 Hussam Hikmat Jabbar，密歇根州立大学机械工程系，美国密歇根州东兰辛市 本实验的目的是通过控制体公式法，演示由于物体周围流体线动量变化而作用在物体上的力[1, 2]。控制体分析关注的是流动对工程系统的宏观影响，而非通过微分分析所能获得的详细描述。这两种方法在工程分析人员的工具箱中各有其用，应被视为互补而非相互竞争的方法。总体而言，控制体分析可使工程师了解系统中的主要载荷情况，从而对其在设计设备或结构时应采取的技术路线形成初步判断。理想情况下，在通过微分公式开展任何详细设计或分析之前，应首先进行控制体分析。