CC BY
40
Вісник ПДАБА
НАУКОВІ ДОСЛІДЖЕННЯ
УДК 378.14
ЗАСТОСУВАННЯ ІНТЕРАКТИВНИХ МОДЕЛЕЙ ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ ДЛЯ ДИСТАНЦІЙНОГО НАВЧАННЯ НА ТЕХНІЧНИХ СПЕЦІАЛЬНОСТЯХ
В. І. Сокуренко, к. т. н., проф., Л. В. Солод, асист., нач. відділу ДО,
А. А.. Чорнойван., зав. лаб.
Ключові слова: дистанційне навчання, інтерактивна модель, лабораторна робота, коефіцієнт тепловіддачі, конвективний тепловий потік, променевий тепловий потік.
Постановка проблеми. Однією з найважливіших умов успіху процесу впровадження та розвитку дистанційної форми навчання у вищому навчальному закладі є збереження якості освіти. Досвід діяльності в галузі дистанційної освіти (ДО) свідчить про те, що забезпечити виконання цієї умови складніше при впровадженні дистанційного навчання для технічних спеціальностей [1]. Причому особлива складність полягає у необхідності проведення лабораторних робіт.
На відміну від спеціальностей гуманітарного та економічного напрямку, на технічних спеціальностях лабораторні роботи передбачають ознайомлення з реальними приладами та устаткуванням, вимірювальною апаратурою, обчислювальною технікою, отримання навичок роботи з ними та з методикою експериментальних досліджень у конкретній предметній галузі. Слідування принципам дистанційного навчання вимагає забезпечити саме дистанційне виконання лабораторних робіт, тобто віддалене, без присутності студента у навчальному закладі.
Аналіз досліджень. Проблема може бути вирішена за рахунок створення віртуальних лабораторних робіт і тренажерів, або шляхом створення систем з мережним віддаленим доступом до реальних лабораторних установок. У першому випадку використовуються віртуальні моделювальні середовища-конструктори (Model Vіsіon Studrnm, LabVіEW, Internet Space Brnlder, Internet Scene Assembler, VRML-технологія та ін.), у другому - виконується не віртуальна, а реальна лабораторна робота, але з віддаленим доступом до керування реальними фізичними об'єктами та отриманням на клієнтському комп'ютері результатів впливу на об'єкт у реальному часі.
Мета статті - навести перші результати розробки та застосування інтерактивних моделей лабораторних робіт для дистанційного навчання.
Виклад. На кафедрі теплотехніки та газопостачання ПДАБА розпочато розробку та впровадження в навчальний процес комп’ютерних інтерактивних моделей лабораторних робіт, створених у моделювальному конструкторі LabVіEW. На цей час розроблено комплекс моделей лабораторних робіт із дисциплін «Тепломасообмін» та «Технічна термодинаміка», який включає такі лабораторні роботи:
Теплопередача при вимушеному русі повітря.
Визначення коефіцієнта випромінювання твердого тіла.
Дослідження роботи теплообмінного апарата.
Визначення коефіцієнта тепловіддачі горизонтальної труби при вільному русі повітря.
Вимірювання коефіцієнта теплопровідності методом пластин.
Визначення ізобарної теплоємності.
Опис комп’ютерної інтерактивної моделі лабораторної роботи. «Визначення коефіцієнту тепловіддачі горизонтальної труби при вільному русі повітря». При наявності температурного напору, тобто різниці температур поверхні горизонтальної труби та навколишнього повітря, між поверхнею труби та повітрям матиме місце процес складного теплообміну. Теоретичною основою лабораторної роботи є визначення складного теплообміну як сукупної дії конвекції та теплового випромінювання [2].
У комп’ютерній моделі кількість тепла за одиницю часу, що передається дослідною трубою шляхом теплового випромінювання, розраховується за рівнянням:
5
Вісник ПДАБА
Qn = C
ґ Ті 4 - 1 >
1100 J 1100 )
F
Вт,
де Спр = є ■ С0 - приведений коефіцієнт випромінювання, Вт/м2 К4,
є - ступінь чорноти поверхні дослідної труби,
С0 = 5,67 Вт/(м2 К4) - коефіцієнт випромінювання абсолютно чорного тіла; в наведеній комп’ютерній моделі як робочий елемент розглядається труба з нержавіючої сталі, тому Спр = 0,6 ■ 5,67 = 3,402 Вт/(м2 К4) (0,6 - ступінь чорноти нержавіючої сталі),
Т1, Т2 - абсолютні температури поверхні дослідної труби та навколишнього повітря, К, Ті -в комп’ютерній моделі обчислюється як середнє значення показань термопар за винятком крайніх ділянок дослідної труби, де мають значний вплив втрати тепла в навколишнє середовище;
F = ndl - площа поверхні дослідної труби, м2, d - зовнішній діаметр труби, м, l - довжина труби, м.
Кількість тепла за одиницю часу, що передається дослідною трубою шляхом конвекції (Qs) обчислюється як різниця повної кількості тепла, що виділяється в трубі і визначається як споживана електрична потужність (Q = U ■ I, U - напруга, В, I - сила струму, А) та кількості тепла, що передається шляхом теплового випромінювання (Qn).
Комп’ютерна модель заміняє реальну експериментальну установку, яка являє собою горизонтально розташовану трубу, у поверхню якої по її довжині впаяні термопари (Т1-12), нагрів труби здійснюється від трансформатора (Тр) струмом низької напруги, який підводиться до труби затискачами, напруга на робочій ділянці регулюється за допомогою лабораторного автотрансформатора (ЛАТР).
На рисунку 1 показано інтерфейс комп’ютерної інтерактивної моделі лабораторної роботи «Визначення коефіцієнта тепловіддачі горизонтальної труби при вільному русі повітря».
Рис. 1. Інтерфейс комп’ютерної інтерактивної моделі лабораторної роботи «Визначення коефіцієнта тепловіддачі горизонтальної труби при вільному русі повітря»
Метою лабораторної роботи є дослідження процесу складного теплообміну, визначення коефіцієнта тепловіддачі горизонтальної труби при вільному русі повітря та встановлення його залежності від температурного напору. Як видно з рисунка 1, на моніторі комп’ютера видно схему експериментальної установки, інтерактивні регулятори для задання температури навколишнього повітря, інтенсивності конвективного теплового потоку та потужності нагріву.
У ході виконання роботи на моніторі також можна бачити дві осцилограми:
6
№ 1 - 2 січень - лютий 2011
в лівій половині екрану - осцилограму значень температури вздовж робочого елемента в точках монтажу термопар та значень температури повітря, числове значення температури повітря фіксується у віконці синього кольору, а середня температура поверхні робочого елемента - у віконці червоного кольору над осцилограмою;
у правій половині екрану - осцилограму, яка демонструє співвідношення конвективної та випромінювальної складової теплового потоку, числові значення потужності цих потоків також фіксуються у віконцях червоного (випромінювання) та синього (конвекція) кольору над осцилограмою.
Внизу лівої половини екрану надається інформація щодо досліджуваного робочого елемента та стисла інструкція з проведення роботи.
Методика проведення лабораторної роботи. «Визначення коефіцієнту тепловіддачі горизонтальної труби при вільному русі повітря» з використанням комп’ютерної інтерактивної моделі. Віртуальна лабораторна робота розміщується на сервері, доступ до неї студентів може бути організований з відповідного дистанційного курсу. Засвоївши основні теоретичні положення щодо вільної конвекції та візуально ознайомившись з інтерфейсом комп’ютерної інтерактивної моделі лабораторної роботи та інструкцією, студент може приступити до її виконання.
Порядок проведення досліду
Інтерактивними регуляторами задається температура навколишнього повітря (t0) та рівень інтенсивності конвективного теплового потоку.
Інтерактивним регулятором потужності нагріву встановлюється режим нагріву в діапазоні, указаному в інструкції.
Для кожного режиму в журналі спостережень фіксуються значення потужності конвективного (Qk) та променевого (Qn) теплових потоків та значення середньої температури поверхні робочого елементу (tc).
Проводиться повторне дослідження при інших умовах теплообміну (змінюється температура навколишнього повітря та рівень інтенсивності конвективного теплового потоку).
Обробка результатів досліду
За отриманими даними для кожного режиму розраховується:
Температурний напір At = tc —10 .
Числове значення коефіцієнту тепловіддачі робочого елемента а = ак+ап, конвективна складова коефіцієнту тепловіддачі розраховується за формулою:
Qk
а = ■
F •At, Вт/м2 К
променева складова коефіцієнту тепловіддачі розраховується за формулою:
Qn
а = ■
F • At , Вт/м2 К
Результат розрахунків подається у вигляді графіка залежностей: а к = f (At), а п = f (At),
а = f (At).
Робиться висновок щодо впливу потужності теплового потоку на величину коефіцієнта тепловіддачі заданого робочого елемента та співвідношення конвективної та променевої складової теплового потоку.
В дистанційному курсі до віртуальної лабораторної роботи додається:
- бланк журналу спостережень;
- вимоги щодо оформлення звіту про виконану лабораторну роботу;
- вимоги щодо захисту лабораторної роботи.
Як захист виконаної віртуальної лабораторної роботи студенту може бути запропонований короткий тест, що також міститься в дистанційному курсі, або кілька питань для письмової відповіді. Результати виконання та захисту віртуальної лабораторної роботи зберігаються на сервері, у персональному портфоліо студента, до якого є доступ у викладача, або надсилаються викладачеві електронною поштою.
Висновок. Упровадження в навчальний процес комп’ютерних інтерактивних моделей лабораторних робіт, створених у моделювальному конструкторі LabViEW, дає можливість вирішити проблему проведення лабораторних робіт із технічних дисциплін при дистанційному
7
Вісник ПДАБА
навчанні, що, в свою чергу, забезпечує якість дистанційного навчання на технічних спеціальностях.
ВИКОРИСТАНА ЛІТЕРАТУРА
1. В. І. Сокуренко, І. Ф. Огданський, Р. Б. Папірник, Л. В. Солод. Особливості впровадження дистанційного навчання для технічних спеціальностей // Вісник Придніпровської державної академії будівництва та архітектури. - Д.: ПДАБА, 2009. - № 2.
2. Михеев М. А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. М.: Энергия, 1977. - 344 с.
УДК 621.868.27
ОРГАНІЗАЦІЙНО-ТЕХНОЛОГІЧНІ РІШЕННЯ РОЗБИРАННЯ ЗАВАЛІВ ДЕКІЛЬКОХ ЗРУЙНОВАНИХ БУДІВЕЛЬ АБО СПОРУД
С. В. Шатов, к. т. н., доц.
Ключові слова: стихійні лиха, зруйновані будівлі, завали з уламків будівель, технологія розбирання завалів кількох зруйнованих будівель.
Проблема. Щороку в Україні реєструється близько 350 надзвичайних ситуацій природного та техногенного характеру, внаслідок яких щорічно гине понад п’ять тисяч людей. Матеріальні збитки, завдані надзвичайними ситуаціями за останні 11 років, оцінюються в суму 12 млрд. гривень. Під дією стихійних лих і техногенних катастроф будівлі та споруди руйнуються, під завалами перебувають потерпілі. Зараз розбирання завалів виконується різноманітною технікою, яка не завжди відповідає вимогам рятувальних або відновлювальних робіт (особливо при руйнуванні декількох об’єктів), що призводить до виконання цих робіт за недосконалими технологічними схемами, а це збільшує терміни та трудомісткість їх ведення. Тому потрібне створення організаційно-технологічних рішень розбирання завалів декількох зруйнованих будівель та споруд в умовах обмеженого простору використання техніки.
Аналіз публікацій. До стихійних лих належать землетруси, урагани, зсуви та повені [5]. Причинами техногенних катастроф та аварій є вибухи газу, пожежі, непередбачені навантаження на будівельні конструкції. Наслідками зазначених вище стихійних лих або аварій є руйнування або пошкодження будівель та споруд [3; 4; 6]. Залежно від джерела стихійного лиха або аварії, їх потужності, часу дії та інших чинників, руйнування будівель та споруд має імовірнісний характер. У той же час є визначені окремі закономірності їх руйнування, встановлені автором [7; 10]. Знання цих закономірностей дозволяє обґрунтовано та за короткий час спланувати, організувати та виконати роботи з розбирання завалів.
Серед стихійних лих найбільшими руйнівними проявами є землетруси, як за кількістю загиблих (табл.1), так і за розмірами руйнувань [5].
Т а б л и ц я 1
Найсильніші землетруси (після 1900 р.)
Рік Епіцентр Магнітуда Кількість загиблих
1 1976 Тянь-Шань (Китай) 7,8 650 000
2 2004 Суматра 9,1 280 000
3 1920 Ганьсу (Китай) 7,8 200 000
4 1927 Цинхай (Китай) 7,9 200 000
5 1923 Токіо (Японія) 7,9 143 000
6 1948 Туркменія 7,3 110 000
7 1908 Мессина (Італія) 7,2 100 000
8 2005 Кашмір (Індія) 7,6 80 000
9 1932 Ганьсу (Китай) 7,6 70 000
10 1935 Кветта (Пакістан) 7,5 60 000
8
