◆李帅帅 胡亚非

作者：李帅帅，中国矿业大学化工学院，研究方向为过程装备与控制工程；胡亚非，中国矿业大学化工学院教授（221116）。

1 引言

流体力学是高校工科专业的基础理论课程，流体力学实验对于流体力学的课程教学起到十分重要的作用。国内90%左右的工科高校都采用浙江大学力学基地所研制的流体力学实验仪器。为了直观流动现象，流体力学实验装置多数采用透明的有机玻璃材料，非常容易损坏，而且装置体积大，占用了实验室内较大的空间。北方地区高校为了避免水结冰，装置胀裂，每年冬季会将大量的实验用水放掉，水资源浪费严重。通过改进使用血压测量计，将人体血液循环和血压测量相结合开发流体静力学演示实验，创新教学方式，提高实验效率，增强教学质量，服务社会公益，可以取得良好的教学效果和社会公益效果。

血压的测量原理如图1所示，在测量血压时，在手臂上束紧袖带1，袖带1通过一根橡胶管2与一个小型气泵3（通过反复捏挤给气袋充气）相连，通过气泵给袖袋充气而不断挤压手臂上的动脉，这时用听诊器4可以听到血管中由于血液流动对管壁冲击而发出的声音；然后不断束紧袖带1来挤压手臂上的血管，当压力达到一定程度时，手臂上大动脉的血液流动将会完全停止，这时听诊器4听不到原来有规律的脉搏声；然后通过橡皮管2上的一个阀门慢慢把臂带中的空气释放出来，袖带对手臂大动脉的压力也会慢慢降低，当下降到一定程度时大动脉中的血液又开始恢复流动，听诊器中就又可以听到脉搏声。此时血液对动脉壁的压力和臂带对手臂的压力值是相等的，是心肌收1缩时血液对动脉的压力，称收缩压；当放出更多的空气，臂带的压力进一步减少，当压力降到某点，臂带对于血管的压力不会对肱动脉内血液的流动产生影响，此时的压力称为为舒张压。在将人体血液循环系统应用到流体力学的实验中时，应尽量保持血管的正常流通状态，而不会因为测量的过程中外界的压力作用而改变血管的形状。因此，要使血管内的血液保持舒张压的流通状态，利用血压计对人体血液循环系统进行流体力学实验。

图1 血压测量示意

血压测量与流体静力学实验血压的测量过程简单方便，作为一种人体健康的检查手段，医生乃至普通人只需按照上述操作读出水银柱的高度即可知血压是否正常，而且人体血液循环系统具有类似于实际管路流通的流体运动特点的组成结构，借助血压测量计来实现流体力学的实验验证，具有简单方便而且高效的优势。本文探讨的是：在大学工学专业流体力学课程教学活动中如何利用血压的测量过程解读流体力学知识。

公式P=P0+ρgh是流体静力学方程的延伸形式，是平衡（静止和相对静止）流体中压力分布的普遍规律，也是流体静力学最基本的实验内容。但在流体力学教学中讲课与实验是不同的，通常实验滞后于课程。因此，公式的解读让学生感觉枯燥、片面且印象不深，难以产生理想的教学效果。为此，借助血压测量计来实现流体力学的实验验证，对血压测量过程进行拓展，设计了图2所示的基于人体血压测量的流体静力学演示实验。图2中所示的实验装置主要有：由袖带1、小型气泵2及其他测量装置组成的血压计3，在连接血压计的橡胶管上连接另一条橡胶管并与玻璃导管4连接，接触处安有阀门5，导管分别与两个U型玻璃管6、7相连接，共同固定在带有相同均匀刻度的木板8上，U型管中装有密度不同的液体（如酒精、水等），其次是听诊器9。

图2 基于血压测量的流体静力学实验

在实验过程中，按照上述方法对人体的血压进行测量，待调整为舒张压后打开阀门5，即可看到血压计3、U型管6与U型管7有着不同的液柱高度差h。按照等压原理，所测的部位血液作用于血管的压力与袖带内气体的压力大小是相同的，袖带外压力通过气体进行传输，一直传输到U型管中测量液体的表面。此时作用于三只U型管液体表面的气压P（即所测血压）是相同的，对U型管左侧液体施加压力，液体通过U型管向右侧流动，U型管右端与空气相连，使得U型管中右侧液柱高度高于左侧，形成高度差h。此时所测量的血压值P等于标准大气压P0与高度为h的测量液柱的压强ρgh之和，即：P=P0+ρgh。其中，ρ为液柱密度，g为重力加速度。因此，U型管中液体的密度不同，液柱高度h也不同，以此对流体静力学方程进行了很好的实验验证。

2 结论

本文首次提出以“人体血液循环”作为流体力学实验系统，对血压仪进行拓展，开展实验，实验设备简单，实验操作易行；可以很好地实现跟随课堂教学，提高课堂的学习效率，加深学生的对流体力学的理解和认识，增强学生的学习兴趣，实现更高水平的教学。同时在创新实验的过程中学习到的流体力学知识得以强化，以生动形象的方式为流体力学教学服务。作为一种全新的工科流体力学实验教学模式，基于血液循环的流体力学实验教学资源还有待进一步拓展。

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