CN103531058A

CN103531058A - 教学演示用小型风洞

Info

Publication number: CN103531058A
Application number: CN201210236575.4A
Authority: CN
Inventors: 谢长川; 杨超; 马成骥; 李云鹏; 刘晓晨; 张超
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2012-07-06
Filing date: 2012-07-06
Publication date: 2014-01-22

Abstract

本发明为一种课堂教学演示用小型风洞，由洞体、动力系统、数据图像采集系统、软件系统组成。采用电机转速来标定风速，再通过软件转换为风速显示，并同时采用可视化电教化融合式系统设计，实时拍摄试验件图像，将其与风速信息共同显示于屏幕上，全部输出接口为USB，兼容性好，即插即用。整体结构紧凑，小巧便携，成本低廉，流畅稳定，适于各类学校作为相关实验课的教具使用。

Description

教学演示用小型风洞

技术领域

本发明涉及一种小型风洞，尤其是一种新型的适于课堂教学用的实验演示用小型风洞。

背景技术

风洞是能人工产生和控制气流，以模拟飞行器或物体周围气体的流动，并可量度气流对物体的作用以及观察物理现象的一种管道状实验设备，它是进行空气动力实验最常用、最有效的工具。

无论是中小学的自然课、物理课还是大学的气动课程，都有许多与空气动力相关的内容，但由于其相关实验离不开风洞，而现有风洞体积庞大、结构复杂、造价高，不适合在课堂上使用，故这些课程往往缺少实验的支持，不利于学生对所学内容的直观认识，达不到最好的教学效果。

发明内容

本发明提供了一种小型风洞，适用于诸如课堂教学用演示，解决了现有技术中存在的问题，用方便教师在课堂上进行演示实验。该装置体积小巧，结构简单，成本低廉，拆装方便，便于携带，流场稳定，并采用了可视化电教化融合式的系统设计，适用于课堂环境。同时，接口采用标准化设计，方便功能的扩展。

根据本发明的一个方面，提供了一种小型风洞，其特征在于包括：

外骨架，其包括整流段和试验段；

电机支架，其被设置在整流段的入口处并被固定在所述外骨架上；

固定于电机支架上的电机；

安装在所述电机的电机轴上的桨叶，

其中，所述桨叶在所述电机的带动下旋转，从而产生气流，经整流段整流后在试验段中产生所需的稳定流场。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的小型风洞的骨架总体图。

图2是图1所示实施例中由出口向内部观察的视图。

图3是图1所示实施例中的侧面剖视图。

图4是图1所示实施例中的系统架构框图。

附图标记：

（1）外骨架（2）出口（3）可拆卸顶盖（4）观察窗（5）内壁（6）电机支架（7）光电开关安装孔（8）电机安装孔（9）试验件支架（10）试验段（11）整流段（12）入口

具体实施方式

根据本发明的一个实施例如图1、2、3所示，其中，外骨架（1）由诸如3mm的层板制成，通过卡槽拼接或粘接，分为整流段（11）和试验段（10），内壁（5）由PVC材质覆盖，光滑过渡。整流段（11）设有蜂窝器和导流器（未显示），以提供稳定流场。在试验段（10）上安置有可拆卸顶盖（3）和观察窗（4）。可拆卸顶盖（3）方便标定风速和试验件的替换，可拆卸顶盖（3）中部为试验件支架（9）。观察窗（4）为有机玻璃材质，方便观察试验件状态。入口（12）处设有十字形的铝合金电机支架（6），通过螺栓固定于外骨架（1），电机（未显示）通过配套螺栓固定于电机支架（6）电机支架（6）的电机安装孔（8）上，桨叶（未显示）安装在电机轴上。光电开关安装孔（7）用于固定反射式光电开关（未显示），位于桨叶后方不远处，每当桨叶经过光电开关正前方时光电开关便输出一个脉冲信号，通过计算可得到电机的转速。在出口（2）可粘接摄像头（未显示），对准试验件。

系统架构及工作原理如图4（以前述航模动力系统为例）。本发明以洞体为核心，由动力系统、数据图像采集系统、软件系统组成。

在根据本发明的一个具体实施例中，用锂电池作为电源提供电机所需的电力，电子调速器控制电机的转速，电机带动桨叶旋转产生一定速度的气流，经整流段（11）整流在试验段（10）产生实验所需的稳定流场。

为了克服狭小的风洞空间和试验件的存在为在风洞中安装风速测量装置所造成的困难，放弃了在内部安装空速管的方案，而用电机转速来标定风速。即找出转速和风速的对应函数关系，利用函数关系，将采集的电机转速信息经过计算转换为风速显示。

光电开关采集电机转速，经放大器放大，通过USB采集卡输入计算机。风速与转速之比值事先标定，预置于自编程序中，自编程序将输入的转速信号转换为风速通过模拟LED显示于显示屏上。

与此同时，摄像头拍摄试验件状态，经USB转换器输入计算机，通过视频显示软件实时显示在显示屏上。

当前风速数值与试验件图像通过与计算机相连的电教设备共同显示，以供学生观察。

使用时首先安装试件，然后连接计算机，打开相关软件，接通电源，听到提示音后即可开启电机进行试验。

本发明是通过对洞体、动力系统、数据图像采集系统、软件系统进行合理的设计和搭建所完成的。其一个具体的实施方案的具体配置包括：

1.洞体材料选择

为达到轻便和低成本的要求，选用3mm层板制作洞体骨架

2.洞体分段

洞体可分为入口、整流段、试验段、出口。

3.洞体断面形状

为方便放置，骨架外框整体为尺寸相等的正方形。对于风道，实验段断面采用正方形，以方便试验件固定和观察窗的开设；整流段断面形状为圆形，以适应风扇旋转的需要。两段间采用圆形截面到正方形截面的过渡。

4.动力系统

采用应用于航空模型成熟的动力系统：螺旋桨—电机—电子调速器—锂电

5.转速测量装置

将欧姆龙反射式光电开关置于桨叶后端，当桨叶经过光电开关便触发脉冲信号，配合放大器和USB采集卡，将信号输入计算机。

6.风速测量装置

风速仪：采用CEM DT-8880热线式风速仪，其纤细的探头对流场影响小，可伸缩手柄适用于狭小空间，便于固定，分辨率0.01m/s，精确度5%。

7.视频采集装置

Sony高清CCD摄像头，EasyCAP USB转接器，安装在实验段出口。

8.转速-风速转换显示

对实验段入口、中段、出口截面进行的转速和实时风速的测量。

拟合曲线得到风速和转速的关系式：风速（m/s）/转速（r/s）=0.098383097

在Labview软件中进行函数计算，将光电开关输出的脉冲信号转换为风速在模拟LED上显示。

9.视频图像显示

EasyCAP图像显示软件显示摄像头采集的图像，与风速一同投影之大屏幕，实时显示试验件现象。

表1电机参数

KV	1250
		重量	68g
直径	27.65mm
		长度	34mm
轴径	3.0mm
		无负载电流	10V/1.0A
最大持续功率	285W

表2螺旋桨参数

长度	约23cm（9英尺）
		桨孔	6mm

表3电池参数

规格	2200 MAH 25C 3S1P
		电压	11.1V
倍率	25C
		单体内阻	3.2-4mΩ
重量	175±5克

本发明的有益效果包括：

1）是首款用于课堂教学的风洞演示设备，可作为高校、中小学的各类相关实验课教具使用。

2）体积小巧，结构简单，成本低廉，拆装方便，流场稳定，耗电量低采用满足课堂教学需要的便携式设计。

3）采用可视化电教化融合式系统设计，实时采集数据、实时处理数据和实时显示试验状态。试验段现象和即刻当地风速通过计算机显示于投影仪等电教设备上，全部输出接口为USB，兼容性好，即插即用，节省课堂时间。

4）本发明新型所使用的部件均易加工和购买，且各个零部件更换非常方便和容易。接口和零件采用标准化设计，扩展性强，适用于各类学校使用。

Claims

1.一种小型风洞，其特征在于包括：

外骨架（1），其包括整流段（11）和试验段（10）；

电机支架（6），其被设置在整流段（11）的入口（12）处并被固定在所述外骨架（1）上；

固定于电机支架（6）上的电机；

安装在所述电机的电机轴上的桨叶，

其中，所述桨叶在所述电机的带动下旋转，从而产生气流，经整流段（11）整流后在试验段（10）中产生所需的稳定流场。

2.根据权利要求1的小型风洞，其特征在于进一步包括：

安装在所述电机支架（6）上的光电开关，所述固定反射式光电开关位于所述桨叶后方不远处，从而每当桨叶经过光电开关正前方时光电开关便输出一个脉冲信号，根据所述脉冲信号得到电机的转速。

3.根据权利要求2的小型风洞，其特征在于进一步包括：

计算机，用于根据事先标定的风速与转速之比值，把所述转速转换为风速。

4.根据权利要求2的小型风洞，其特征在于进一步包括：

在试验段（10）上安置的可拆卸顶盖（3），用于标定风速和安放试验件；

设置在可拆卸顶盖（3）中部的试验件支架（9），用于设置试验件。

在试验段（10）上安置的和观察窗（4），用于观察试验件的状态。

5.根据权利要求4的小型风洞，其特征在于：

外骨架（1）由层板制成，通过卡槽拼接和/或粘接，

且所述小型风洞进一步包括：

设在整流段（11）上的蜂窝器和导流器，用于提供稳定流场。

6.根据权利要求5的小型风洞，其特征在于：

外骨架（1）的内壁（5）由PVC材质覆盖，光滑过渡,

所述所述电机支架（6）是十字形的铝合金支架。

7.根据权利要求5的小型风洞，其特征在于进一步包括：

在试验段（10）的出口（2）处设置的摄像头，用于对试验件进行摄像。