CN103954430B - 应用风洞原理的快速涡量测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用风洞原理的快速涡量测量装置。本发明中的大外球面轴承带座上装有5V直流电机，5V直流电机驱动弧形叶片转动，从而产生旋风，弧形叶片正对风洞的一端设置，风洞设置在立式轴承座上，旋风经风洞去旋，转成直流风；风洞的另一端正对挡板前方，该挡板装在三维调节支架上，用于产生大小、旋向不同的涡流；挡板后方设置有可移动的测量单元。测量单元由十字叶片、对射式红外光电开关发射器、小外球面轴承带座、小叶片、微型轴承、对射式红外光电开关接收器、直线滑动滚珠箱式滑块轴承和导轨组成。本发明化抽象为具体，比较直观的体现了涡量的存在,测量了涡量的具体数值范围，有利于流体力学中的抽象知识进行直观理解。

Description

应用风洞原理的快速涡量测量装置

技术领域

本发明属于流体力学检测技术领域，具体涉及一种应用风洞原理的快速涡量测量装置。

背景技术

涡量是一个描写旋涡运动常用的物理量。流体速度的旋度为流场的涡量。涡量的单位是秒分之一。涡旋通常用涡量来量度其大小和方向，涡量定义为速度场的旋度。在流体中，只要有涡量源，就会产生涡旋。对于二维流体而言，其涡量垂直于流体平面。而若有一流体绕着一个轴心刚体旋动的话，则其涡量值为角速度之两倍；故对这样的流体而言，若涡量值为零的话则必为非旋转流体。但是，非旋转流体仍然可以具有非零值的角速度，如一绕着轴心绕转时、其切线速度刚好正比于流体与轴心距离之倒数的流体，其涡量为零。

流体力学主要研究在各种力的作用下，流体本身的状态，以及流体和固体壁面、流体和流体间、流体与其他运动形态之间的相互作用的力学分支。流体力学是力学的一个重要分支，它主要研究流体本身的静止状态和运动状态，以及流体和固体界壁间有相对运动时的相互作用和流动的规律。在生活、环保、科学技术及工程中具有重要的应用价值。而流体力学这门学科的许多理论都是抽象的，枯燥的讲解，在理论学习过程中，不仅不能加深流体力学的理解，还严重打击同学学习的欲望，而通过一些实验教具装置，用事实来说话并结合具体操作及其生动的讲解，能让学生更好的理解与记忆，符合当代比较前卫的教学模式。另外流体力学关于涡量的快速测量装置，几乎没有，本发明的涡量测量装置，可以弥补这方面缺乏。现在流体力学可以通过计算机数值模拟方法，得到三维、有旋流动的解析解，理解好涡量这个概念对流体力学理论知识掌握很重要。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了应用风洞原理的快速涡量测量装置。

本发明解决技术问题所采取的技术方案为：

本发明包括5V直流电机、大外球面轴承带座、弧形叶片、风洞、三维调节支架、挡板、十字叶片、对射式红外光电开关发射器、小外球面轴承带座、小叶片、微型轴承、对射式红外光电开关接收器、直线滑动滚珠箱式滑块轴承、导轨、立式轴承座。

在大外球面轴承带座上装有5V直流电机，5V直流电机驱动弧形叶片转动，从而产生旋风，弧形叶片正对风洞的一端设置，所述的风洞设置在立式轴承座上，旋风经风洞去旋，转成直流风；风洞的另一端正对挡板前方，该挡板装在三维调节支架上，用于产生大小、旋向不同的涡流；挡板后方设置有可移动的测量单元。

所述测量单元由十字叶片、对射式红外光电开关发射器、小外球面轴承带座、小叶片、微型轴承、对射式红外光电开关接收器、直线滑动滚珠箱式滑块轴承和导轨组成。

用于感知涡流的十字叶片通过微型轴承与小叶片同轴设置，对射式红外光电开关发射器和对射式红外光电开关接收器装在小外球面轴承带座上，小叶片位于小外球面轴承带座内，通过对射式红外光电开关发射器和对射式红外光电开关接收器测量小叶片的转速，从而得到涡流量；所述小外球面轴承带座设置在直线滑动滚珠箱式滑块轴承上，直线滑动滚珠箱式滑块轴承安装在导轨上。

进一步说，所述的挡板为三角形。

本发明化抽象为具体，比较直观的体现了涡量的存在,测量了涡量的具体数值范围，有利于流体力学中的抽象知识进行直观理解；结合了所学专业课程的知识，以及公式的应用，便于记忆学习；涡量测量装置，填补了专业实验教学用具上的空缺，有利于专业教学的发展；涡量的消除与产生严格按照控制变量法，确保测量的准确。涡量测量装置采用不同挡板和对应角度，测量的结果形成对比，阐明了不同挡板下涡量的变化；此涡量测量装置结构简单，便于讲解和理解。

附图说明

附图1为本发明总体结构示意图。

附图2为本发明风洞截面图。

附图3为立式轴承座，直线滑动滚珠箱式滑块轴承，导轨组成的底座图。

附图4为本实用新型三维调节支架。

图中的附图1标记为：1.大外球面轴承带座；2.5V直流电机；3.弧形叶片；4.风洞；5.三维调节支架；6.挡板；7.十字叶片；8.对射式红外光电开关发射器；9.小外球面轴承带座；10.小叶片；11.微型轴承；12.对射式红外光电开关接收器；13.直线滑动滚珠箱式滑块轴承；14.导轨；15.立式轴承座。

具体实施方式

下面结合附图对本发明装置的技术方案，及其工作原理作进一步的阐述。

如图1、图2、图3和图4所示，本实施例包括：5V直流电机2、大外球面轴承带座1、弧形叶片3、风洞4、三维调节支架5、挡板6、十字叶片7、对射式红外光电开关发射器8、小外球面轴承带座9、小叶片10、微型轴承11、对射式红外光电开关接收器12、直线滑动滚珠箱式滑块轴承13、导轨14、立式轴承座15。

快速涡量测量装置可以测出通过挡板所产生的涡量：1、利用5V直流电机带动风机产生有旋风，风洞去旋，转成直流风；2、调节三维调节支架的三角形和圆柱体挡板，产生大小、旋向不同的涡流，有利于理解涡量的产生和影响涡流变化的因数；3、测量装置能够前后移动，与挡板的距离不同，测量值不同，可通过单片机显示屏的读数，直接读出涡量大小值，并判断涡流的趋势以及距离对涡流的影响。此装置不仅可以由教师作为演示性实验在课堂上演示，也可以由本人自己动手体验涡量的存在及其物理意义。

涡量测量装置主要由四部分构成。第一部分产生无涡量的风：一个小型电机带动风扇形成风源，扇叶前放置与它等高平行的风洞，其作用是去除涡流，产生直流风(这样的风不会使十字叶片转动)；第二部分：风洞后加上可调节的多种挡板，重新产生不同转向和大小的涡流，从而加深学生对影响涡量变化因素理解；第三部分测涡量:涡流带动十字叶片转动，同轴的叶片会以相同的角速度转动，利用光传感器计数，测出其每秒的转速；第四部分：涡量测量的显示器，由涡流量，通过单片机程序计算可得涡量值，通过单片机内部程序设置，显示屏显示出所测量的实验结果。

在使用过程中，第1步、连接好数据线，将光感数据线接入单片机端口；第2步、接通电机和单片机电源；第3步、打开开关，电机和单片机开始工作；第4步、微调风洞位置，使十字叶片静止不动，此时单片机显示的涡量值为0；第5步、三维调节支架夹上挡板，此时十字叶片发生转动，单片机显示涡量数值具体数值；第6步、调节挡板的旋转角度，适当移动挡板，可观察到十字叶片转速发生变化，转向也可发生变化，整体的涡量变化数值也实时显示在单片机屏幕上。

在安装过程中，确保风机、风洞、涡量测量装置叶片中心在同一水平线上；风洞的形状、里面槽的布置，挡板的形状、摆放位置以及倾斜角度要求依照附图1的结构；涡量测量装置中的小轴承与盛装测量仪的轴的细小铜管虽然从型号和尺寸上能够配合但是实际不能完全配合，并且轴承在铜管中位置不固定容易跑动，需要保持固定；涡量测量装置上装光传感器需要在对射式红外光电开关发生器和接收器前各打一个通孔和螺栓孔，而对射式红外光电开关发生器和接收器必须偏离圆柱轴线一定距离装配，使得两个通孔和螺栓孔可以保持在偏心位置。

该装置的优点是比较生动直观的体现涡量的存在，并且可利用光传感器定量判断涡量的大小。由于涡量是抽象的，很难直观的展示，所以这种快速涡量测量装置可以让使用者直接去感受到涡量。此装置能够应用于实验与教学，和流体力学的理论知识联系紧密，可以加深对涡量的理解和公式推演。另外将该装置应用课堂，可以增加学习兴趣，活跃课堂氛围。而且制作简单，价格低廉易于推广。此快速涡量测量装置不仅可以由教师作为演示性实验在课堂上演示，也可以由自己动手体验涡量的存在及其物理意义。此套装置想法新颖，并且装置简单，填补了专业教学实验用具上的空缺。

Claims (2)

1.应用风洞原理的快速涡量测量装置，其特征在于：包括5V直流电机、大外球面轴承带座、弧形叶片、风洞、三维调节支架、挡板、十字叶片、对射式红外光电开关发射器、小外球面轴承带座、小叶片、微型轴承、对射式红外光电开关接收器、直线滑动滚珠箱式滑块轴承、导轨、立式轴承座；

在大外球面轴承带座上装有5V直流电机，5V直流电机驱动弧形叶片转动，从而产生旋风，弧形叶片正对风洞的一端设置，所述的风洞设置在立式轴承座上，旋风经风洞去旋，转成直流风；风洞的另一端正对挡板前方，该挡板装在三维调节支架上，用于产生大小、旋向不同的涡流；挡板后方设置有可移动的测量单元；

所述测量单元由十字叶片、对射式红外光电开关发射器、小外球面轴承带座、小叶片、微型轴承、对射式红外光电开关接收器、直线滑动滚珠箱式滑块轴承和导轨组成；

用于感知涡流的十字叶片通过微型轴承与小叶片同轴设置，对射式红外光电开关发射器和对射式红外光电开关接收器装在小外球面轴承带座上，小叶片位于小外球面轴承带座内，通过对射式红外光电开关发射器和对射式红外光电开关接收器测量小叶片的转速，从而得到涡流量；所述小外球面轴承带座设置在直线滑动滚珠箱式滑块轴承上，直线滑动滚珠箱式滑块轴承安装在导轨上。

2.根据权利要求1所述的应用风洞原理的快速涡量测量装置，其特征在于：所述的挡板为三角形。