CN109243263A - 一种教学演示与实验用的桌面式直流低速风洞 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种教学演示与实验用的桌面式直流低速风洞，包括：喇叭口1、稳定段2、收缩段3、实验段4、扩散段5、动力段6，其中：实验段4采用透明的材料制作；实验段4包括实验段上壁20、下壁18、第一侧壁17、第二侧壁19和测力天平11，上壁、下壁、第一侧壁和第二侧壁上都开有预留开孔10，用于安装各种实验设备；第一侧壁和第二侧壁可打开，以方便实验设备的安装与更换；采用了动力风扇后置、设置了复杂气流稳定装置和测量演示等手段，能够满足教室开展基本空气动力学测量实验的要求，使大中小学生能通过动手操作认识和学习空气动力学，降低了风洞实验的门槛，简化了操作，实现了多用途测量与演示。

Description

一种教学演示与实验用的桌面式直流低速风洞

技术领域

本发明涉及一种教学演示与实验用的桌面式直流低速风洞。

背景技术

空气动力学实验中，通常采用风洞实验来研究物体在流动的空气中运动时的物体与空气之间的相互作用。风洞可以通过采用自然或人造的方式在实验段内产生气流运动，并将实验物体放置在风洞内部，依据相对性原理，模拟物体在空气中运动时受到的气动力。通过风洞，可以研究并认识物体与空气之间的相互作用关系，对于航空航天研究与教学具有重要的意义。

目前的风洞主要集中在航空航天专门院校、科研场所与工业部门，其使用的大型风洞具有实验门槛高、价格昂贵、操作复杂、占地面积大等特点，使得风洞教学演示与测量实验无法纳入教学大纲。

同时，现有的实验用小型风洞主要以实现某一功能的定性演示为主，缺乏相应配套的定量展示与测量工具与手段，无法完成基本的实验测量工作。大部分风洞由于没有准确的风洞风速测量装置，也缺乏可调节转速的风机，无法对实验段风速进行准确控制。例如，公告号为CN203386396U的中国发明专利，公开了“一种风洞演示实验装置”，仅将飞行器通过导孔安装在实验段内的导杆上来演示升力的效果。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种教学演示与实验用的桌面式直流低速风洞，其特征在于包括：

喇叭口、稳定段、收缩段、实验段、扩散段、动力段，

其中：

实验段采用透明的材料制作，一般可以采用较为厚的有机玻璃，

实验段包括实验段上壁、下壁、第一侧壁、第二侧壁和测力天平，上壁、下壁、第一侧壁和第二侧壁上都开有预留开孔，用于安装各种的实验设备，

第一侧壁和第二侧壁可以打开，以便方便地进行实验设备的安装与更换，

实验段上开有若干预留开孔，用于安装实验仪器，

实验段上装有皮托管压强传感器，用于测量实验段内的气流流速，

第二侧壁上通过天平卡具固定有测力天平，用于对实验段内安装的翼型实验模型受到的气动力进行测量，

测力天平包括多维力传感器、天平支撑装置、联轴器、天平俯仰迎角指示盘，其中：

多维力传感器被紧固在天平支撑转置上，

天平支撑装置与天平俯仰迎角指示盘固连，通过实验段天平卡具固定在第二侧壁上，

第二侧壁上标注有天平俯仰指示针，俯仰角指示盘上标注有俯仰角刻度，

实验模型的俯仰角通过旋转测力天平得到调节，

实验模型通过联轴器与多维力传感器固连。

附图说明

图1为根据本发明的一个实施例的桌面式直流低速风洞的示意图。

图2为根据本发明的一个实施例的桌面式直流低速风洞的侧面示意图。

图3为根据本发明的一个实施例的桌面式直流低速风洞的纵剖面示意图。

图4为根据本发明的一个实施例的桌面式直流低速风洞的实验段的示意图。

图5为根据本发明的一个实施例的桌面式直流低速风洞的实验段的前视图。

图6为根据本发明的一个实施例的桌面式直流低速风洞的实验段的剖面图。

图7为根据本发明的一个实施例的桌面式直流低速风洞的整体电路连接示意图。

附图标记：

1.喇叭口，2.稳定段，3.收缩段，4.实验段，5.扩散段，6.动力段，7.第一支撑架，8.第二支撑架,9.皮托管压强传感器，10.实验段预留开孔，11.测力天平，12.粗阻尼网，13.蜂窝稳定器，14.细阻尼网，15.实验段预留孔盖子，16.第一防护网，17.实验段第一侧壁，18.实验段下壁，19.实验段第二侧壁，20.实验段上壁，21.实验段侧壁铰链，22.实验段侧壁锁紧卡槽，23.把手，24.实验段天平卡具，25.实验段天平俯仰角指示针，26.实验段天平俯仰角指示盘，27.联轴器，28.多维力传感器，29.天平支撑装置，30.差压变送器，31.控制计算机，32.动力风机控制线，33.控制计算机显示面板，34.风速调节旋钮，35.紧急停止按钮，36.传感器信号线，37.翼型实验模型，38.第一连接片，39.第二连接片，40.第三连接片，41.第四连接片，42.连接皮托管压强传感器的橡胶软管。

具体实施方式

为了克服常规风洞设备实验门槛高、价格昂贵、操作复杂、占地面积大和普通小型演示风洞功能单一、结果不精确、缺乏定量测量的缺点，本发明提供一种即能够供一般本科院校展开基本的空气动力学实验，又能够让中小学生通过动手操作认识空气动力学相关内容的桌面式直流低速风洞。

本发明解决其技术问题所提出的技术方案是：一种空气动力学演示与实验用直流式低速风洞，包括风洞主体、数控测量设备与实验配套设施。

上述的风洞主体部分，按照气流流动顺序，分别为喇叭口、稳定段、收缩段、实验段、扩散段、动力段以及整体支撑架，各段之间通过法兰盘的形式连接，法兰盘之间填充密封海绵或橡胶。

其中的喇叭口位于风洞主体的最前端，喇叭口弯曲截面形状为圆弧或者样条弧线，保证喇叭口内侧的斜率与后部稳定段内壁的斜率相切，其主要作用是增强控制流入风洞的气流稳定能力并且降低能量损耗。

其中的稳定段位于喇叭口之后，稳定段中需要覆盖粗阻尼网、蜂窝稳定器和细阻尼网，稳定段的主要作用是将吸入的气流中的大涡打碎成小涡，使得其能够快速耗散，增强实验段的气流流动品质。粗阻尼网一般采用20目左右尺寸的钢丝网，蜂窝稳定器一般采用孔径7厚度大于300的铝蜂窝，细阻尼网一般采用40目左右的钢丝网。

其中的收缩段位于稳定段之后，采用特定曲线设计，入口口径大于出口口径，使得气流可以在收缩段中稳定加速。

其中的实验段位于收缩段之后，截面为矩形，采用透明的钢化玻璃或者有机玻璃制作，使得能够从外部观察。实验段的侧壁或者上下壁能够打开，用于安装实验仪器、传感器和实验样件。实验段的侧壁与上壁也开有相当数量的孔，能够通过该孔安装实验仪器、传感器和实验样件。

其中的扩散段位于实验段之后，扩散段的入口为矩形出口为圆形，入口口径小于出口口径，即用于连接实验段与动力段，又通过扩散段减小动力段的风机对实验段气流的影响。扩散段与实验段之间布置了钢丝防护网，防止实验物品掉落损坏动力段。

其中的动力段位于扩散段之后，内部安装了大功率的电机与叶片，并在动力段之后安装有防护网。

上述的数控测量设备包括风速测量仪、风机变频器、控制计算机，该数控测量设备可以实现对风速的精确控制。控制计算机中输入所需要达到的风速，控制信号传递给风机变频器控制风机的转速，风速测量仪测得风速传入控制计算中实现闭环反馈控制。

上述的实验配套设施包括皮托管压强传感器、测力天平、实验数据采集与处理计算机、翼型与飞机模型。

其中的皮托管压强传感器是一种能够测量某一点压强和压强差的装置，能过通过压强差来计算当地风度。

其中的测力天平是一种通过安装在实验段的侧壁或上下壁用于测量实验物品所受到的空气作用力的仪器，包括安装支架和多维力测量仪。

其中的实验数据采集与处理计算机是能够采集排管压力计、测力天平所得到的数据的工具，能够在显示屏上显示实验数据并进行处理。

其中的翼型与飞机模型是一系列特定的实验物品，用于安装在风洞内部的夹具中，供教师与学生快速开展风洞实验。

本发明的有益效果是，根据本发明的桌面式直流低速风洞采用了动力风扇后置、增加复杂气流稳定装置和先进测量演示手段，使得该发明能够满足一般本科院校开展基本空气动力学测量实验。又配合着基本实验配套设施与便捷的操作方法，并使得能够让中小学生通过对它的动手操作认识和学习空气动力学的相关内容。本发明降低了风洞实验的门槛和价格，简化了操作，能够实现多用途测量与演示功能。

以下结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，根据本发明的一个实施例的教学演示与实验用的桌面式直流低速风洞的包括喇叭口1、稳定段2、收缩段3、实验段4、扩散段5、动力段6、第一支撑架7和第二支撑架8。

使用时，如图2所示，气流沿着箭头的方向从I口入，从O口流出。喇叭口1通过法兰盘(未显示)或者焊接的方式与稳定段2连接。喇叭口1弯曲截面形状为圆弧或者样条弧线，保证喇叭口1内侧的斜率与后部稳定段2内壁的斜率相切，同时喇叭口1的内壁需要进行抛光，以减少对气流流动的干扰。稳定段2内部安装有粗阻尼网12、蜂窝器13和细阻尼网14，粗阻尼网12和细阻尼网14采用螺丝绷紧的方式固定在稳定段2的内部。粗阻尼网12一般采用20目左右尺寸的钢丝网，蜂窝稳定器13一般采用孔径为7毫米且厚度大于300毫米的铝蜂窝，细阻尼网14一般采用40目左右的钢丝网。收缩段采用Witozinsky曲线，使得气流能够在收缩段3稳定加速。收缩段3沿着气流的方向的前部与稳定段2通过法兰连接，并通过第一连接片38与第一支撑架7连接，收缩段3沿着气流反向的后部与实验段4通过法兰(未显示)连接，并通过第二连接片39与第一支撑架7连接。实验段4采用透明的材料制作，一般可以采用较为厚的有机玻璃。实验段4的第一侧壁17和第二侧壁19可以打开，以便方便地进行实验设备的安装与更换。实验段4上开有若干预留开孔，用于安装实验仪器。实验段4上的皮托管压强传感器9用于测量实验段4内的气流流速。实验段4的第二侧壁19上通过天平卡具24固定有测力天平11，用于对实验段4内安装的翼型实验模型37受到的气动力进行测量。实验段4与扩散段5之间，安装有第一防护网16，防止实验模型37脱落损坏动力段6。扩散段5通过法兰与实验段4连接，扩散段5一般为入口为方形出口为圆形的截面沿着气流方向逐渐增大的管道，用于减小阻力，减小动力段6的风扇涡流对实验段4的影响。扩散段5的方形一侧通过第三连接片40与第二支撑架8连接，圆形一侧首先通过法兰与动力段6连接，并通过第四连接片41与第二支撑架连接。

如图4、图5和图6所示，实验段4是进行演示实验与测量实验的区域。根据本发明的一个实施例，实验段4包括实验段上壁20、下壁18、第一侧壁17、第二侧壁19和测力天平11。各上下壁和侧壁上都开有预留开孔10，用于安装各种的实验器材，在不使用该预留开孔10时，使用实验段预留孔盖子15盖住预留开孔10。侧壁通过铰链21与收缩段3连接，在第二侧壁19上安装有把手23和侧壁锁紧卡槽22，能够将侧壁19打开和锁闭。在根据本发明的一个实施例中，皮托管压强传感器9安装在实验段上壁20的来流方向，远离实验模型37的位置。测力天平11包括多维力传感器28、天平支撑装置29、联轴器27、天平俯仰迎角指示盘26组成。多维力传感器28通过螺丝紧固在天平支撑转置29上，天平支撑装置29与天平俯仰迎角指示盘26固连，通过实验段天平卡具24固定在实验段第二侧壁19上。实验段第二侧壁19上标注有天平俯仰指示针25，俯仰角指示盘26上标注有俯仰角刻度，通过旋转测力天平11，调节翼型实验模型37的俯仰角。翼型实验模型37通过联轴器27与多维力传感器28固连。

如图7所示，在根据本发明的一个实施例的教学演示与实验用的桌面式直流低速风洞的风速闭环控制与实验测量部分包括皮托管压强传感器9、连接皮托管压强传感器的橡胶软管42、压差变送器30、控制计算机31、动力风机控制线32、传感器信号线36。通过压强传感器9测量的压强数据，经过压差变送器30处理之后，被输入控制计算机31进行处理。控制计算机31包括控制计算机显示面板33、风速调剂按钮34和紧急停止按钮35。控制计算机31通过对比实际风速与设置风速的差，用过动力风机控制线32动态控制风机的转速。测力天平11测量得到的电信号通过传感器信号线36传入控制计算机31中，经处理后在控制计算机显示面板上33显示实验数据图。

Claims (4)

1.一种教学演示与实验用的桌面式直流低速风洞，其特征在于包括：

喇叭口(1)、稳定段(2)、收缩段(3)、实验段(4)、扩散段(5)、动力段(6)，

其中：

实验段采用透明的材料制作，一般可以采用较为厚的有机玻璃，

实验段包括实验段上壁(20)、下壁(18)、第一侧壁(17)、第二侧壁(19)和测力天平，上壁、下壁、第一侧壁和第二侧壁上都开有预留开孔，用于安装各种的实验设备，

第一侧壁和第二侧壁可以打开，以便方便地进行实验设备的安装与更换，

实验段上开有若干预留开孔，用于安装实验仪器，

实验段上装有皮托管压强传感器(9)，用于测量实验段内的气流流速，

第二侧壁上通过天平卡具(24)固定有测力天平，用于对实验段内安装的翼型实验模型(37)受到的气动力进行测量，

测力天平包括多维力传感器(28)、天平支撑装置(29)、联轴器(27)、天平俯仰迎角指示盘(26)，其中：

多维力传感器被紧固在天平支撑转置上，

天平支撑装置与天平俯仰迎角指示盘固连，通过实验段天平卡具固定在第二侧壁上，

第二侧壁上标注有天平俯仰指示针，俯仰角指示盘上标注有俯仰角刻度，

实验模型(37)的俯仰角通过旋转测力天平(11)得到调节，

实验模型(37)通过联轴器(27)与多维力传感器(28)固连。

2.根据权利要求1所述的桌面式直流低速风洞，其特征在于进一步包括：

连接皮托管压强传感器的橡胶软管(42)、压差变送器(30)、控制计算机(31)、动力风机控制线(32)、传感器信号线(36)，

其中：

通过皮托管压强传感器测量的压强数据，经过压差变送器(30)处理之后，被输入控制计算机(31)进行处理，

控制计算机包括控制计算机显示面板(33)、风速调节按钮(34)和紧急停止按钮(35)，

控制计算机通过对比实际风速与设置风速的差，用过动力风机控制线(32)动态控制风机的转速，

测力天平测量得到的电信号通过传感器信号线(36)传入控制计算机中，经处理后在控制计算机的显示面板上(33)显示。

3.根据权利要求1所述的桌面式直流低速风洞，其特征在于：稳定段内部安装有粗阻尼网(12)、蜂窝器(13)和细阻尼网(14)，粗阻尼网(12)和细阻尼网(14)采用螺丝绷紧的方式固定在稳定段(2)的内部，

实验段与扩散段之间，安装有第一防护网(16)，防止实验模型(37)脱落损坏动力段，

扩散段通过法兰与实验段连接，

扩散段是截面沿着气流方向逐渐增大的管道，扩散段的入口截面为方形，扩散段的出口截面为圆形，

扩散段的入口一侧通过第三连接片(40)与第二支撑架(8)连接，

扩散段的出口一侧通过法兰与动力段连接，并通过第四连接片(41)与第二支撑架连接，

收缩段沿着气流的方向的前部与稳定段通过法兰连接，并通过第一连接片(38)与第一支撑架(7)连接，

收缩段沿着气流方向的后部与实验段通过法兰连接，并通过第二连接片(39)与第一支撑架连接。

4.根据权利要求1所述的桌面式直流低速风洞，其特征在于：

第一侧壁和第二侧壁通过铰链(21)与收缩段连接，在第二侧壁上安装有把手(23)和侧壁锁紧卡槽(22)，用于将第二侧壁打开和锁闭。