【飛機機翼模型流體力學實驗裝置】
功能、作用介紹:
飛機機翼模型流體力學實驗裝置主要應用於機械學院和汽車學院大一學生認識實習環節、大三學生《流體力學》選修課教學和實驗課程教學環節中、畢業設計環節的學習。主要適用的教學課程環節為《流體力學》飛機翼型的升力原理章節內容講解,主要實驗教學環節為《流體力學》實驗飛機翼型的升力演示和測量。
該實驗裝置簡易、便攜、造價低廉、安全性高。可清晰的展示飛機的上升過程;測量不同工況下升力數值。便於同學們直觀的理解書本概念,並且藉助該實驗平臺完成升力測量實驗,教學效果顯著。裝置完全由學生自己搭建,並且參加了第五屆江蘇省大學生機械創新設計大賽,獲得三等獎,並且準備申報國家專利。
裝置設計共分為以下部分:測量裝置、機械裝置和輔助裝置。每一部分又包括有風速測量裝置、升力測量裝置、迎角調節裝置、吸入式風機裝置、可調節風向板裝置、固定杆、重塊和接觸杆等,輔助以電器調控裝置實現風速的調節、迎角的調節和升力的測量。
一、主要技術參數:
1.1 硬體配置:
> XHL-ZXS鼓風機(風速調節範圍1~10m/s);
> 風速測量儀 (測量範圍0~20m/s);
> 輕質機翼NACA2415;
> 可調風向板(調節範圍-20度~20度);
> 迎角測量裝置(測量範圍-5~10度);
> 升力測量裝置(測量範圍0~0.2N)。
1.2 工作環境:
>工作溫度:-10°C~+50°C
>輸入電壓:170~240Vac,4~2A自適應
>輸入頻率:60/50Hz ± 10Hz
二、功能:註:每個內容可以分解成若干個小實驗(編有實驗指導書)
該實驗裝置簡易、便攜。可清晰的展示飛機的上升過程;測量不同工況下升力數值。便於同學們直觀的理解書本概念,並且藉助該實驗平臺完成升力測量實驗,教學效果顯著。本實驗裝置可以完成以下實驗教學內容:
1)驗證演示飛機機翼上升的過程;
2)當固定迎角,改變風速大小時,通過檢測裝置,得出機翼升力值並且驗證風速與機翼上升升力之間的關係;
3)當固定風速,改變迎角角度時,,通過檢測裝置,得出機翼升力值並且驗證迎角與機翼上升升力之間的關係;
4)將實驗數據與理論數據進行比照,找出誤差產生原因,驗證機翼升力公式。
三、教學效果:
飛機機翼模型流體力學實驗裝置主要應用於機械學院和汽車學院大一學生認識實習環節、大三學生《流體力學》選修課教學和實驗課程教學環節中、畢業設計環節的學習。本實驗裝置已在鹽城工學院推廣應用,先後開展了200餘人次的教學和實驗(包括研究生),效果體現在以下幾個方面:
(1)認識實習環節,大一新生對於課程和專業的理解沒有完全的認識,藉助實驗平臺的演示,讓他們對一些深奧的理論有了更直觀的理解,增強其學習的熱情。
(2)理論教學和實驗裝置的結合,大三《流體力學》課程教學中,原先對於飛機升力原理的講解,只能通過課堂書本知識灌輸,通過現場教學演示,在課堂上就可以直接演示相關過程。理論講解與現場演示,可以讓同學們深刻的理解飛機機翼在不同風速、直觀的演示了飛機機翼在上升過程不同迎角情況下的受力過程、特點、形態,形成非常深刻而形象的認識;
(3)設置實驗教學環節,針對飛機機翼在上升過程,測量飛機升力的影響因素之間的相互關係,通過將數據和變量用EXCEL記錄,再和用理論計算出來的數值畫出的二維圖作對比,分析誤差產生的原因,並且在誤差允許的範圍內來驗證升力公式的正確性。增強了同學們對課本知識的理解。
(4)激發了學生的學習興趣,增強了學生的動手能力。本實驗平臺完全由學生自己動手完成,通過實驗裝置的設計,開發了一系列科技作品,在第五屆機械創新大賽取得了優異的成績。
四、本儀器的設計思路:
大三下半學期,《流體力學》這門課程第十章第二節講述了飛機翼型的升力原理。通過學習我們對於機翼的迎角、風速與升力三者之間的關係有了進一步的了解。但是如何將書本上的理論公式直觀的進行展示呢?飛機是如何起飛升空的?氣流速度的大小對於飛機機翼有什麼樣的影響呢?機翼引角的改變對於飛機上升時所受到的升力有什麼樣的影響呢?機翼的上升和流速,迎角,翼型到底有什麼樣的關聯呢?
帶著這些疑問,我們萌生了這樣一個想法:做一臺飛機機翼流體動力學實驗裝置去更加直觀的驗證機翼的升力公式。通過網上信息的收集和資料的檢索,目前已有的流體力學關於空氣動力這一方的實驗有風洞試驗、機翼的空氣動力實驗、汽車風洞試驗等。雖然這些實驗裝置測量精確,但是形狀過於複雜,成本較高,並不適合於課堂教學中使用。於是在老師的幫助指導和小組成員的相互溝通下,我們決定自己製作一個簡單的機翼升力顯示裝置。裝置設計的目標不僅可以顯示出機翼的上升這一動態過程,還能顯示不同迎角和風速下機翼的升力的變化規律,以用於驗證課本所學的升力公式。
裝置的基本原理和風洞實驗是相似的。基本原理是相對性原理和相似性原理。根據相對性原理,飛機在靜止空氣中飛行所受到的空氣動力,與飛機靜止不動、空氣以同樣的速度反方向吹來,兩者的作用是一樣的。但飛機迎風面積比較大,如機翼翼展小的幾米、十幾米,大的幾十米(波音747是60米),使迎風面積如此大的氣流以相當於飛行的速度吹過來,其動力消耗將是驚人的。根據相似性原理,可以將飛機做成幾何相似的小尺度模型,氣流速度在一定範圍內也可以低於飛行速度,其試驗結果可以推算出其實飛行時作用於飛機的空氣動力。
作品名稱:飛機機翼模型流體力學實驗裝置
完成單位:鹽城工學院