基于风洞实验测定空气阻力与物体形状关系的研究
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发布者：lunwenchina
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时间：2022年5月27日 15:38
严 悦 胡治伟 廖梦洁 夏尹璨 毛 玲 吴 林
（湖南第一师范学院 湖南 长沙 410205 ）
摘要：本次风洞实验使用自行设计的一款简便式风洞演示装置。该装置由动力段、整流段、测试段组成，对模型进行仿真模拟实验，运用 Matlab 软件对所测得的数据进行分析，研究空气阻力与物体形状的关系。实测证明 , 该风洞可以较准确地对模型的空气动力性能进行定量及定性分析。
关键词：风洞装置；空气阻力；物体形状
课题项目：本文系 2019 年湖南第一师范学院校级课题“基于风洞实验测定空气阻力的数值仿真研究”最终成果，编号： 2019050801921引言
空气阻力是流体力学中的一个重要物理量，在汽车工程、航天工程、导弹轨道设计、高层建筑和风能利用等项目中，是最主要的被检测指标之一，特别是需要考虑到动力性、经济性和安全性等指标时，空气阻力就成为工程设计中至关重要的数据 [1] 。
无论是中小学的科学课、物理课，还是大学的气动课程 , 都有许多与空气动力学相关的内容 , 其相关实验都离不开风洞，但让风洞普及化至今都是一个难点。现将大型风洞简易化、缩小化，普及化，利用风洞演示装置获取数据，探究空气阻力与物体形状的关系，能更好地进行定性与定量分析。
2风洞工作原理
本次设计的是一种小型风洞实验装置，模拟风洞原理，将大型风洞简易化。根据流体力学中的伯努利效应和流体的连续性原理，利用间接法测量不同形态和其它作用因素下的物体所受空气阻力，通过公式换算获取空气阻力 F ，再借助 Matlab 软件进行数据处理与分析，进而研究分析空气阻力与物体截面积、形状、风速之间的关系。
3风洞结构与设计参数
3.1 风洞演示装置结构说明：
（ 1 ）管道式风机与有机玻璃圆管左端相连，整流格栅放置风速仪前，并固定于有机玻璃圆管内；
（ 2 ）风速仪 ( 规格： 40*18*105 毫米，风速测量范围 0.1-30m/s ，准确度在 ± 5% ）放在整流格栅之后，并固定于有机玻璃圆管上方；（ 3 ）有机玻璃圆管底部放置长 70 厘米，宽 10 厘米，厚度为 5 毫米的平面有机玻璃板；
（ 4 ）共设置三个定滑轮，其中定滑轮固定在有机玻璃圆管中间，另两个定滑轮固定于有机玻璃圆管上方；
（ 5 ）小车一端与细绳相连，细绳经过定滑轮与有机玻璃圆管上方砝码相连；
（ 6 ）砝码放置于高精度电子天平上；高精度电子天平放于有机玻璃圆管上方；
（ 7 ）水平仪器放置于有机玻璃圆管下方；固定支架放置在有机玻璃圆管下方左右两侧，其中右侧固定支架安装有调平螺母。
3.2 动力段设计
动力段为整个风洞装置提供动力来源。本作品采用管道式风机，启动可调节风速的风机，人为制造气流流过风洞主体，模拟出被测物体运动中的状态。管道式风机额定功率为 50W ，转速为 2800r/min ，直径为 18 厘米，长13.5 厘米。
3.3 稳流段设计
稳流段前段使用直径为 17 厘米、厚度为 3 厘米的圆形的多级整流格栅，其目的是模拟出更接近于外界空气流动的匀速场，降低紊流度，减少实验误差。且在多级整流格栅后放置了风速仪，可实时监测风速情况。
3.4 测试段
为保证物体能够平稳运行且减少摩擦阻力，在有机玻璃圆管底部放置了平面有机玻璃板。人为制造气流流过风洞主体，模拟出被测物体运动中的状态，并采用控制变量法分别获取实验数据，从而测量空气阻力与物体形状的关系。创新采用高精度电子天平（ 0.001g ）用间接法测量不同形态下的实验数据，较用测力计直接测量，测量精度提高了 2-3 个数量级。
4数据处理及分析
本实验主要运用到的物理公式为： F=1/2C ρ SV 2 ，采用控制变量法，通过实验获取多组数据；经公式换算，得到空气阻力 F ；进而获得空气阻力系数 C ；最后借助 Matlab 软件进行数据处理与分析。
4.1 实验过程与数据测试
现对探究空气阻力与物体形状关系的实验进行详细说明。为尽可能地减少误差，在此次实验中，被测物体始终为同一个。该被测物体的一面是流线型（即正面），其对侧是平面型（即反面）。已知被测物的迎风面积S=0.022m2 ；风速 V=3.9m/s ；空气密度 ρ =1.29kg/m3 ；重力加速度 g=9.
8N/kg.
（ 1 ）关闭电源，连接装置，将被测物体放置在测试段（将细线保持松弛状态），将砝码放置在高精度电子天平上，读取数据 m1 ；（ 2 ）打开电源，启动风机，待高精度电子天平的数据稳定时读取数据m2 ，此时已获取被测物体正面（流线型）的数据；（ 3 ）关闭风机，将被测物体调转方向，采用上述方法获取被测物体反面（平面型）的 m1 和 m2 的数据；
（ 4 ）根据 F=(m1-m2)*g 和 F=1/2C ρ SV2 分别换算出空气阻力 F 和空气阻力系数 C 。
4.2 数据分析
利用 Matlab 软件将数据进行处理，物体形状与空气阻力、空气阻力系数的关系图，如下所示：
图1 物体形状与空气阻力的关系图 图2 物体形状与空气阻力系数的关系图由图 1 可知物体的形状不同时，所受的空气阻力也不同，平面型物体所受的空气阻力比流线型的物体所受的空气阻力高出 3.5% ～ 13.1% 。表明当物体在相同环境下运动时，平面型的物体受到的空气阻力比流线型物体受到的空气阻力大。
由图 2 可知 , 物体的形状不同时，所受的空气阻力系数也不同，平面型物体所受的空气阻力系数比流线型的物体所受的空气阻力系数高出 2.7%～ 12.7% 。表明当物体在相同环境下运动时，平面型的物体比流线型的物体所受的空气阻力系数大。
5总结
本装置可开展对形状阻力、干扰阻力、内循环阻力甚至诱导阻力的实验探究，克服了目前小型风洞整体技术的单一性，这也进一步提升多因素变量下实验结论的准确性和可靠性。且模块化式构建，其组装和拆解都极其便捷，具备成本低、易推广等特点，极大程度解决了风洞普及化难的问题。通过探究物体形状与空气阻力的实验可知，空气阻力与形状的关系中，流线型物体比平面型物体所受的空气阻力小。
参考文献：
[1] 霍益萍 , 张亮 . 高中科技活动设计教师读本 [M]. 上海 : 华东师范大学出版社 ,2010,11
[2] 汪涛 . 实验、测量与科学 [M]. 北京 : 东方出版社 ,2017,07[3] 蒋伟 , 邹钺 , 刘赟 . 便携式桌面型微风速校正风洞的研发 [J]. 建筑热能通风空调 ,2019,38(02):84-87.
