大學生創新活動實踐案例研究

宋秋紅 耿保華 蘭雅梅 成誠 王萍 陳程

摘要：大學生根據實際情況，提出抗風傘設計想法，指導教師設計了一個學生切實可行的風洞試驗。通過對三種傘布料的迎風風阻系數風洞試驗，得到三種布料的風阻系數隨風力變化的規律，結合上海市區東南方向南匯新城的年均風速的情況，依據風阻系數的實驗結果，找到三種布料中最適合做抗風傘的布料是EVA。該實驗不但可以作為測定雨傘布料風阻系數的測試方法，而且學生在創新活動中，各項能力得到了實實在在的提高。

關鍵詞：大學生創新;雨傘布料;風阻系數;風洞試驗

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2015）44-0060-02

一、前言

由于上海海洋大學地處上海遠郊南匯新城，日常風力高于上海市區，人們使用的普通雨傘承受這么強的風力壽命都比較短。針對這一情況，學生提出設計抗風傘的想法，立即得到學校的支持。但由于該創新項目的想法比較粗淺，雨傘的設計令學生無從著手，所以該項目停滯了。指導教師了解情況后，首先幫學生們設計了風洞試驗，通過此實驗，對三種典型雨傘布料進行風阻系數的測試，得到適合于上海市等東南沿海風力較大城市適合于作抗風傘的布料;其次要求學生考慮應用軟件模擬仿真分析雨傘骨架及設計，使得該項目得以延續進行。在大學生創新實踐中，指導教師幫助學生邁出第一步非常關鍵。該風洞實驗對于本科生切實可行，該種實驗方法可以對各種布料進行風阻系數的測定，得到相關的實驗數據，不但具有一定的實用意義，而且學生的創新能力得到了實實在在的提高。

二、風洞試驗

（一）試驗設備及模型

本試驗在300mm×300mm的風洞中完成。考慮到風洞的尺寸，選用三種布料分別縫制在圓錐體上。三種布料分別是：EVA塑膠，原料為乙烯—醋酸乙烯共聚物，英文簡稱EVA（ethylene-vinyl acetate copolymer）;牛津布，英文名oxford，又叫牛津紡;碰擊布，又叫高密度碰擊布，采用錦綸（尼龍）與棉紗混紡或交織的一種織物。圓錐體模型尺寸為底圓直徑80mm，錐體母線長80mm。

（二）試驗準備

首先將縫制好的雨傘布料的圓錐體，見圖1，安裝放置在風洞中，位置見圖2。依據上海年平均風級為3～4級（3.4m/s～7.9m/s），見表1，而南匯新城的年平均風級比上海市區高出2～3個風級，所以應該是5～7級（8.0m/s～17.1m/s）左右。

根據該風洞的風速和通風機電源頻率關系，在風速8.0m/s～17.1m/s所對應通風機的通風機電源頻率在約20Hz～40Hz之間，因此，在三種布料的風阻系數測量過程中，通風機電源頻率的變化規律都一樣，只要保證通風機電源頻率變化過程包括有通風機電源頻率20Hz～40Hz這一段就可以了。

（三）試驗過程數據采集

通過調整通風機電源頻率15Hz～45Hz之間的變化，步長為3，共11個采樣點。每個采樣點記錄力信號，然后換算成F力實際大小。為了使試驗數據采集的更準確，每項實驗重復三次。

力信號與F的實際大小換算根據公式：

F：YD-28A型動態電阻應變儀測得的電信號;

力的實際大小（N）。

三、實驗結果與分析

（一）數據測量與處理

根據

其中，F為模型的阻力;ρ為空氣密度;V為試驗風速;A為模型在鉛錘面上的投影。

計算出每個采樣點時的風阻系數值，得到三種布料風阻系數隨通風機電源頻率的變化曲線。經過對每項實驗所做的三次重復試驗的試驗數據的整理和修正，得到三種布料風阻系數隨通風機電源頻率的變化圖譜。把三種布料風阻系數變化曲線放在一起，可以清楚地看到三種布料風阻系數之間的比較差別，見圖3。

（二）試驗數據結果分析

從試驗所得數據可以看出，三種布料的風阻系數值隨通風機的通風機電源頻率（風速）變化。在通風機電源頻率15Hz～30Hz之間都有一個峰值，牛津布的風阻系數在通風機電源頻率為27Hz～28Hz時達到約1.27，為三種布料峰值中的最大;而EVA的風阻系數在通風機電源頻率為23Hz～25Hz時達到約1.18，為三種布料峰值中的最小。

四、結論

實驗結論顯示，通過風洞試驗可以較好地測得三種布料的風阻系數隨風速變化的規律。我們關心的是上海市南匯新城區域的年均風天，均風力5～7級，也就是通風機電源頻率20Hz～40Hz之間風阻系數的變化規律。在此階段，三種布料都出現了峰值，然后隨著風力的不斷加大，風阻系數不斷減小。從三種布料的風系數變化規律來看，EVA的風阻系數不論是峰值、各點采樣值，照比其他兩種布料都要小一些;牛津布的峰值和各點采樣值在三種布料中都要大一些。因此，依據風阻系數與風阻力的正比關系，風阻系數大則風阻力大，所以，在三種布料中，最適合作為抗風傘布料的是EVA布料。

學生在學習過程中非常愿意做這些實驗，喜歡動手。在實驗中碰到各種各樣的問題，通過教師指導、自己查閱大量文獻，不怕辛苦，并堅持最終完成了這個實驗。參加該項目的學生完成這個實驗后，又全身心投入到雨傘骨架的軟件模擬仿真分析階段，使得他們自己的初期想法正在一步一步地變成現實，順利完成創新項目，收獲了創新活動的成就感。因此，學生積極參加各項創新活動，往往開始時想法天真、心態積極，過程中要有指導教師及時不斷的指導，這樣才能把一個項目逐漸做實，最后有一個結果。在這個過程中，學生的綜合素質得到了切實的提高。

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