基于DISLab的多功能流體探究儀的創新設計與實驗

林芹平

(福建省莆田市教師進修學院，福建 莆田 351100)

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·物理實驗·

基于DISLab的多功能流體探究儀的創新設計與實驗

林芹平

(福建省莆田市教師進修學院，福建 莆田 351100)

基于DISLab設計一套多功能流體探究儀,用以研究流體力學中流速與過流斷面橫截面積的關系、壓強與流速的關系、機翼升力與流速的關系、風阻與擋風物形狀的關系及風阻與風速的關系等問題．

流體;壓強傳感器;力傳感器;風洞;流速

1 課題選定

課堂演示“壓強與流速的關系”實驗中,需要先向學生解釋流速與過流斷面的關系,通常教師采用的方法是理論推導,即根據各處流量相等得出流速與橫截面積的關系．對于初中的學生,上述方法較為枯燥,且不好理解．為了能夠讓學生在課堂上對這個問題有一個更為直觀的、感性的認識,亟須設計一套研究流速與過流斷面橫截面積大小關系的演示儀,該演示儀用在真實的課堂教學實踐中,能收到直觀的、降低難度的預期效果,基于此,設計了本“多功能流體探究儀”,該探究儀在具體實踐中,很好得解決了上述問題,除此之外,本探究儀還可以用來研究有關流體運動現象的其他問題,如:壓強與流速的關系、飛機機翼升力與流速的關系、風阻與擋風物的形狀關系等問題．

2 項目設計(研究)基本思路

(1) 利用有機玻璃制成長寬高分別為90cm×10cm×10cm的風洞體,選購150FLJ7 330W小型工頻離心風機做為風洞驅動系統;

(2) 將GM8990測風速儀改裝成風洞風速測量裝置;

(3) 采用組合法將DIS力傳感器及壓強傳感器等應用于流體測量以實現定量研究;

(4) 設計多種不同形狀的擋風物(擋風截面相同),用力傳感器分別測出它們在氣流中受到的阻力,再利用風洞風速測量裝置測量氣流的速度,以此探究: (1) 風速一定時,風阻與擋風物形狀的關系; (2) 擋風物形狀一定時,風阻與風速的定量關系等．

3 項目簡介

(1) 主要制作材料.

90cm×25cm L型木板組合一塊、150FLJ7 330W小型工頻離心風機、調壓電路、有機玻璃若干、KT板若干、GM8990測風速儀、力傳感器、壓強傳感器、采集器、計算機、不同形狀的機翼模型等．

(2) 制作說明.

利用有機玻璃制成長寬高分別為90cm×10cm×10cm的風洞體,選購150FLJ7 33W小型工頻離心風機做為風洞驅動系統;

利用KT板拼接設計成可調節過流斷面橫截面積大小的裝置,用以靈活控制過流斷面的大小;

將GM8990測風速儀改裝成風洞風速簡易測量裝置,葉輪與主體分離,以減少測量風速時測速儀占用風洞空間影響數據的準確性;

采用組合法將DIS力傳感器及壓強傳感器等應用在流體測量中以實現定量研究;

利用有機玻璃制作“風洞細出口”,設計多種不同形狀的擋風物(擋風截面相同),在力傳感器下掛上其中的一種,將該擋風物置于“風洞細出口”處,控制氣體的流速一定,分別測出不同形狀的擋風物在氣流中受到的阻力,探究風速一定時,風阻與擋風物形狀的關系;再利用簡易風洞測量裝置測量風速,探究擋風物形狀一定時,風阻與風速的定量關系,根據探究結果可求出不同形狀物體的相對阻力系數;側面固定壓強傳感器,測量寬窄過流斷面處的壓強,可驗證小型風洞測速原理．

4 實測情況

實驗1.研究流速與橫截面積的關系.

圖1 研究流速與橫截面積的關系設計圖

圖2 研究流速與橫截面積的關系實物圖

測量數據如表1.

表1

實驗結論:流量一定,氣體流速與截面面積成反比．

實驗2.流體壓強與流速的關系.

利用KT板調節過流斷面橫截面積的大小,以此調節氣體的流速,同時利用DISLab壓強傳感器實時測量不同過流斷面內的壓強,實驗設計圖和實物圖分別如圖3、圖4所示．

圖3 研究流體壓強與流速的關系設計圖

圖4 研究流體壓強與流速的關系實物圖

測量數據如表2.

表2

v2=2.5m/sp2=102.3kPa

流速v1/m·s-1壓強p/kPa2 5102 37 3102 210 3102 1

實驗結論:流體流速越快,壓強越小．

實驗3.機翼升力與流速的關系.

如圖5所示,將機翼模型裝入風洞體中間部位,下端固定DISLab力傳感器,用該力傳感器采集機翼模型的受力情況;利用風速測量裝置實時測量風速;同時將壓強傳感器探頭靠近機翼上下兩側,實時采集壓強數據．實驗設計圖和實物圖分別如圖5、圖6所示．

圖5 研究機翼升力與流速的關系設計圖

圖6 研究機翼升力與流速的關系實物圖

測量數據如表3.

表3

實驗結論:機翼受到的升力與風速有關,其他條件不變時,風速越大,升力越大．

實驗4.研究不同形狀物體的風阻.

將實驗裝置旋轉90°放置,如圖7 所示．利用有機玻璃制作“風洞細出口”,設計多種不同形狀但擋風截面相同的擋風物如圖8所示,在力傳感器下掛上其中的一種,將擋風物置于“風洞細出口”處,測出它在氣流中受到的阻力(有風、無風兩種情況下傳感器示數的差值);再利用簡易風洞測量裝置測量風速．

圖7 研究不同形狀物體的風險

圖8 擋風物

圖9 研究不同形狀

物體的風險實物圖擋風物的擋風截面直徑為2.00cm,迎風面積均為3.142cm2,風速為7.8m/s．測量數據如表4.

表4

實驗結論:風速相同時,平板受到的風阻最大;圓柱測試物與平板擋風截面積相同,但其有一定的導流作用,所以受到的風阻比平板略小;風阻最小的是流線體．

實驗5.研究風阻與風速的關系.

以直徑為4cm、填充細沙的乒乓球作為研究對象,研究風阻與風速的關系,裝置如圖10所示．

圖10 研究風阻與風速的關系

測量數據如表5，擬合實驗曲線如圖11所示.

表5

圖11

實驗結論:其他條件不變,在誤差允許范圍內,物體受到的風阻與速度的平方成正比．

5 創新點

(1) 制作簡單,操作方便.

利用小型風機與有機玻璃等自制的多功能流體探究儀,制作簡單,操作方便.

(2) 演示直觀,效果明顯.

利用DISlab采集數據,可以直觀研究教材中流體力學方面的有關知識.

(3) 功能多樣.

通過簡單的組裝可以拓展研究流體力學中的相關問題,如:機翼升力與流速的關系、不同形狀的擋風物的風阻、風阻與風速的關系等．

6 項目展望

力傳感器為6系列,精度為0.01N,條件允許可嘗試采用8系列的力傳感器(精度為0.001N),如此效果將更佳．

目前周圍沒有3D打印機,部分配件無法制作,機翼升力與機翼形狀和機翼迎角的關系、風阻系數的測量等有待進一步研究．

風洞驅動及風洞體偏小,對實驗研究的精細有一定的阻礙．正在努力尋找合適的離心風機來制作稍大型的風洞體,以便深入研究流體力學的許多問題．

2017-01-26)