教學(xué)演示用小型風洞的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明為一種課堂教學(xué)演示用小型風洞，由洞體、動力系統(tǒng)、數(shù)據(jù)圖像采集系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)組成。采用電機轉(zhuǎn)速來標定風速，再通過軟件轉(zhuǎn)換為風速顯示，并同時采用可視化電教化融合式系統(tǒng)設(shè)計，實時拍攝試驗件圖像，將其與風速信息共同顯示于屏幕上，全部輸出接口為USB，兼容性好，即插即用。整體結(jié)構(gòu)緊湊，小巧便攜，成本低廉，流暢穩(wěn)定，適于各類學(xué)校作為相關(guān)實驗課的教具使用。
【專利說明】教學(xué)演示用小型風洞
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及ー種小型風洞，尤其是ー種新型的適于課堂教學(xué)用的實驗演示用小型風洞。
【背景技術(shù)】
[0002]風洞是能人工產(chǎn)生和控制氣流，以模擬飛行器或物體周圍氣體的流動，并可量度氣流對物體的作用以及觀察物理現(xiàn)象的ー種管道狀實驗設(shè)備，它是進行空氣動カ實驗最常用、最有效的工具。
[0003]無論是中小學(xué)的自然課、物理課還是大學(xué)的氣動課程，都有許多與空氣動カ相關(guān)的內(nèi)容，但由于其相關(guān)實驗離不開風洞，而現(xiàn)有風洞體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價高，不適合在課堂上使用，故這些課程往往缺少實驗的支持，不利于學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容的直觀認識，達不到最好的教學(xué)效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提供了ー種小型風洞，適用于諸如課堂教學(xué)用演示，解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，用方便教師在課堂上進行演示實驗。該裝置體積小巧，結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，拆裝方便，便于攜帶，流場穩(wěn)定，并采用了可視化電教化融合式的系統(tǒng)設(shè)計，適用于課堂環(huán)境。同時，接ロ采用標準化設(shè)計，方便功能的擴展。
[0005]根據(jù)本發(fā)明的ー個方面，提供了ー種小型風洞，其特征在于包括:
[0006]外骨架，其包括整流段和試驗段；
[0007]電機支架，其被設(shè)置在整流段的入口處并被固定在所述外骨架上；
[0008]固定于電機支架上的電機；
[0009]安裝在所述電機的電機軸上的槳葉，
[0010]其中，所述槳葉在所述電機的帶動下旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生氣流，經(jīng)整流段整流后在試驗段中產(chǎn)生所需的穩(wěn)定流場。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的小型風洞的骨架總體圖。
[0012]圖2是圖1所示實施例中由出口向內(nèi)部觀察的視圖。
[0013]圖3是圖1所示實施例中的側(cè)面剖視圖。
[0014]圖4是圖1所示實施例中的系統(tǒng)架構(gòu)框圖。
[0015]附圖標記:
[0016](I)外骨架(2)出口(3)可拆卸頂蓋(4)觀察窗(5)內(nèi)壁(6)電機支架(7)光電開關(guān)安裝孔(8)電機安裝孔(9)試驗件支架(10)試驗段(11)整流段(12)入口
【具體實施方式】[0017]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例如圖1、2、3所示，其中，外骨架(I)由諸如3mm的層板制成，通過卡槽拼接或粘接，分為整流段(11)和試驗段(10)，內(nèi)壁(5)由PVC材質(zhì)覆蓋，光滑過渡。整流段(11)設(shè)有蜂窩器和導(dǎo)流器(未顯示)，以提供穩(wěn)定流場。在試驗段(10)上安置有可拆卸頂蓋(3)和觀察窗(4)?？刹鹦俄斏w(3)方便標定風速和試驗件的替換，可拆卸頂蓋
(3)中部為試驗件支架(9)。觀察窗(4)為有機玻璃材質(zhì)，方便觀察試驗件狀態(tài)。入口(12)處設(shè)有十字形的鋁合金電機支架(6)，通過螺栓固定于外骨架(1)，電機(未顯示)通過配套螺栓固定于電機支架(6)電機支架(6)的電機安裝孔(8)上，槳葉(未顯示)安裝在電機軸上。光電開關(guān)安裝孔(7)用于固定反射式光電開關(guān)(未顯示)，位于槳葉后方不遠處，每當槳葉經(jīng)過光電開關(guān)正前方時光電開關(guān)便輸出ー個脈沖信號，通過計算可得到電機的轉(zhuǎn)速。在出口(2)可粘接攝像頭(未顯示)，對準試驗件。
[0018]系統(tǒng)架構(gòu)及工作原理如圖4 (以前述航模動カ系統(tǒng)為例)。本發(fā)明以洞體為核心，由動カ系統(tǒng)、數(shù)據(jù)圖像采集系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)組成。
[0019]在根據(jù)本發(fā)明的ー個具體實施例中，用鋰電池作為電源提供電機所需的電力，電子調(diào)速器控制電機的轉(zhuǎn)速，電機帶動槳葉旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生一定速度的氣流，經(jīng)整流段(11)整流在試驗段(10)產(chǎn)生實驗所需的穩(wěn)定流場。
[0020]為了克服狹小的風洞空間和試驗件的存在為在風洞中安裝風速測量裝置所造成的困難，放棄了在內(nèi)部安裝空速管的方案，而用電機轉(zhuǎn)速來標定風速。即找出轉(zhuǎn)速和風速的對應(yīng)函數(shù)關(guān)系，利用函數(shù)關(guān)系，將采集的電機轉(zhuǎn)速信息經(jīng)過計算轉(zhuǎn)換為風速顯示。
[0021]光電開關(guān)采集電機轉(zhuǎn)速，經(jīng)放大器放大，通過USB采集卡輸入計算機。風速與轉(zhuǎn)速之比值事先標定，預(yù)置于自編程序中，自編程序?qū)⑤斎氲霓D(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換為風速通過模擬LED顯示于顯示屏上。
[0022]與此同時，攝像頭拍攝試驗件狀態(tài)，經(jīng)USB轉(zhuǎn)換器輸入計算機，通過視頻顯示軟件實時顯示在顯示屏上。
[0023]當前風速數(shù)值與試驗件圖像通過與計算機相連的電教設(shè)備共同顯示，以供學(xué)生觀察。
[0024]使用時首先安裝試件，然后連接計算機，打開相關(guān)軟件，接通電源，聽到提示音后即可開啟電機進行試驗。
[0025]本發(fā)明是通過對洞體、動カ系統(tǒng)、數(shù)據(jù)圖像采集系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)進行合理的設(shè)計和搭建所完成的。其ー個具體的實施方案的具體配置包括:
[0026]1.洞體材料選擇
[0027]為達到輕便和低成本的要求，選用3mm層板制作洞體骨架
[0028]2.洞體分段
[0029]洞體可分為入口、整流段、試驗段、出口。
[0030]3.洞體斷面形狀
[0031]為方便放置，骨架外框整體為尺寸相等的正方形。對于風道，實驗段斷面采用正方形，以方便試驗件固定和觀察窗的開設(shè)；整流段斷面形狀為圓形，以適應(yīng)風扇旋轉(zhuǎn)的需要。兩段間采用圓形截面到正方形截面的過渡。
[0032]4.動カ系統(tǒng)
[0033]采用應(yīng)用于航空模型成熟的動カ系統(tǒng):螺旋槳ー電機一電子調(diào)速器ー鋰電[0034]5.轉(zhuǎn)速測量裝置
[0035]將歐姆龍反射式光電開關(guān)置于槳葉后端，當槳葉經(jīng)過光電開關(guān)便觸發(fā)脈沖信號，配合放大器和USB采集卡,將信號輸入計算機。
[0036]6.風速測量裝置
[0037]風速儀:采用CEM DT-8880熱線式風速儀，其纖細的探頭對流場影響小，可伸縮手柄適用于狹小空間，便于固定，分辨率0.01m/s，精確度5%。
[0038]7.視頻采集裝置
[0039]Sony高清CXD攝像頭，EasyCAP USB轉(zhuǎn)接器，安裝在實驗段出ロ。
[0040]8.轉(zhuǎn)速-風速轉(zhuǎn)換顯示
[0041]對實驗段入口、中段、出口截面進行的轉(zhuǎn)速和實時風速的測量。
[0042]擬合曲線得到風速和轉(zhuǎn)速的關(guān)系式:風速(m/s) /轉(zhuǎn)速(r/s) =0.098383097
[0043]在Labview軟件中進行函數(shù)計算，將光電開關(guān)輸出的脈沖信號轉(zhuǎn)換為風速在模擬LED上顯示。
[0044]9.視頻圖像顯示
[0045]EasyCAP圖像顯示軟件顯示攝像頭采集的圖像，與風速一同投影之大屏幕，實時顯示試驗件現(xiàn)象。
[0046]表1電機參數(shù)
[0047]
【權(quán)利要求】
1.ー種小型風洞，其特征在于包括: 外骨架(I)，其包括整流段(11)和試驗段(10); 電機支架(6)，其被設(shè)置在整流段(11)的入口( 12)處并被固定在所述外骨架(I)上； 固定于電機支架(6)上的電機； 安裝在所述電機的電機軸上的槳葉， 其中，所述槳葉在所述電機的帶動下旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生氣流，經(jīng)整流段(11)整流后在試驗段(10)中產(chǎn)生所需的穩(wěn)定流場。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的小型風洞，其特征在于進一歩包括: 安裝在所述電機支架(6)上的光電開關(guān)，所述固定反射式光電開關(guān)位于所述槳葉后方不遠處，從而每當槳葉經(jīng)過光電開關(guān)正前方時光電開關(guān)便輸出ー個脈沖信號，根據(jù)所述脈沖信號得到電機的轉(zhuǎn)速。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的小型風洞，其特征在于進一歩包括: 計算機，用于根據(jù)事先標定的風速與轉(zhuǎn)速之比值，把所述轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為風速。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的小型風洞，其特征在于進一歩包括: 在試驗段(10)上安置的可拆卸頂蓋(3)，用于標定風速和安放試驗件； 設(shè)置在可拆卸頂蓋(3)中部的試驗件支架(9)，用于設(shè)置試驗件。 在試驗段(10)上安置的和觀察窗(4)，用于觀察試驗件的狀態(tài)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的小型風洞，其特征在干: 外骨架(I)由層板制成，通過卡槽拼接和/或粘接， 且所述小型風洞進一歩包括: 設(shè)在整流段(11)上的蜂窩器和導(dǎo)流器，用于提供穩(wěn)定流場。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的小型風洞，其特征在干: 外骨架(I)的內(nèi)壁(5)由PVC材質(zhì)覆蓋，光滑過渡， 所述所述電機支架(6 )是十字形的鋁合金支架。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的小型風洞，其特征在于進一歩包括: 在試驗段(10)的出口(2)處設(shè)置的攝像頭，用于對試驗件進行攝像。
【文檔編號】G09B23/12GK103531058SQ201210236575
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2012年7月6日 優(yōu)先權(quán)日:2012年7月6日
【發(fā)明者】謝長川, 楊超, 馬成驥, 李云鵬, 劉曉晨, 張超 申請人:北京航空航天大學(xué)