一种用小型风洞构建的空气阻力系数测定仪的制作方法

本发明涉及一种物理学中力学方面的实验测定仪器，尤其是一种用于测定和研究物体在空气中与气流作相对运动时所受阻力的空气阻力系数测定仪。

背景技术：

运动物体在流体中会受到与运动方向相反的阻力，研究该阻力的成因和规律及不同形状物体的阻力系数是工程上的一个重要课题。要研究这一问题，一般人们需借助专用的大型风洞设备进行定量测量。研究的费用和投入比较昂贵，而在实验室的小范围环境内要进行空气阻力系数的研究则缺少相应的设备。

技术实现要素：

为了开展教学科研的需要，本发明专门设计了一个由透明的有机玻璃大圆筒和鼓风机、风箱、安装底板、平板出风口等构成的小型风洞，可以放在桌面上进行有关物体在空气中与气流作相对运动时所受的阻力测量的实验研究。风洞的平板出风口风速可调并可利用空气压差传感器间接测出平板出风口的风速。在小型风洞的上部有一个力传感器支架，用于把待测量的不同测试效应物分别安装在该支架的力传感器上，并使测试效应物对准风洞的平板出风口，测试效应物与力传感器支架不直接接触。在大圆筒的中部还有一个测压孔，通过一根输气软管与空气压差传感器相连。与该装置配套，专门设计了多种测试效应物，用力传感器进行比较测量，从而可以方便地对多种不同形状物体的空气阻力系数进行定量研究。

小型风洞测量风速的原理是根据流体力学中的伯努利方程和流体的连续性原理。因流体力学中的伯努利方程和流体的连续性原理在物理教科书中有详细的论述，不在本说明叙述的范围，故以下在讲述中涉及到这些原理时，只讲依照上述原理得到的有关推导结果而对原理本身不作探讨。

本发明中所涉及的多种测试效应物都采取了轴对称的形式制作，共有平板型、圆柱体型、单头圆锥型、双头圆锥型、圆球型、水滴型等几种测试效应物。上述这几种测试效应物迎风面的横截面积相同，它们在同样的风速下所受的风压(或称风阻，下同)则是不同的，从而可以比较它们相互间的空气阻力系数。

为了便于上述测试效应物的使用，本发明设计了一个力传感器支架，把待测量的不同测试效应物分别安装在该支架上，并使测试效应物对准小型风洞的平板出风口，根据测试效应物所受到的不同风压，力传感器可感应出不同的电信号，通过信号线就可传到传感器测量仪中显示出力的大小等参数来。

在力传感器的测量仪上，具有相应的调零、测量、显示、记忆和换算功能。该测量仪可以和仪器的安装底板连为一体，以提高使用的灵活性与适用性。

本发明设计的主要结构部件和使用原理是：

1.本发明设计了一个由透明的有机玻璃大圆筒和鼓风机、风箱、安装底板、风箱的内喷头、平板出风口等构成的小型风洞。“大圆筒”的含意是指该大圆筒的内径和高度均为平板出风口内径的5倍及以上。在小型风洞的上部有一个力传感器支架，用于把待测量的不同测试效应物分别安装在该支架的力传感器上，并使测试效应物对准风洞的平板出风口，测试效应物与力传感器支架不直接接触。在大圆筒的中部还有一个测压孔，通过一根输气软管与空气压差传感器相连。该测压孔处的气压代表了大圆筒中的气压。当鼓风机给风箱中鼓风时，通过风箱的内喷头向大圆筒内吹气，然后气流从平板出风口高速喷出。由于在出风口处气体的压力和周围外界的气压相同，而出风口的风速比大圆筒内的风速大得多，所以根据伯努利方程和流体的连续性原理得到大圆筒内与周围外界的气压差ΔP和出风口的风速v有如下关系：

上式中ρ为空气的密度。因此，只要测出了大圆筒内与周围外界的气压差ΔP，就可推算出风洞平板出风口处的风速v。

2.大圆筒内和周围外界的气压差ΔP可借助“U型液压差计”来测量。将大圆筒中部的测压孔处的接头与“U型液压差计”的一端用输气软管连通，则大圆筒内的气压就传递到“U型液压差计”中，观察“U型液压差计”两边液面的高度差，就可以知道大圆筒内和周围外界的气压差ΔP。此处介绍的“U型液压差计”并非唯一的测量气压差的办法，也可以用其它的空气压差传感器来代替“U型液压差计”。

3.为了研究各种不同形状的物体在气流中的相对阻力系数，本发明设计了横截面积相同的多种测试效应物，这些测试效应物均为轴对称体。比较它们各自在相同的风速情况下所受的不同风压，就可测得它们的相对阻力系数。

本发明所述的一种用小型风洞构建的空气阻力系数测定仪，其特征是：有一个由透明有机玻璃大圆筒和鼓风机、风箱、安装底板、风箱的内喷头、平板出风口等构成的小型风洞，大圆筒的内径和高度均为平板出风口内径的5倍及以上，在小型风洞的上部有一个力传感器支架，在大圆筒的中部还有一个测压孔，通过一根输气软管与空气压差传感器相连。

本发明所述的一种用小型风洞构建的空气阻力系数测定仪，其特征是：在小型风洞上部的力传感器支架，用于把待测量的测试效应物分别安装在该支架的力传感器上，并使测试效应物对准风洞的平板出风口，测试效应物与力传感器支架不直接接触。

本发明所述的一种用小型风洞构建的空气阻力系数测定仪，其特征是：力传感器支架上的力传感器的输出信号通过信号传输线与力传感器测量仪相连，该力传感器测量仪与小型风洞可以是连为一体的。

本发明所述的一种用小型风洞构建的空气阻力系数测定仪，其特征是：与该空气阻力系数测定仪配套有不少于六种的轴对称的测试效应物，这些测试效应物都具有相同的横截面积。

本发明所述的一种用小型风洞构建的空气阻力系数测定仪，其特征是：该空气阻力系数测定仪的全部装置是放在桌面上的。

本发明的有益效果是：为教学和科研提供了一种小型、方便的研究空气阻力系数的定量测量的仪器。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本仪器的主体结构示意图。

图2是为本仪器配套设计的六种的轴对称的测试效应物示意图。

图3是测试效应物与力传感器和力传感器支架之间的相对位置关系的细节示意图。

在图1中：1.有机玻璃大圆筒，2.鼓风机，2-1.鼓风机软管，3.风箱，3-1.风箱的内喷头，4.仪器安装底座，5.平板出风口，6.测试效应物，7.力传感器，8.力传感器支架，9.信号传输线，10.力传感器测量仪，11.力传感器测量仪的显示窗口，12.大圆筒中部的测压孔，13.输气软管，14.U型液压差计，15.U型液压差计上的标尺，16.U型管上显示的液位差，17.固定大平板和大圆筒的支架，18.大平板。

在图2中：6.平板状测试效应物，6-1.圆柱体测试效应物，6-2.单头圆锥体测试效应物，6-3.双头圆锥体测试效应物，6-4.圆球体测试效应物，6-5.水滴状测试效应物。

在图3中：6.测试效应物(仅画出细杆)，7.力传感器，8.力传感器支架，上面显示有一个空洞。

具体实施方式

按图1将鼓风机(2)通过鼓风机软管(2-1)与风箱(3)连接，将大圆筒(1)和大平板(18)与风箱(3)三者用固定大平板和大圆筒的支架(17)固定起来。风箱的内喷头(3-1)在大圆筒(1)内，向大圆筒(1)内吹气，然后气流从平板出风口(5)高速喷出。在大圆筒(1)中部有一个测压孔(12)通过输气软管(13)与U型液压差计(14)连接。根据平板出风口(5)风速的不同，U型液压差计(14)可测得不同的空气压差，借助U型液压差计上的标尺(15)可以读出U型管上显示的液位差(16)。在平板出风口(5)的上方有一个感知风压的测试效应物(6)，该测试效应物(6)的细杆连接在力传感器(7)上，而力传感器(7)则是安装在力传感器支架(8)上的。测试效应物(6)安装在平板出风口(5)的正上方，并对准出风口(5)，根据测试效应物(6)所受到的不同风压，力传感器(7)可感应出不同的电信号，通过信号传输线(9)传到力传感器测量仪(10)中，力传感器测量仪的显示窗口(11)可显示出力的大小来。力传感器测量仪(10)可以是独立设置的，也可以与仪器安装底座(4)连为一体。

按图3的安装方法，测试效应物(6)的细杆与力传感器(7)连接在一起，连接的方法可以用螺丝固定。在力传感器支架(8)上有一个空洞，测试效应物(6)的细杆从空洞中穿过，与力传感器支架(8)不直接接触。力传感器(7)则是安装在力传感器支架(8)上的。

在图2中展示的是六种常见形状的测试效应物，在用本仪器做测量研究时可分别将此六件测试效应物安装在力传感器(7)上，以比较各自所受的风压情况。本发明提出的配套的六种测试效应物只是一种配套方法，并不局限于只有六种的数量限制。