纸飞机风洞

标签:飞行器 测试 风洞 纸飞机

阿三 发布于 2015-03-13 13:06

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有一阵子,我和马克(我的创客伙伴)想做点与纸飞机有关的事情,所以当寻找一个更有互动性的创客大会参展项目时,我们决定整个大的:做一个工作部分有A4大小的空气动力学风洞。

与我们尝试做的大多数项目一样,我们尽量使使用的部件更便宜和易找到,所以在这种情况下,我们主要用纸板和废弃物构建了风洞。当然,这并不影响它成为一个功能完备的风洞……恰巧非常类似于美国国家航空航天局的设计(但后来更多!)

Step 1: 目标

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通常,我们想鼓励孩子们对科学与工程更感兴趣,DIY风洞似乎是一个很好的实现方式。

为什么选纸飞机呢?嗯,首先,我们都是工程师,自我们记事起就开始做纸飞机,但不仅如此,纸飞机是一种神奇的符号,让我们回忆起曾经的2B生涯,产生共鸣。拿起一张纸,我们可以用它做会议纪要或者打发无聊与孤寂,但也可以把它变成梦寐以求的东西,这个东西可以抵抗地心引力,成功飞起来,更不用说它还可以砸中某个毫无防备的同事后脑勺,把他/她吓一大跳。

你可以让飞机笔直稳定的飞行,或者来一个超酷的三圈翻滚,让大伙儿发出惊叹和尖叫。

好吧,他们可能不承认被打动了,但你知道,他们只是嫉妒你能做出符合空气动力学的纸飞机的本领。

三件事使纸飞机超级闪亮:

(1)对初级航空迷来说,纸飞机易理解,纸成本低。

(2)通过简单的折叠和划线,设计上就可以有无限创新空间。

(3)制作特别简单,甚至能让一个六岁小屁孩跟做,或者这会开启孩子们的创新生涯。

咳咳,那么回到风洞吧……

Step 2: 介绍风洞

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如果你不熟悉风洞我建议一个快速入门的wiki。在开发高速汽车或飞行器时,风洞是一种很有用的工具。但相对那么大型的设备,我们的项目比较短小,在这种情况下,我们决定把重点放在让人们可通过自制的风洞看到空气动力学现象。

大多数人并没有工程背景,从没有机会观看物体周围的气流形式,如果他们有机会看到这种现象,他们可能发现既有趣又很酷。用风洞解释纸飞机如何产生升力是我们的目标之一。给孩子们一个可以参与的项目,或者可以让他/她对空气动力学或科技多那么一点点兴趣。它也使我们可以展示风洞,向人们证明,做一个可以工作的风洞,没有太多费用或困难。

我们构建的风洞是开环回路的,它从房间的一端吸入空气,从另一端吹出,这种模式最容易构建,并且有最大的有效工作部分。

这种开环风洞有5个关键部分,如上图所示。

·气流矫直器

·收集器

·工作部分

·扩散器

·风扇

接下来的几步将详细介绍这几个关键部分如何制作。

Step 3: 气流矫直器

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我们的第一个念头是使用一些蜂窝复合芯体材料,但价格有点让我们反胃。

然后,我们考察了更普通的方法,用吸管。然而,把数以百计的吸管截成一英寸长的小段,还得把它们粘在一起,并确保它们正常工作,会花费很长的时间,而且不是免费的。所以,为了避免麻烦,当我看到一块尺寸近似的废料时,我欣然接受了这个机会,这块废料上有许多类似办公室照明灯扩散栅格的东西。每个栅格中都有截面积约20 mm2的透明塑料圆管,三个这样的圆管并列连在一起,截面像三叶草那样,排布在80  mm2的栅格中,矫直器大约80mm长,看起来似乎工作良好,可以顺利矫直进入风洞的气流。

如果你找不到合适的东西,将许多粗短的吸管束在一起,可能是最好的替代方法。为达到良好的矫直效果,应使矫直器的长径比超过4:1

Step 4: 收集器

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在矫直器和工作部分之间,是作为收集器的风管。收集器引导已矫直的气流进入工作部分。矫直器的截面积最好大一些,这样有助于减少背压,还能为工作部分提供更稳定的恒流,这比高斯分布的气流要好。

在最初的方案中,我们设想了一种合适的收集器形状,但在大学看到几个开环风洞之后,我们开始思考未来如何改进收集器形状……正在深入研究时,我发现了美国宇航局为学校设计的一种风洞,和我们最初设想的方案完全一致,所以我们决定保留它原来的样子。

为了实现曲线,我们用了一种比较厚的非波浪形的Lego盒子,这种方案不那么整洁,好在我们对其耐久性没有很高的诉求。啊,好吧……

Step 5: 工作部分

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工作部分是测试执行的地方,这里气流平稳顺直。

工作部分是一个简单的盒子,它有恒定的横截面。为方便观察,我们在其顶面和侧面安装了透明板。顶面的透明板和侧面板是铰接的,这样,纸飞机比较容易放进去。

工作部分是唯一没有使用废弃物的部分。工作部分的主体是三合板激光切割而成。为了更清晰地观测,透明板是新亚克力板制成。小铰链的使用,让顶面亚克力板容易打开。接缝处用气密胶带增强密封性。

装夹纸飞机的夹子是在PP3DP UP2设备上3D打印的。为方便更换纸飞机,夹子的基座里有钕磁铁材质的推合座。一把钢尺胶粘在工作部分的底板上,磁性夹子就吸在钢尺上。钢尺还能方便定位。然而,在我的工作室,我更愿意采用更简洁的解决方案,丢掉这把尺子。

为了使工作部分的气流可视化,我们还用了一组根据空气动力学原理改进的分束喷嘴,这是另一处3D打印的部件,这组喷嘴可以导入烟雾线迹,这样,气流就可视了。

烟雾是无毒的,由水/甘油/丙二醇混合物加热生成。为安全起见,我们采用了“Zero Blaster”玩具烟圈枪、3D打印的适配器和一个小风扇。小风扇把烟雾从烟室吸出,通过一根吸管送入风洞。

测试时,我们还用过一个两升的瓶子盛放热水和干冰来产生烟雾。这种方案视觉效果更好,可惜持续性不好。如果你沿着这条技术路线做,因为蒸发/升华CO2的动力可以驱动烟雾,所以不再需要小风扇,但我建议在瓶子上切一个20mm的孔,用胶带覆盖,这样可以在出口堵塞的情况下起到减压作用。

为有助于观察,我们安装了一条直流LED灯带,这条灯带安装在两面亚克力板的连接处,工作部分的内侧则被漆成黑色,这样有助于观察烟迹线。

Step 6: 扩散器

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工作部分和风扇间的管道就是扩散器,该设计源于一位接近美国航天局的人,是的,一个NASA Baby

我们最初的设计方案是从正方形到六边形到圆形的扩散器,但发现上述美国航天局计划后,我们用纸板和高粘性胶带结构重新设计了与其一致的扩散器。

为保持气流稳定,扩散器必须温和地扩张,不要让扩散器扩展得太快,否则,气流会不稳定,会来回震荡而分裂。

从方形工作部分到圆形风扇是等腰三角形纸板。较大的三角形底边长是风扇圆周的1/4,腰与较小的等腰三角形的腰长一致。为确保波纹平直,大三角形纸板可以弯曲。两个三角形的接缝要在内部和外部用胶带粘好。在扩散器终点,我们做了几个孔,用于绑接风扇外罩。另一端与工作部分的接口,我们用的是滑动摩擦配合。

为防止风扇旋转,也为了调平整个风洞,在风扇端安装了一个硬纸板箱。工作部分比较小,但它是真正有用的部分,必须使它的高度恰到好处,气流矫直器栅格也要坐直在桌子上。

Step 7: 风扇

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我们开始动手时,有些担心普通的落地扇不能产生所需的气流,但原型实验表明,这个担心是不必要的。

我是神奇的巫师,刚刚把我唯一的风扇装在邋遢的、塞满我的房间的纸板风洞上,英国就突然迎来了35度的热气流,这可不是我的女友期待的浪漫姿势。马克和我把底座拆掉,将风洞移到了我的车库,这样,一个幸福的女友的问题就解决了。

Step 8: 完结

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这就是真相了。

正如你所看到的,它成本不太大,是一个相当好的科学演示,似乎肯定会受孩子们的欢迎。

我们肯定会成功激励孩子们对科技更感兴趣,不过,大家别忘了把德比和布莱顿城的纸飞机清理干净。

Step 9: 后续想法

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稍稍改进一下烟雾是个不错的想法,现在的烟雾不太容易看见,在最低流速下,CO2也需要5分钟填充一次,如果更换一个自动填充的装置会如何呢?

此外,如果增加一个测量推重比的方案,将大幅提升风洞在飞行测试上的竞争优势,年龄大些的参与者可能更感兴趣。

 
飞鱼BH1JSS2015-03-18 09:57:50
老外连玩纸飞机都搞的这么科学!
小M君2015-03-13 15:17:07
好顶赞!
小M君2015-03-13 15:17:01
好顶赞!

作者

阿三

北京,朝阳

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