大學生創(chuàng)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(jù)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(shù)風洞試驗，得到三種布料的風阻系數(shù)隨風力變化的規(guī)律，結(jié)合上海市區(qū)東南方向南匯新城的年均風速的情況，依據(jù)風阻系數(shù)的實驗結(jié)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(shù)的測試方法，而且學生在創(chuàng)新活動中，各項能力得到了實實在在的提高。

關(guān)鍵詞：大學生創(chuàng)新;雨傘布料;風阻系數(shù);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(qū)，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(chuàng)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(shù)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(xù)進行。在大學生創(chuàng)新實踐中，指導教師幫助學生邁出第一步非常關(guān)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(shù)的測定，得到相關(guān)的實驗數(shù)據(jù)，不但具有一定的實用意義，而且學生的創(chuàng)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(jù)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(qū)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(jù)該風洞的風速和通風機電源頻率關(guān)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(shù)測量過程中，通風機電源頻率的變化規(guī)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(shù)據(jù)采集

通過調(diào)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(shù)據(jù)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(jù)公式：

F：YD-28A型動態(tài)電阻應變儀測得的電信號;

力的實際大?。∟）。

三、實驗結(jié)果與分析

（一）數(shù)據(jù)測量與處理

根據(jù)

其中，F(xiàn)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(shù)值，得到三種布料風阻系數(shù)隨通風機電源頻率的變化曲線。經(jīng)過對每項實驗所做的三次重復試驗的試驗數(shù)據(jù)的整理和修正，得到三種布料風阻系數(shù)隨通風機電源頻率的變化圖譜。把三種布料風阻系數(shù)變化曲線放在一起，可以清楚地看到三種布料風阻系數(shù)之間的比較差別，見圖3。

（二）試驗數(shù)據(jù)結(jié)果分析

從試驗所得數(shù)據(jù)可以看出，三種布料的風阻系數(shù)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(shù)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(shù)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(jié)論

實驗結(jié)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(shù)隨風速變化的規(guī)律。我們關(guān)心的是上海市南匯新城區(qū)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(shù)的變化規(guī)律。在此階段，三種布料都出現(xiàn)了峰值，然后隨著風力的不斷加大，風阻系數(shù)不斷減小。從三種布料的風系數(shù)變化規(guī)律來看，EVA的風阻系數(shù)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(jù)風阻系數(shù)與風阻力的正比關(guān)系，風阻系數(shù)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(xiàn)實，順利完成創(chuàng)新項目，收獲了創(chuàng)新活動的成就感。因此，學生積極參加各項創(chuàng)新活動，往往開始時想法天真、心態(tài)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(jié)果。在這個過程中，學生的綜合素質(zhì)得到了切實的提高。

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