大学生创新活动实践案例研究

宋秋红 耿保华 兰雅梅 成诚 王萍 陈程

摘要：大学生根据实际情况，提出抗风伞设计想法，指导教师设计了一个学生切实可行的风洞试验。通过对三种伞布料的迎风风阻系数风洞试验，得到三种布料的风阻系数随风力变化的规律，结合上海市区东南方向南汇新城的年均风速的情况，依据风阻系数的实验结果，找到三种布料中最适合做抗风伞的布料是EVA。该实验不但可以作为测定雨伞布料风阻系数的测试方法，而且学生在创新活动中，各项能力得到了实实在在的提高。

关键词：大学生创新;雨伞布料;风阻系数;风洞试验

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2015）44-0060-02

一、前言

由于上海海洋大学地处上海远郊南汇新城，日常风力高于上海市区，人们使用的普通雨伞承受这么强的风力寿命都比较短。针对这一情况，学生提出设计抗风伞的想法，立即得到学校的支持。但由于该创新项目的想法比较粗浅，雨伞的设计令学生无从着手，所以该项目停滞了。指导教师了解情况后，首先帮学生们设计了风洞试验，通过此实验，对三种典型雨伞布料进行风阻系数的测试，得到适合于上海市等东南沿海风力较大城市适合于作抗风伞的布料;其次要求学生考虑应用软件模拟仿真分析雨伞骨架及设计，使得该项目得以延续进行。在大学生创新实践中，指导教师帮助学生迈出第一步非常关键。该风洞实验对于本科生切实可行，该种实验方法可以对各种布料进行风阻系数的测定，得到相关的实验数据，不但具有一定的实用意义，而且学生的创新能力得到了实实在在的提高。

二、风洞试验

（一）试验设备及模型

本试验在300mm×300mm的风洞中完成。考虑到风洞的尺寸，选用三种布料分别缝制在圆锥体上。三种布料分别是：EVA塑胶，原料为乙烯—醋酸乙烯共聚物，英文简称EVA（ethylene-vinyl acetate copolymer）;牛津布，英文名oxford，又叫牛津纺;碰击布，又叫高密度碰击布，采用锦纶（尼龙）与棉纱混纺或交织的一种织物。圆锥体模型尺寸为底圆直径80mm，锥体母线长80mm。

（二）试验准备

首先将缝制好的雨伞布料的圆锥体，见图1，安装放置在风洞中，位置见图2。依据上海年平均风级为3～4级（3.4m/s～7.9m/s），见表1，而南汇新城的年平均风级比上海市区高出2～3个风级，所以应该是5～7级（8.0m/s～17.1m/s）左右。

根据该风洞的风速和通风机电源频率关系，在风速8.0m/s～17.1m/s所对应通风机的通风机电源频率在约20Hz～40Hz之间，因此，在三种布料的风阻系数测量过程中，通风机电源频率的变化规律都一样，只要保证通风机电源频率变化过程包括有通风机电源频率20Hz～40Hz这一段就可以了。

（三）试验过程数据采集

通过调整通风机电源频率15Hz～45Hz之间的变化，步长为3，共11个采样点。每个采样点记录力信号，然后换算成F力实际大小。为了使试验数据采集的更准确，每项实验重复三次。

力信号与F的实际大小换算根据公式：

F：YD-28A型动态电阻应变仪测得的电信号;

力的实际大小（N）。

三、实验结果与分析

（一）数据测量与处理

根据

其中，F为模型的阻力;ρ为空气密度;V为试验风速;A为模型在铅锤面上的投影。

计算出每个采样点时的风阻系数值，得到三种布料风阻系数随通风机电源频率的变化曲线。经过对每项实验所做的三次重复试验的试验数据的整理和修正，得到三种布料风阻系数随通风机电源频率的变化图谱。把三种布料风阻系数变化曲线放在一起，可以清楚地看到三种布料风阻系数之间的比较差别，见图3。

（二）试验数据结果分析

从试验所得数据可以看出，三种布料的风阻系数值随通风机的通风机电源频率（风速）变化。在通风机电源频率15Hz～30Hz之间都有一个峰值，牛津布的风阻系数在通风机电源频率为27Hz～28Hz时达到约1.27，为三种布料峰值中的最大;而EVA的风阻系数在通风机电源频率为23Hz～25Hz时达到约1.18，为三种布料峰值中的最小。

四、结论

实验结论显示，通过风洞试验可以较好地测得三种布料的风阻系数随风速变化的规律。我们关心的是上海市南汇新城区域的年均风天，均风力5～7级，也就是通风机电源频率20Hz～40Hz之间风阻系数的变化规律。在此阶段，三种布料都出现了峰值，然后随着风力的不断加大，风阻系数不断减小。从三种布料的风系数变化规律来看，EVA的风阻系数不论是峰值、各点采样值，照比其他两种布料都要小一些;牛津布的峰值和各点采样值在三种布料中都要大一些。因此，依据风阻系数与风阻力的正比关系，风阻系数大则风阻力大，所以，在三种布料中，最适合作为抗风伞布料的是EVA布料。

学生在学习过程中非常愿意做这些实验，喜欢动手。在实验中碰到各种各样的问题，通过教师指导、自己查阅大量文献，不怕辛苦，并坚持最终完成了这个实验。参加该项目的学生完成这个实验后，又全身心投入到雨伞骨架的软件模拟仿真分析阶段，使得他们自己的初期想法正在一步一步地变成现实，顺利完成创新项目，收获了创新活动的成就感。因此，学生积极参加各项创新活动，往往开始时想法天真、心态积极，过程中要有指导教师及时不断的指导，这样才能把一个项目逐渐做实，最后有一个结果。在这个过程中，学生的综合素质得到了切实的提高。

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