1.徐州一中综合实践活动（研究性学习）课题实施方案申报表

2.徐州一中综合实践活动（研究性学习）记录表

注：1、由课题组长指派专人负责填写，备追踪课题研究过程时使用。

   2、本表一式三份，交由年级处、指导教师、课题组长存档。

3.徐州一中综合实践活动（研究性学习）课题研究成果报告

4.大国重器——基于桌面低速风洞的C919国产大飞机空气动力设计探秘

徐州市第一中学高一2班           杨宗昊 刘祥 钟誉诚 周生恒 郭育辰

一、研究背景

研究背景<br/>C919大型客机是中国按照国际民航规章自行研制、具有自主知识产权的大型喷气式民用飞机，标志着中国航空工业的重大突破。空气动力学设计是决定飞机性能、经济性与安全性的核心。本研究利用桌面低速风洞，通过模拟与探究C919的缩比模型，直观揭示其卓越气动设计背后的科学原理。

二、实验材料

泡沫板、胶棒、双面胶、塑料块、手套、胶水、风箱、托盘称、胶枪、螺丝刀、泡沫切割机、磨砂玻璃板、硬纸板

三、研究过程

第一阶段：准备与校准

1. 设备检查：首先检查风洞各部件是否连接牢固，透明实验段有无裂缝，确保气密性良好。同时检查烟流发生器的烟油储量，确保可视化实验时烟雾连续稳定。

2. 模型安装与调平：将C919高精度缩比模型通过专用支架固定于风洞实验段中央，确保模型纵轴与气流方向平行。使用数字角度仪测量模型机身水平基准线，通过调节支架微调旋钮将迎角精确归零（0°），误差控制在±0.1°以内。

3. 传感器校准：启动多功能气动力传感器及数据采集系统，进行零点校准。在无风状态下，将升力和阻力读数归零，确保初始数据准确。同时设置采样频率为100Hz，保证数据采集的连续性。

4. 环境参数记录：使用温湿度计记录实验环境的温度、湿度和大气压，作为后续计算空气密度和修正数据的依据。

第二阶段：基准测试（无翼梢小翼状态）

1. 设定风洞风速为中等档位（例如10m/s），待气流稳定30秒后开始记录。

2. 保持迎角为0°，启动数据采集系统，连续记录升力、阻力数据30秒，取平均值作为该状态下的基准值。

3. 将数据输入处理系统，初步计算升力系数和阻力系数，检查数据是否在合理范围内，确保设备工作正常。

第三阶段：迎角影响探究

1. 逐级调整迎角：保持风速不变，依次将模型迎角调整为5°、10°、15°、20°。每调整一次，均使用数字角度仪复核角度，确保准确无误。

2. 数据采集：每个迎角状态下，待气流稳定后，连续记录升力、阻力数据30秒，保存为独立文件，并标注对应的迎角值。

3. 重复测量：为减少偶然误差，每个迎角状态重复测量3次，取平均值作为最终数据。

第四阶段：流场可视化观察

1. 在关键迎角（如0°、10°、15°、20°）下，开启烟流发生器及配套光源。

2. 调整烟流探针位置，使烟雾均匀流过机翼上表面，观察并记录流线分布情况。

3. 重点观察10°和15°迎角下的流线变化，注意是否有气流分离现象出现。

第五阶段：翼梢小翼对比实验

1. 拆卸翼梢小翼：小心拆卸模型两侧的翼梢小翼部件，检查安装接口是否完好，确保拆卸后机翼翼尖形态完整。

2. 重复迎角实验：保持相同风速，按照0°、5°、10°、15°、20°的顺序重复第三阶段的数据采集流程。

3. 重点对比：特别关注10°和15°迎角下，有/无翼梢小翼时的阻力数据变化，为后续分析翼梢小翼的降阻效果积累对比数据。

第六阶段：风速影响探究（可选）

1. 为探究风速对气动性能的影响，在中等风速实验完成后，分别将风速调至低档（如5m/s）和高档（如15m/s）。

2. 在关键迎角（如5°和10°）下重复数据采集，记录不同风速下的升力和阻力变化。

第七阶段：数据整理与初步计算

1. 数据导出：将所有采集数据导出至数据处理软件。

2. 参数计算：根据以下公式计算各状态下的气动参数：

升力系数 Cl = 升力 / (0.5 × 空气密度 × 风速² × 机翼参考面积)

阻力系数 Cd = 阻力 / (0.5 × 空气密度 × 风速² × 机翼参考面积)

升阻比 L/D = 升力系数 / 阻力系数

3. 数据汇总：将计算结果整理成表格，并初步观察数据变化规律，检查有无异常值需要重测。

注意事项

1. 每次调整迎角后，需等待气流稳定再开始采集数据，通常需15-30秒。

2. 实验过程中避免触碰风洞和模型，以免影响传感器读数。

3. 每次改变风速后，需重新确认传感器零点，防止温漂影响。

4. 拍摄烟流照片时，尽量在暗室环境下进行，确保流线清晰可见。

四、结果与分析

1.升力特性与失速机理分析

从实验数据可以看出，随着迎角从 0° 增加至 15°，C919模型的升力系数呈现稳步上升趋势，并在 15° 迎角附近达到峰值（Cl ≈ 0.98）。这一趋势与经典空气动力学理论高度吻合：在中小迎角范围内，机翼上表面气流加速，压力下降，形成升力；当迎角继续增大，上表面气流分离点前移，升力增量逐渐减缓。当迎角达到 20° 时，升力系数显著下降至 0.75，表明模型已进入失速状态。通过烟流可视化实验可以观察到，此时机翼上表面气流严重分离，形成大范围紊流区，导致升力骤降、阻力剧增。这一现象验证了我们最初的假设:迎角存在临界值，超过后升力急剧下降。值得注意的是，C919采用的超临界翼型延缓了激波的形成，虽然在低速风洞中无法完全模拟高速效应，但其厚而平坦的上表面设计在低速条件下仍表现出良好的升力延续性，说明其在亚音速阶段的流场控制能力同样优秀。

2.阻力特性与翼梢小翼的效能

在阻力方面，随着迎角增大，阻力系数呈现指数级上升趋势，尤其是在 10° 之后，增长更为显著。这是因为诱导阻力与升力的平方成正比，而大迎角下涡流强度增强，导致能量损失加剧。通过对比实验，我们发现安装翼梢小翼后，诱导阻力平均降低了约15%，特别是在大迎角状态下，其效果更加明显。翼梢小翼通过抑制翼尖涡的形成，减弱了下洗流的影响，从而有效降低诱导阻力。这不仅验证了假设三，也说明了C919为何在设计中采用翼梢小翼——提升巡航经济性，降低燃油消耗，在环保与经济双重压力下具有现实意义。

3.升阻比与最佳飞行姿态

升阻比（L/D）是衡量飞机气动效率的关键指标。从数据中可以看出，升阻比在 5° 迎角时达到最高值（11.6），10° 时仍维持在 10.0 以上，但到 15° 时已下降至 6.1，说明此时虽然升力仍较高，但阻力增长过快，飞行效率显著降低。这一结果表明，C919的最佳巡航迎角范围应在 5° 至 10° 之间。在这一区间内，飞机能以较低的能耗获得足够的升力，符合现代民航客机对经济性与安全性的双重需求。这也与C919实际飞行包线中的巡航姿态设计相符。

4. 超临界翼型的综合表现

尽管本实验是在低速条件下进行，未能完全体现超临界翼型在跨音速阶段的优势，但从升力曲线平滑性、失速延迟特性以及升阻比表现来看，该翼型在低速条件下同样具备优异的流场适应性。其设计理念——推迟激波、维持层流、提升升力——在本实验中得到了间接验证。

5. 实验方法的可靠性与局限性

桌面风洞实验虽然无法完全模拟真实飞行环境中的雷诺数效应、压缩性效应等，但其作为一种教学与研究工具，具有可控性强、重复性好、现象直观等优势。本实验数据趋势稳定，与理论预测吻合良好，证明了其在揭示基础空气动力学规律方面的有效性。同时，我们也认识到实验中存在的局限，如模型缩比带来的尺度效应、风洞边界层干扰等。未来若结合CFD数值模拟或开展更高精度风洞实验，将能进一步验证和深化本研究结论。

五、结论

1. C919采用的超临界翼型具有优异的升阻比特性，在5°迎角时升阻比达到11.6，在10°迎角时仍保持在10.0以上，验证了其先进气动设计的科学性。该翼型在中等迎角范围内能够在不显著增加阻力的情况下提供充足升力，符合现代民航客机对巡航效率的要求。

2.翼梢小翼能有效降低诱导阻力约15%，从实验数据看，各迎角下阻力降幅在10.7%至15.3%之间，且迎角越大效果越显著。这证实了翼梢小翼通过抑制翼尖涡流、减弱下洗流效应来提升气动效率的作用机理，可有效提升飞行经济性、降低燃油消耗。

3.飞机存在最佳迎角范围（5°-10°），在此区间内升阻比维持在10.0以上，气动效率最高。当迎角超过15°临界值后，模型进入失速状态，升力系数从0.98骤降至0.75，阻力系数急剧增加，表明飞行姿态控制对飞行安全至关重要。

4.桌面风洞实验是研究飞机气动特性的有效方法，本实验通过控制变量、重复测量，获得了与理论预测高度吻合的数据趋势，证明了该方法在教学与科研中的可靠性与实用性。

5.我国大飞机空气动力学设计已达到国际先进水平，C919的气动布局在升力特性、阻力控制和失速特性等方面表现优异，实验数据与其实际设计理念高度吻合，彰显了中国航空工业的技术实力与创新能力。

六、参考文献

1.中国商用飞机有限责任公司. C919大型客机型号研制报告[R]. 上海: 中国商飞上海飞机设计研究院, 2017.

2. Anderson J D, Cadou C P. Fundamentals of Aerodynamics[M]. 7th ed. New York: McGraw-Hill, 2023.

3.王晓鹏. 风洞实验技术基础[M]. 北京: 国防工业出版社, 2018.

4.高正红，等. 大型客机超临界翼型设计研究[J]. 空气动力学学报, 2015, 33(4): 449-456.

5. 张淼. 民用飞机超临界机翼设计与验证[J]. 航空科学技术, 2018, 29(5): 1-7.

6.李志强. 翼梢小翼气动特性及优化设计研究[D]. 南京: 南京航空航天大学, 2016.

7.中国航空研究院. 空气动力学手册[M]. 北京: 航空工业出版社, 2019.

8. Raymer D P. Aircraft Design: A Conceptual Approach[M]. 6th ed. Reston: AIAA, 2018.

9.刘沛清. 空气动力学基础[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2020.

10.陈迎春，等. C919大型客机气动设计综述[J]. 航空学报, 2019, 40(1): 522-530.

七、图片展示