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

课题名称	桌面低速风洞的设计制作
课  题 组  成 员  及 有 关 情 况	姓名	性别	班级	职务	学号
	王诗淇	女	高一（4）	组长	zp04g03n03
	李学彦	女	高一（4）	组员
	褚衍佳	女	高一（4）	组员
	孟奕杉	女	高一（4）	组员
	孙艺萌	女	高一（4）	组员
	指导教师
	郑金合美	女		老师
课  题 研  究 的  目 的  及 主  要 内  容	目的： 本探究课题旨在通过简易材料设计并制作桌面低速风洞，探究风洞实验基本原理及其在航空工程中的应用价值，为高中以及后续大学阶段基础学科的学习提供有效的指引。 主要内容： 研究采用有机玻璃板、电源风扇等常见材料，构建包含实验段、扩散段和收缩段的风洞结构，通过组装调试与机翼模型测试验证其性能。
研究假设	1.简易材料的加工精度、组装工艺的密封性控制及气流整流设计是合理的。
研究方法	实验、查找资料。
研  究 步  骤 （各 阶 段  的 主  要 内  容 和  时 间   安 排）	一 、8月24日-8月25日 领取实验材料、 录制开箱视频、拍摄开箱照片 二、8月26日-8月27日 加入课题微信群、组建课题小组，参加课题群科学第一课 ，检查物资。 三、8月29日-9月10日 1. 登录在线学习平台 2. 完成探究性学习导论，合作讨论课程学习； 3. 完成先备知识课程学习和课题任务的节点任务提交； 4. 完成实验探究的课程学习和课题任务的节点任务提交； 5. 利用科探方舟盒子完成课题探究实验。 四、9月11日-9月12日 1. 进行课题研究进展汇报 2. 成果制作指导课程学习 五、9月13日-9月18日 成果制作和修改 六、9月14日-9月28日 1. 科学海报评选 2. ppt 预答辩 3. 科技论文评选 七、9月底 闭幕式，进行成果的汇报与表彰。
成果形式	PPT,论文
论证小组意见	论证人签名：   年 月 日

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

题目： 桌面低速风洞的设计制作				编号：
课题组成员	组长：王诗淇		组员：李学彦、褚衍佳、孟奕杉、孙艺萌
指导教师：郑金合美		报告执笔人：  王诗淇		完成时间：9月27日
主导课程：桌面低速风洞的设计制作			相关课程：物理、数学、化学
（一）书面材料
课题成果： 1）预期的成果：三个实验均顺利完成。 2）课题实际取得的成果： 升力是机翼克服重力实现飞行的核心力，其大小与气流速度、翼面积及机翼构型密切相关。由表1数据可知，五种机翼模型的升力大小排序为：后掠翼（1.79 N）>矩形翼（1.61 N）>梯形翼（1.48 N）>椭圆翼（1.40 N）>三角翼（1.13 N）。
参考书目及资料：网络查询资料、指导老师的讲义
附录材料（要求提交原始记录）包括： 活动记录表（1）份  访谈表（ ）份        实验记录（ ）份 调查表（ ）份         测量数据记录（ ）份
（二）实物材料，如制作的图片，模型，照片，事物样本，音像资料等  编号：   名称：   制作者：   内容： 功能：
（三）演示课题成果所需要的条件，要求（如特别需要，请说明）： 室内、平整桌面

4.关于桌面低速风洞的制作、运用的研究

徐州市第一中学高一（4）班  王诗淇、 李学彦、褚衍佳、孟奕杉、孙艺萌

【摘要】

本探究课题旨在通过简易材料设计并制作桌面低速风洞，探究风洞实验基本原理及其在航空工程中的应用价值，为基础教学提供低成本实验平台。研究采用有机玻璃板、电源风扇等常见材料，构建包含实验段、扩散段和收缩段的风洞结构，通过组装调试与机翼模型测试验证其性能。结果显示，所制作的风洞存在气流稳定性不足、结构密封性不佳等问题，未能实现预期的稳定低速气流输出，机翼模型气动性能测试数据离散度较大。通过我们小组的探究交流，发现简易材料的加工精度、组装工艺的密封性控制及气流整流设计的合理性是影响桌面低速风洞性能的关键因素，为后续优化设计提供了实践依据。

【关键词】

桌面低速风洞；气动性能；实验教学；结构设计；气流稳定性

一、研究背景

航空航天领域的技术突破始终依赖空气动力学的基础研究，风洞作为模拟气流环境、获取气动参数的核心设备，其原理与应用是航空工程教学的重要内容。传统大型风洞因造价高昂、操作复杂且占地面积广，难以在本科及基础教育阶段开展实践教学，导致学生对风洞实验的理解多局限于理论层面，缺乏动手操作与现象观察的机会。因此，开发一款基于简易材料的小型低速风洞，成为衔接理论知识与实践操作的重要途径，对提升航空工程基础教学质量具有重要意义。

风洞实验的核心原理是通过人工生成可控气流，模拟物体在空气中的运动状态，进而测量其气动特性。根据气流马赫数（Ma），风洞可分为低速风洞（Ma<0.3）、亚声速风洞（0.3≤Ma<0.8）、超声速风洞（1.2≤Ma<5.0）及高超声速风洞（Ma≥5.0）。其中，低速风洞因气流控制难度低、结构相对简单，成为基础教学实验的首选类型。桌面低速风洞作为小型化的低速风洞装置，通常以风扇为气流驱动源，通过收缩段加速气流、实验段提供测试空间、扩散段减速回流，形成开放式或闭合式气流循环系统，其设计需满足气流均匀性、稳定性及成本可控性的平衡。

国内外已有相关研究聚焦于简易风洞的开发。例如，王勋年在《风洞试验技术》中提出，小型低速风洞的设计需重点关注收缩段的收缩比与扩散段的扩散角，以避免气流分离现象；Anderson J D在《Fundamentals of Aerodynamics》中指出，气流整流装置（如筛网、蜂窝器）的合理设置可有效降低气流湍流度。然而，现有研究中，部分简易风洞方案存在材料成本较高、制作工艺复杂或气流稳定性不足等问题，难以适配基础教育阶段“低成本、易操作、高可靠性”的教学需求。例如，部分方案采用专业PVC管道或定制风扇，虽提升了性能，但增加了制作成本；另有方案因未优化收缩段曲线，导致实验段气流均匀性偏差较大。

本研究基于常见材料，设计并制作一款结构简化、组装便捷的桌面低速风洞，重点解决气流均匀性控制、结构密封性及模型测试可行性等关键问题。研究的开展具有双重意义：一方面，通过动手实践，我们可深入理解风洞的结构组成与工作原理，将空气动力学理论与实践操作结合，提升知识认知深度；另一方面，若实验成功，所制作的风洞可用于测试简单机翼模型的气动性能，为创新性实验提供平台。即便实验未达预期，其过程中暴露的问题也能为其他同学提供实践经验，助力优化简易风洞的设计方案。

二、实验材料

本实验所用材料均选取常见材料，以控制成本并确保易获取性，具体如下：

1. 有机玻璃板：厚度3 mm，尺寸根据风洞结构设计切割；

2. PC合页：型号为普通民用合页，共4个，用于连接风洞各段结构；

3. 电源风扇：额定电压12 V，额定功率15 W，风量为30 m³/h；

4. 热熔胶枪：功率60 W，配套热熔胶棒直径11 mm；

5. 接线端子：型号为TB-250，用于连接电源与风扇线路；

6. 电源适配器：输入电压220 V，输出电压12 V，输出电流2 A；

7. 筛网：14 cm×14 cm、23 cm×23 cm、24.7 cm×24.7 cm各1张，网孔直径1 mm，铁丝网；

8. 网格板：厚度2 mm，尺寸25 cm×25 cm，用于气流整流；

9. 瓦楞纸板：厚度5 mm，尺寸50 cm×50 cm，用于辅助固定结构；

10. 铝尺：长度40cm，自备，用于尺寸测量。

实验所用工具除上述材料中提及的热熔胶枪外，还包括美工刀（用于切割有机玻璃板与瓦楞纸板）、螺丝刀（用于固定接线端子）等，均为常规工具。

三、研究过程

3.1 风洞结构设计

桌面低速风洞采用开放式结构，主要由实验段、扩散段、收缩段三部分组成，设计依据空气动力学基本原理，以实现气流的平稳过渡与均匀分布。

- 实验段：作为模型测试的核心区域，需保证内部气流均匀稳定，设计为长方体结构，横截面尺寸14 cm×14 cm，长度20 cm。实验段一侧采用可拆卸有机玻璃板，通过PC合页连接，便于放置与更换机翼模型，同时便于观察实验现象。

- 收缩段：连接风扇与实验段，用于加速气流。采用锥形收缩结构，入口横截面尺寸与风扇出风口匹配（23 cm×23 cm），出口横截面尺寸与实验段入口一致（14 cm×14 cm），长度15 cm。

- 扩散段：连接实验段出口，用于减速气流以减少能量损失，设计为锥形扩散结构，入口横截面尺寸14 cm×14 cm，出口横截面尺寸24.7 cm×24.7 cm，长度18 cm。扩散角控制在10°以内，以防止气流扩散过程中产生分离现象。

3.2 材料切割与加工

根据结构设计尺寸，对瓦楞纸板进行切割加工，步骤如下：

采用铝尺测量瓦楞纸板，用记号笔标记各部件尺寸：实验段需2块19.76cm×9.88cm面板、1块19.76cm×（9.88-2d）cm面板、1 块3.0cm×（9.88-2d）cm面板；扩散段段需4块梯形面板（上底9.88cm、下底14.0cm、高39.53cm）；收缩段需4块梯形面板（上底9.88cm、下底26.35cm、高19.76cm）。

3.3 风洞主体组装

采用热熔胶枪进行部件组装，顺序为收缩段→实验段→扩散段，具体步骤：

1. 收缩段组装：将4块梯形瓦楞纸板拼接为锥形结构，并将整流装置按小筛网-筛网-蜂窝器（网格板）的顺序拼接，拼接处涂抹热熔胶，胶层厚度约1 mm，待热熔胶冷却凝固后检查结构牢固性，以初步整流风扇气流，降低湍流度。

2. 实验段组装：将4块面板和1块有机玻璃拼接为长方体框架，拼接处涂热熔胶固定。实验段前端与收缩段出口对齐，连接处涂热熔胶密封，确保气流平稳进入实验段。

3. 扩散段组装：将4块梯形有机玻璃面板拼接为锥形结构，拼接处涂热熔胶固定。扩散段入口与实验段出口对齐并密封，以确保气体平稳流动。

3.4 气流驱动系统安装

气流驱动系统由电源风扇、接线端子、电源适配器组成，安装步骤：

1. 在收缩段入口网格板外侧安装电源风扇，出风口朝向收缩段内部，通过热熔胶固定，确保风扇中心与收缩段入口中心对齐，避免气流偏斜。

2. 电路连接：将风扇正负极导线通过接线端子与电源适配器输出端连接，确保正负极对应（红线接正极，黑线接负极），连接后拧紧端子螺丝防止接触不良。

3. 用绝缘胶带包裹接线端子进行绝缘处理，避免短路风险，将电源适配器放置于风洞外部便于操作处。

3.5 风洞调试与机翼模型测试准备

1. 风洞调试：接通电源开启风扇，观察各段连接处是否气流泄漏，若有泄漏则补充热熔胶；采用丝带法测试实验段气流均匀性，将宽度1 cm、长度5 cm的细小丝带粘贴于实验段内不同位置（前、中、后，上、中、下），观察飘动状态；使用自制风洞测力天平测量实验段中心风速，计算并记录风速值。

2. 机翼模型制作：利用模板制作不同形状机翼。

3. 测试准备：在实验段内安装金属丝制作的模型固定架，可调节攻角（-5°至15°），测试前将机翼模型固定于架上，确保与气流方向垂直且中心对齐。

四、结果与分析

4.1 风洞结构完整性与密封性结果

风洞组装完成后，外观结构基本符合设计要求，但仍存在明显缺陷：

1. 结构稳定性：纸板拼接处因热熔胶冷却收缩出现细微缝隙，尤其在收缩段与实验段连接处，用手轻推时存在轻微晃动，表明结构牢固性不足。

2. 气流密封性：接通电源后，通过轻质纸条检测泄漏，发现收缩段与实验段连接处、实验段可拆卸面板与框架之间纸条均有明显飘动，表明存在气流泄漏，后经计算得出泄漏量约占总风量15.53%～19.87%

4.2 实验段气流稳定性分析

丝带法测试结果显示，实验段内丝带飘动状态紊乱，具体表现为：

1. 不同位置丝带飘动方向不一致，边缘区域丝带出现倾斜（与垂直方向夹角约5°~10°），中心区域丝带虽大致垂直但飘动幅度波动较大（±0.5 cm），表明气流均匀性差。

2. 风速计测量数据显示，不同电压下实验段中心风速离散度较大，具体数据如表1所示。

表1 不同电压下实验段中心风速测量结果

电源电压（V） 风速测量值（m/s） 测量次数 平均风速（m/s） 风速标准差（m/s）

6 1.8, 2.0, 1.6 3 1.8 0.20

8 2.5, 2.8, 2.3 3 2.5 0.26

10 3.5, 3.9, 3.2 3 3.5 0.36

12 4.3, 4.8, 4.0 3 4.4 0.40

由表1可知，随着电压升高，平均风速虽呈上升趋势，但标准差显著增大（从0.20 m/s增至0.40 m/s），表明气流稳定性随风速升高而恶化。当电压为12 V时，最大风速仅4.4 m/s，低于设计预期的5 m/s，且波动幅度达0.4 m/s，无法满足气动性能测试对气流稳定性的要求（标准差需≤0.1 m/s）。

4.3 机翼模型气动性能测试结果

在风速4.4m/s 电压12V的条件下对两种翼型模型进行气动性能测试，采用电子天平间接测量升力与阻力，结果如表2所示。

表2 两种翼型在不同攻角下的气动参数（风速4.4 m/s）

翼型类型 攻角（°） 升力（N） 阻力（N） 升阻比（L/D）

平凸翼型 0 0.08, 0.10, 0.09 0.02, 0.03, 0.02 3.67~5.00

5 0.15, 0.18, 0.16 0.03, 0.04, 0.03 4.00~5.00

10 0.20, 0.24, 0.22 0.05, 0.06, 0.05 3.67~4.40

15 0.18, 0.21, 0.19 0.07, 0.08, 0.07 2.38~2.75

双凸翼型 0 0.07, 0.09, 0.08 0.02, 0.03, 0.02 3.00~4.50

5 0.13, 0.16, 0.14 0.03, 0.04, 0.03 3.50~4.67

10 0.18, 0.21, 0.19 0.04, 0.05, 0.04 3.80~4.75

15 0.15, 0.18, 0.16 0.06, 0.07, 0.06 2.29~2.67

由表2可知，两种翼型的升力与阻力测量值离散度较大，同一攻角下多次测量结果的波动范围达10%~20%，升阻比也随之呈现明显波动。例如，平凸翼型在攻角0°时，升力测量值为0.08~0.10 N，波动幅度25%；升阻比范围3.67~5.00，无法形成稳定的气动性能曲线。这一结果与气流稳定性不足直接相关，紊乱的气流导致机翼表面压力分布不均匀，进而使气动参数测量结果不可靠，影响实验数据。

4.4 实验失败原因分析

1. 材料与加工精度问题：瓦楞纸板采用美工刀手工切割，切割面平整度不足，存在细微倾斜，导致拼接时无法完全贴合，形成缝隙。

2. 组装工艺缺陷：热熔胶的粘接强度有限，且冷却过程中存在收缩现象，导致拼接处出现缝隙。

3. 气流整流设计不足：收缩段采用直线锥形结构，而非优化的曲线收缩轮廓，导致气流加速过程中出现局部湍流。

4. 风扇性能限制：所采用的风扇风量较小，气流输出不均匀，本身存在一定的湍流度，在结构密封性不佳的情况下，进一步恶化了实验段的气流稳定性。

五、结论

本研究尝试采用简易材料设计并制作桌面低速风洞，以探究其在航空工程的设计奥秘，但实验未达到预期目标，所制作的风洞存在结构密封性不佳、气流稳定性不足等问题。