抗風(fēng)傘布料風(fēng)阻系數(shù)風(fēng)洞試驗(yàn)研究

宋秋紅++耿保華

摘 要：通過對(duì)三種傘布料的迎風(fēng)風(fēng)阻系數(shù)風(fēng)洞試驗(yàn)，得到了各工況下不同布料的風(fēng)阻系數(shù)值。對(duì)三種布料風(fēng)阻系數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行研究，得到三種布料的風(fēng)阻系數(shù)隨風(fēng)力變化的變化規(guī)律，結(jié)合上海市區(qū)東南方向南匯新城的年均風(fēng)速的情況，依據(jù)風(fēng)阻系數(shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，找到三種布料中最適合做抗風(fēng)傘的布料是EVA。該實(shí)驗(yàn)方法可以作為測(cè)定雨傘布料風(fēng)阻系數(shù)的測(cè)試方法。

關(guān)鍵詞：雨傘布料 風(fēng)阻系數(shù) 風(fēng)洞試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：G64 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）06（b）-0101-02

由于上海海洋大學(xué)地處上海遠(yuǎn)郊南匯新城，日常風(fēng)力高于上海市區(qū)，人們使用的普通雨傘承受更強(qiáng)的風(fēng)力，壽命都比較短。該文通過風(fēng)洞試驗(yàn)，對(duì)三種典型雨傘布料進(jìn)行風(fēng)阻系數(shù)的測(cè)試，得到適合于上海市等東南沿海風(fēng)力較大城市適合于作抗風(fēng)傘的布料。該種實(shí)驗(yàn)方法可以對(duì)各種布料進(jìn)行風(fēng)阻系數(shù)的測(cè)定，得到相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，因此，該實(shí)驗(yàn)方法具有一定的實(shí)用意義。

1 風(fēng)洞試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備及模型

該試驗(yàn)在300mm×300mm的風(fēng)洞中完成，見圖1。考慮到風(fēng)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(jiǎn)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。見圖2。圓錐體模型尺寸為，底圓直徑80mm、錐體母線長(zhǎng)80mm。

1.2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

首先將縫制好雨傘布料的圓錐體，見圖3，安裝放置在風(fēng)洞中，位置見圖4。依據(jù)上海年平均風(fēng)級(jí)為3～4級(jí)（3.4m/s～7.9m/s），見表1，而南匯新城的年平均風(fēng)級(jí)比上海市區(qū)高出2-3個(gè)風(fēng)級(jí)，所以應(yīng)該是5-7級(jí)（8.0m/s～17.1m/s）左右。

根據(jù)該風(fēng)洞的風(fēng)速和通風(fēng)機(jī)電源頻率關(guān)系，如圖5所示，在風(fēng)速8.0m/s～17.1m/s所對(duì)應(yīng)通風(fēng)機(jī)的通風(fēng)機(jī)電源頻率在約20～40Hz之間，因此，在三種布料的風(fēng)阻系數(shù)測(cè)量過程中，通風(fēng)機(jī)電源頻率的變化規(guī)律都一樣的，只要保證通風(fēng)機(jī)電源頻率變化過程包括有通風(fēng)機(jī)電源頻率20～40Hz這一段，就可以了。

2.3 試驗(yàn)過程數(shù)據(jù)采集

通過調(diào)整通風(fēng)機(jī)電源頻率15～45Hz之間變化，步長(zhǎng)為3，共11個(gè)采樣點(diǎn)。每個(gè)采樣點(diǎn)記錄力信號(hào)，然后換算成F力實(shí)際大小。為了使試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集的更準(zhǔn)確，每項(xiàng)實(shí)驗(yàn)重復(fù)三次。

力信號(hào)與F的實(shí)際大小換算根據(jù)公式：

：YD-28A型動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀測(cè)得的電信號(hào)；

：力的實(shí)際大小 （N）。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 數(shù)據(jù)測(cè)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(yàn)風(fēng)速；

A為模型在鉛錘面上的投影。

計(jì)算出每個(gè)采樣點(diǎn)時(shí)的風(fēng)阻系數(shù)值，得到三種布料風(fēng)阻系數(shù)隨通風(fēng)機(jī)電源頻率變化曲線。經(jīng)過對(duì)每項(xiàng)實(shí)驗(yàn)所做的三次重復(fù)試驗(yàn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理和修正，得到如圖6、7、8所示的變化規(guī)律。

三種布料風(fēng)阻系數(shù)變化曲線，放在一起，可以清楚地看到三種布料參數(shù)之間的比較差別，見圖9。

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果分析

從試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)可以看出，三種布料的風(fēng)阻系數(shù)值隨通風(fēng)機(jī)的通風(fēng)機(jī)電源頻率（風(fēng)速）都是變化的。在通風(fēng)機(jī)電源頻率15～30Hz之間都有一個(gè)峰值，牛津布的風(fēng)阻系數(shù)在通風(fēng)機(jī)電源頻率為27～28Hz時(shí)達(dá)到約1.27，為三種布料峰值中的最大；而EVA的風(fēng)阻系數(shù)在通風(fēng)機(jī)電源頻率為23～25Hz時(shí)達(dá)到約1.18，為三種布料峰值中的最小。

4 結(jié)語

綜上所述，通過風(fēng)洞試驗(yàn)，可以較好地測(cè)得三種布料的風(fēng)阻系數(shù)隨風(fēng)速變化的規(guī)律，我們關(guān)心的是上海市南匯新城區(qū)域的年有風(fēng)天，均風(fēng)力5-7級(jí)，也就是通風(fēng)機(jī)電源頻率20～40Hz之間風(fēng)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(fēng)力的不斷加大，風(fēng)阻系數(shù)不斷減小了。從三種布料的風(fēng)系數(shù)變化規(guī)律看，EVA的風(fēng)阻系數(shù)不論是峰值、各點(diǎn)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(diǎn)采樣值在三種布料中都要大一些。因此，依據(jù)風(fēng)阻系數(shù)與風(fēng)阻力的正比關(guān)系，風(fēng)阻系數(shù)大則風(fēng)阻力就大，所以，三種布料中，最適合作為抗風(fēng)傘布料的是EVA布料。

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