Szélcsatorna építése és vizsgálata egy tehetséggondozási program keretében

Átírás

1 Szélcsatorna építése és vizsgálata egy tehetséggondozási progra keretében Összefoglalás Horváth Miklós, Szücs Botond, Kiss Endre A felsőoktatásban fontos, hogy a tehetséges hallgatókkal a tantervi órákon felül is foglalkozzunk, a érnökhallgatókat az érdeklődési körüknek egfelelő tervezési, érési feladatokkal lássuk el, valaint TDK tevékenységre ösztönözzük. A felsőoktatás jelenlegi helyzetében ugyancsak fontos, hogy a tehetséggondozási progra ne korlátozódjon a főiskolai egyetei hallgatókra, hane a középiskolákkal is építsük ki a kapcsolatot és az ott jelentkező kreatív abíciózus gyerekeket táogassuk, segítsük akár nezetközi versenyekre való felkészítéssel is. Jelen cikk egy olyan közös unkáról száol be, aely során egy tehetséges végzős gináziui tanulóval egy jól űködő szélcsatornát építettünk, légellenállás és aerodinaikai felhajtóerő éréseket, valaint szélgenerátor hatásfok vizsgálatokat végeztünk. A szélcsatorna építése közben felerült nehézségek egoldására új ötletek, egoldások születtek, a gondos tervezés és kivitelezés eredényeképpen az eszközzel reprodukálható, pontos éréseket lehet végezni, így az eszköz a főiskolai érnökképzésben is használható. Munkájával a entorált végzős ginazista diák hazai tehetségkutató versenyeken és nezetközi egérettetésen is kooly sikereket ért el. Abstract In higher education, it is iportant to deal with talented students in addition to the classroo curriculu. The engineering students should get a design and easureent tasks according to their interests, and should encourage the scientific student activity. Because of the current state of higher education, it is also iportant that the talent anageent progra is not restricted to the undergraduate students, but also build a cooperation with high schools, help and support the abitious creative kids, and prepare the for international scientific copetitions as well. This article is a report on joint work in which a well-designed well-

2 functioning wind tunnel was built, a drag and aerodynaic lift force were easured and wind turbine efficiency tests were perfored. or the difficulties during the construction of the wind tunnel, a new ideas and solutions have been found. As a result of the careful planning and execution, the wind tunnel is suitable for exact reproducible easureents, and it is applicable in the engineering education. The entored high school student has achieved great success in national talent copetitions, and an international scientific conference. kulcsszavak: tehetséggondozás, szélcsatorna, aerodinaikai felhajtó erő, légellenállás, szélkerék hatásfok Keywords: wind tunnel, talent anageent, aerodynaic lift force, drag force, efficiency of wind turbine Bevezetés A középiskolai tehetséggondozás napjainkban az oktatás egyik lényeges feladata. A kieelkedő képességű gyerekekkel való foglalkozás különösen fontos, ha a tanuló érdeklődési köre a a ég kevésbé népszerű űszaki-terészettudoányos tantárgyak felé irányul, ezen a területen szeretne az átlag fölötti teljesítényt nyújtani. Azoknak a diákoknak, akik érnöki pályára készülnek, kiváló lehetőség a érnöki unkával való iserkedésre, a anuális készség, valaint a probléaegoldó készség fejlesztésére egy berendezés tervezése, éretezése, valaint saját kezű kivitelezése. Aennyiben a berendezés jól űködik, pontos, reprodukálható éréseket, valaint szeléltetést lehet vele végezni, a készülék elkészítése során szerzett tervezői gyakorlat ellett ne elhanyagolható a sikerélény valaint a jól végzett unkával járó elégedettség érzése. Aennyiben a diák unkájáért külső eliserésben is részesül, az egész későbbi pályáját pozitívan befolyásoló lökést kaphat, ai további unkára otiválhatja. Ebben a cikkben egy sikeres unkáról fogunk beszáolni, aelynek keretében egy tehetséges végzős középiskolás diákkal egy igen jól űködő, deonstrációkra és pontos érésekre is alkalas szélcsatornát építettünk eg.

3 A szélcsatorna építése A szélcsatorna olyan kísérleti berendezés, elyet testek körül áraló közeg hatásainak vizsgálatára fejlesztettek ki. A szélcsatornának háro alapvető típusa van: a beszívó, a kifúvó, és a visszatérő áraú szélcsatorna. Mérlegelve a lehetőségeinket, valaint a rendelkezésünkre álló időt és anyagokat, a beszívó típusú szélcsatorna egépítése ellett döntöttünk. Beszívó szélcsatorna esetén a érőtér zárt, előtte helyezkedik el a beszívószáj, a párhuzaosító, a szita és a konfúzor. A érőtér után diffúzor csökkenti le a légsebességet és a szélcsatorna végén helyezkedik el a ventilátor, ely a levegőáraot átszívja a szélcsatornán [] [] [3]. A tervezés első lépéseként éreteznünk kellett a berendezést. A laboratóriuban egy /h intenzitású ventilátor állt rendelkezésünkre. A próbatesteket 6-8 c átérőjéhez a száítások alapján legalább 0-5 /sec szélsebességre volt szükség ahhoz, hogy érhető légellenállási erő jöjjön létre. Mindezeket átgondolva egy 4 c oldalhosszúságú négyzet keresztetszetű ásfél éter hosszú érőtérrel rendelkező szélcsatornát terveztünk. A beszívó típusú szélcsatorna beölő nyílását c átérőjű űanyag csövekből készített párhuzaosítóval, a csatorna ásik végét egy 50 c hosszú 3 c-re táguló diffúzorral láttuk el, aihez légtöör ódon csatlakoztattuk a ventilátort. (. ábra.) ábra. A szélcsatorna felépítése :érőtér, : párhuzaosító, 3: rugós erőérő a felhajtóerő érésére, 4: diffuzor, 5: ventilátor, 6: légpárnás sín, 7: rugós erőérő a légellenállás éréséhez, 8: lovas, 9: próbatest, 0: légára, : légpárnás sín kopresszora 3

4 A száítások és a érések alapján kiderült, hogy ég a létrejövő /sec sebességű légára is csak néhány tized N légellenállást képes létrehozni a próbatesteken, ait ne könnyű pontosan érni. Először a próbatestek súrlódását kellett kiküszöbölnünk, ivel aennyiben a súrlódási erő a légellenállási erő nagyságrendjébe esik, a pontos érés lehetetlenné válik. A súrlódás kiiktatására egy új egoldást alkalaztunk: légpárnás sínre ültettük rá a próbatestet. A sínen lebegő lovasról egy vékony fépálca nyúlik be a érőtérbe egy keskeny hosszúkás nyíláson keresztül. A nyílás ne zavarja eg az áralást, a lovashoz szintén fépálcával erősített rugós erőérő pedig pontosan utatja a légellenállási erőt a gyakorlatilag súrlódásentes érőtérben. (. ábra.). ábra. A légellenállási erő érése Az így elkészült szélcsatornával a különböző típusú próbatestek (göb, kúp, félgöb, cseppodell) légellenállási tényezőjét pontosan, reprodukálhatóan sikerült egérni. A szélcsatorna ásik célja a szárnyprofilon létrejövő aerodinaikai felhajtóerő érése volt. Itt a zárt érőtér iatt újabb probléát kellett egoldanunk: hogyan lehet a felhajtóerőt érni egy zárt csatornában úgy, hogy a lehető legkevésbé zavarjuk eg az áralást, a próbatest ne forduljon el a légára hatására, és a lehető legkisebb veszteséggel ki tudjuk vezetni és érni tudjuk a felhajtóerőt. A egoldás a 3. ábrán látható. 4

5 A szélcsatorna tetejét kifúrva függőlegesen rögzítettük a felhajtóerő érésére alkalas rugós erőérőt. Az erőérő rugójához erősített fé pálca a csatorna fedőlapjára fúrt lyukon keresztül csatlakozott egy c széles, élével az áralás irányában álló aluíniu lapkához, ainek az volt a szerepe, hogy egakadályozza a szárnyprofil elfordulását. Az csatorna alján egy lyukon keresztül kivezetett aluíniu lapka alsó végére különböző súlyokat akasztva lehet változtatni az eszköz éréshatárát (3. ábra). 3 f g rugó 4 5 s g 3. ábra. Az aerodinaikai felhajtóerő érése : rugós erőérő, : szárnyprofil, 3: légára, 4: a szárnyprofilt tartó lapka, 5: súly Az aluíniu lapka és a csatorna alsó lapja közötti súrlódás csökkentése, valaint a lap és a hozzá rögzített szárnyprofil pozícionálása céljából az alsó lapon egy a 4. ábrán látható csapágyazott szerkezetet helyeztünk el, ezzel egakadályozva a lap elfordulását, és iniálisra csökkentve a súrlódást. 5

6 4. ábra. a próbatest pozícionálása A felhajtóerő érésekor fellépő erők a 3. ábra alapján: g a próbatest és az aluíniu lap súlya, s g a lap aljára akasztott súly, rugó a rugó által kifejtett erő, fel az aerodinaikai felhajtóerő. Méréskor egyensúlyt beállítva a felfelé és a lefelé ható erők egyensúlyából az alábbi egyenlet adja a felhajtóerőt: g s g rugó fel innen: fel g s g rugó A inializált súrlódásnak valaint a próbatest jó pozícionálásának köszönhetően a felhajtóerő érése szintén pontosnak és reprodukálhatónak bizonyult. A szélcsatorna tervek szerinti haradik funkciója a különböző típusú szélkerekek energiaterelési hatásfokának vizsgálata. Ennél a érésnél a szélkerék odell tengelyéhez egy kiséretű generátort csatlakoztattunk, ajd egkerestük az ellenállást, aelyen a legnagyobb teljesítény jön létre, és egértük a keletkező villaos energiát. Beenő unkaként a légára a szélkerék hasznos felületének egfelelő áracsövének 6

7 ozgási energiáját tekintettük. ozgási energiája: A légára időegység alatt létrejövő P be v d dt v A dx dt v 3 A ahol v: az áraló levegő sebessége, : az áraló levegő sűrűsége, A: a szélkerék légárara erőleges keresztetszete A szélkerék energia átalakítási hatásfoka a kicsatolt elektroos teljesítény és a beenő teljesítény hányadosa: P P el be Mérési eredények A közegellenállási együtthatót négy különböző próbatesten értük (5. ábra). 5. ábra. A közegellenállási tényező különböző próbatestek esetén A szárnyprofilra ható felhajtóerőt vízszintes, valaint a vízszintessel 5 o szöget bezáró irány esetén értük. 7

8 A 6. ábrán jól látszik, hogy a döntött szárnyprofilra nagyobb felhajtóerő hat, ebben az esetben azonban a légellenállás is nagyobb. Megvizsgáltuk egy szélkerék odell energia átalakítási hatásfokát is: ez a 4-/sec sebesség intervalluon hozzávetőlegesen 9,4 /sec-nál volt a legnagyobb, itt elérte a 9%-ot. : 5 0 szögben döntött szárnyprofil :vízszintes szárnyprofil 6. ábra A szárnyprofilra ható felhajtóerő vízszintes, és a vízszintessel 5 o szöget bezáró szárnyprofil esetén Konklúzió A egépített szélcsatorna jól űködik, alkalas a felhajtóerő, a légellenállás érésére, segítségével vizsgálható a különböző típusú szélkerekek hatásfoka. A entorált diák élvezte a unkát, sikerélénye volt, és végül, de ne utolsó sorban, az országos selejtezőt követően kijutott az Indonéziában, Balin egrendezett 0th International Conference of Young Scientists rendezvényére. A konferencián angol nyelven tartott előadást, és aellett, hogy életre szóló élényben volt része, ezüstéret nyert Kísérleti fizika kategóriában. Irodalo [] : [] : [3]: itzgerald, M. (00). Cardboard wind tunnel. Tech Directions, 6 (0), p. 0. A unka a TÁMOP-4...A-//KONV táogatásával készült 8

9 Szerzők: Név: Horváth Miklós Tudoányos fokozat: PhD Beosztás: főiskolai docens Intézényi adatok: Dunaújvárosi őiskola Terészettudoányi és Környezetvédeli Tanszék Dunaújváros, Táncsics M u /A E-ail cí: hik@ail.duf.hu Név: Kiss Endre Tudoányos fokozat: PhD Beosztás: Intézényi adatok: főiskolai tanár Dunaújvárosi őiskola Terészettudoányi és Környezetvédeli Tanszék Dunaújváros, Táncsics M u /A E-ail cí: kisse@ail.duf.hu Név: Szücs Botond Tudoányos fokozat: - Beosztás: Intézényi adatok: középiskolás diák Széchenyi István Gináziu Dunaújváros, Dózsa György út 5/A E-ail cí: kisszucsi@gail.co 9