探究空气动力学 | 基于模块化3D打印的桌面烟迹风洞
1.问题探究
方方正正有棱有角的汽车，看起来很强壮，但是跑起来的速度为什么没有低趴造型的汽车快？低趴汽车看起来很瘦小。速度越快方方正正的汽车噪音也越来越大？
2.实验探究
2.1.汽车车身造型如何影响周围空气流动？
不同外形的车辆，气流流过车身时会产生不同的涡流、分离区，直接关系到车辆风阻、能耗与行驶稳定性。工业中风洞就是用来研究这一现象，本装置将大型风洞小型化，直观可视化气流。
2.2.什么是气流分离与涡流？涡流会带来哪些影响？
通过烟雾烟柱，可以肉眼观察气流什么时候脱离车身表面、哪里产生漩涡，理解涡流会增大风阻、增加能耗。
2.3.整流结构（蜂窝、格栅）对气流有什么整流作用？
探究格栅、蜂窝结构如何把旋转、紊乱的气流整理成平直均匀的平行气流，理解风洞为什么需要整流段。
2.4.不同车身外形，风阻表现有什么差异？
更换不同造型的汽车模型，对比烟迹形态，判断哪种车身更利于气流平顺流过。
3.模型设想
生活中每一辆汽车发布上市的时候，都要经过设计、生产原模型，最后再测试，其中一项是风洞测试，查看车辆的设计是否符合空气动力学，是否存在隐藏的阻力，是否让车辆满载能源下，行走的更远、更省油、更省电。
4.方式选择
大型风洞试验场场地无法完成实验，我们小组尝试制作桌面可视化风洞模型，更直观的展现每辆汽车在空气动力学上的表现。经查资料，风洞存在吹入式和吸入式。
吹入式是将管道内喷射出的烟雾直射出去，风扇与烟雾在同一侧，并且经过风扇的“吹”，烟雾走的更远、更直，然后再在展示区放上模型。
吸入式是将管道内喷射出的烟雾直射出去，风扇与烟雾在对侧，烟雾喷射出后，对侧的风扇“吸”，让烟雾走的更远、更直，然后再在展示区放上模型。
5.创作过程
1.最初组装：12V 暴力风扇，烟雾网格出烟像瀑布，开机烟雾会被风扇旋转吸入，出现旋转涡流；已经加装 5mm六边形蜂窝格栅，依旧有烟雾旋转。
2.配件迭代：新增 1cm 圆孔格栅叠加安装，风扇方形 8×8cm 风道是否需要聚风口？叠加双层整流件后烟雾旋转依旧明显。
3.方案选型：吸入式（风扇在右侧抽）还是吹气式（风扇在左侧吹）风洞。
4.结构布置：烟雾软管、烟雾缓冲区、出烟孔布置；烟雾软管接入封闭腔体；电钻开孔孔位不平行带来影响。
5.打印装配：全部采用模块化分开 3D 打印，好处方便排查故障，缺点拼接缝错位影响气流。
6.实验改进
吹气式调试：出烟孔近处是清晰烟柱，往后烟雾散开变粗；下方烟柱出现向下原地旋转涡流。
风扇固定：风扇一半在风道内一半外露，吹风时风扇容易向外脱落。
结构改良：想上移出烟孔、加长内部支撑柱来消除底部涡流。
后期改良：改成后置抽吸结构，烟雾先自主射出，再由后方风扇抽吸，实验效果明显改善。
综上所述，将所有方案改成烟雾直射、喷射 + 风扇短距离吸
7.结构件
7.1.Arduino Uno * 1 核心元器件写入程序
7.1.电机驱动板 L298N * 1 控制风扇
7.1.角度传感器 * 1：读取角度数据，控制风扇转速
7.1.RGB彩色灯带 * 1：用于照亮模型区域，更好的展示烟雾的通道
8.布局选择（从左往右）
3厘米厚实心圆形格栅：梳理烟道
5厘米宽度空心烟雾缓冲区：烟雾区域短暂积存
13厘米宽度空心展示区域
5厘米实心六边形格栅及7厘米四角延长区域：可调节式风扇
9.实验结论
本次通过自主设计、3D打印模块化搭建的桌面烟迹风洞装置，成功实现了空气动力学气流的可视化探究实验。经过多次结构迭代与调试，装置由前期前置吹气结构优化为后置抽吸式结构，配合多层整流格栅与平稳负压风道设计，有效消除了风扇旋转扰动、风道边角涡流以及烟柱剪切发散等问题，最终获得平直、细腻、稳定的可视烟柱。
实验验证了汽车车身造型对气流流动的直接影响：不同车身外形会产生不同的气流走向、气流分离位置与尾部涡流形态，直观说明了汽车工业风洞测试的核心原理。车身流线越顺滑，气流附着性越好、涡流越小、风阻越低，这也是现代汽车造型不断优化空气动力学设计的根本原因。
同时实验证明，风道整流结构、气流流速匹配、腔体平顺度是获得稳定流场的关键因素。模块化拆分打印的设计方式，能够快速排查气流扰动问题，有效降低了调试难度，非常适合中小学生开展空气动力学探究。
总体而言，本装置成功将大型工业风洞实验微型化、可视化、科普化，可以直观展现看不见的空气流动规律，能够清晰探究车身造型与风阻、涡流、气流分离之间的科学关系，圆满完成本次探究实验目标。
