肖國權(quán)　尹澤?！「叽婺?

摘 要：針對(duì)流體力學(xué)教學(xué)中風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)難以開展的問題，提出構(gòu)建虛擬風(fēng)洞建設(shè)及運(yùn)行與實(shí)驗(yàn)教學(xué)結(jié)合的目標(biāo)。重點(diǎn)探討了虛擬風(fēng)洞在流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的突出意義及其教學(xué)方式：（1）降低風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本，普及風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使學(xué)生得到充分的鍛煉與實(shí)踐;（2）實(shí)驗(yàn)過程直觀化，抽象概念可視化，幫助學(xué)生加深理解CFD技術(shù)、流體力學(xué)課程和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)流程;（3）引導(dǎo)學(xué)生思考優(yōu)化風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，教學(xué)與改善虛擬風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)平臺(tái)相結(jié)合;（4）與工程案例相銜接，使風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)教學(xué)更具工程實(shí)踐意義。

關(guān)鍵詞：流體力學(xué) 虛擬風(fēng)洞 實(shí)驗(yàn)教學(xué) 教學(xué)實(shí)踐

Research on Experimental Teaching Practice of Fluid Mechanics Based on Virtual Wind Tunnel

Xiao Guoquan Yin Zeyu Gao Cunnian

Abstract：Aiming at the difficulty of conducting wind tunnel experiments in fluid mechanics teaching， the goal of constructing a virtual wind tunnel construction and operation combined with experimental teaching is put forward. The emphasis is on the prominent significance of virtual wind tunnel in fluid mechanics experiment teaching and its teaching methods： （1） reducing the cost of wind tunnel experiment teaching， popularize wind tunnel experiment teaching， so that students can get adequate exercise and practice; （2） experiment process visualization and visualization of abstract concepts help students deepen their understanding of CFD technology， fluid mechanics courses and wind tunnel experiment procedures; （3） guiding students to think about optimizing wind tunnel experimental models， combining teaching and improving virtual wind tunnel experimental platforms; （4） and the connection of engineering cases makes the wind tunnel experiment teaching of? engineering practical significance.

Key words：fluid mechanics， virtual wind tunnel， experimental teaching， teaching practice

1 引言

風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)可以研究氣體流動(dòng)及其與模型的相互作用，幫助學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中了解氣體流動(dòng)對(duì)汽車行駛、飛行器飛行的作用，進(jìn)一步了解汽車、飛行器外形設(shè)計(jì)在空氣動(dòng)力學(xué)中的重要意義。

風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)成本高昂，干擾因素多且存在一定安全隱患，實(shí)驗(yàn)結(jié)果隨機(jī)性大，難以與理論教學(xué)相結(jié)合。引入虛擬風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)降低成本，使學(xué)生理解風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)工作原理及流程，將抽象氣體流動(dòng)對(duì)模型的作用具象化，探索虛擬風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)與實(shí)際空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)的融合。

2 引入虛擬風(fēng)洞的教學(xué)意義

虛擬風(fēng)洞可應(yīng)用于《流體力學(xué)》、《汽車空氣動(dòng)力學(xué)與造型設(shè)計(jì)》、《CFD建模與仿真技術(shù)》等課程的教學(xué)。這些課程的知識(shí)量大，概念抽象且難以理解，理論知識(shí)與工程實(shí)踐緊密結(jié)合，存在大量個(gè)性案例，需要具體分析。單純的理論學(xué)習(xí)無法通過實(shí)驗(yàn)實(shí)踐得到有效的應(yīng)用和反饋，無法生動(dòng)形象地展示氣體流動(dòng)對(duì)于汽車行駛及飛行器飛行過程的作用，學(xué)生無法扎實(shí)地掌握相關(guān)知識(shí)并靈活地運(yùn)用于各式各樣的工程案例，教學(xué)效率不高。在教學(xué)過程中引入虛擬風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)有助于實(shí)現(xiàn)氣體流動(dòng)可視化、通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)根據(jù)實(shí)際案例建立設(shè)置車輛和飛行器模型;加深學(xué)生對(duì)于風(fēng)洞結(jié)構(gòu)和工作方式的理解;定量認(rèn)識(shí)空氣阻力的形成和對(duì)汽車行駛的影響;修正實(shí)驗(yàn)過程中干擾因素的影響以提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3 虛擬風(fēng)洞教學(xué)實(shí)踐

3.1 流體流線可視化，直觀化

空氣是無色無形，流體流線、控制體等概念抽象且晦澀難懂。通過虛擬風(fēng)洞和CFD仿真技術(shù)可將這些概念圖像化，幫助學(xué)生理解和加深記憶。譬如通過CFD表現(xiàn)汽車周圍的流線，如圖1所示。

由圖1可知，流體力學(xué)理論教學(xué)過程中注重從一般現(xiàn)象推導(dǎo)基本公式，通過雷諾數(shù)、庫朗數(shù)、斯特勞哈爾數(shù)表征流體的不同屬性。理論教學(xué)僅僅通過數(shù)字和圖形表征流體的速度、壓強(qiáng)等屬性，無法直觀、生動(dòng)形象地表征流體的流動(dòng)和作用過程，空氣與汽車和飛行器的相互作用無法被直觀地感受到。

通過虛擬風(fēng)洞和CFD仿真，可生動(dòng)形象地表征出流體的運(yùn)動(dòng)過程和分布情況，便于清楚地觀察到流體對(duì)模型的作用，模型在流體中的運(yùn)動(dòng)和受力情況。仿真結(jié)果的可視化提供了直觀的分析結(jié)果，學(xué)生可以更加清楚地感受到流體速度和壓強(qiáng)隨空間和時(shí)間的變化過程。譬如通過不同顏色表現(xiàn)汽車周圍流體的壓力分布和速度分布分別如圖1和圖2所示。

3.2 運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立及優(yōu)化模型

流體力學(xué)對(duì)于不同的流動(dòng)狀況有不同的修正，內(nèi)容復(fù)雜繁瑣。理論教學(xué)中難以復(fù)現(xiàn)大多數(shù)程案例鞏固所學(xué)知識(shí)，現(xiàn)實(shí)的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)又需要耗費(fèi)大量的資金和時(shí)間，難以開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

基于已有的理論知識(shí)和虛擬仿真結(jié)果可以構(gòu)建直觀的三維立體汽車和飛行器等模型和風(fēng)洞場(chǎng)景，節(jié)省了實(shí)際搭建模型和風(fēng)洞的巨額成本。學(xué)生可以身臨其境地感受到空氣與汽車或飛行器的相互作用。建立的模型可以自由地移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、縮放，觀察風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中的不同布置對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。也可以通過建立典型模型（流線型，三角翼型）驗(yàn)證流體力學(xué)理論。CFD仿真結(jié)果也可為外形設(shè)計(jì)提供優(yōu)化建議，并通過仿真實(shí)驗(yàn)，加深理論知識(shí)的理解及其與工程實(shí)踐的關(guān)系。

3.3 學(xué)習(xí)風(fēng)洞結(jié)構(gòu)及其工作方式

風(fēng)洞設(shè)備體積大，造價(jià)高昂，實(shí)驗(yàn)費(fèi)用昂貴。風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)設(shè)備操作、模型制作、傳感器安裝等要求高，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用巨大。部分風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)涉及高溫高壓氣體和設(shè)備，學(xué)生作為新手操作存在安全隱患。因此在流體力學(xué)教學(xué)中，進(jìn)行大量的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)不太現(xiàn)實(shí)，不能充分實(shí)踐，學(xué)生無法體驗(yàn)完整的操作流程。

虛擬風(fēng)洞平臺(tái)提供可供操作與互動(dòng)的仿真實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，復(fù)現(xiàn)洞體、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、測(cè)量控制系統(tǒng)等主要系統(tǒng)部件，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)復(fù)現(xiàn)相關(guān)測(cè)試設(shè)備的搭建、擺放、安裝。根據(jù)實(shí)驗(yàn)段所需氣流速度的大小，風(fēng)洞又分為低速、高速和高超聲速風(fēng)洞。學(xué)生可根據(jù)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)要求選擇對(duì)應(yīng)的低速、高速和高超聲速風(fēng)洞，甚至可在虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中提供不同功率數(shù)值的電機(jī)組及所帶動(dòng)的風(fēng)扇搭建符合實(shí)驗(yàn)要求的風(fēng)洞驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，加深學(xué)生對(duì)風(fēng)洞的組成及其結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)。通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，學(xué)生以第一視角進(jìn)入虛擬風(fēng)洞試驗(yàn)段，如圖3所示。

仿照真實(shí)的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)流程，學(xué)生在虛擬風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)前應(yīng)先認(rèn)真閱讀相關(guān)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)則和操作步驟。實(shí)驗(yàn)中學(xué)生將提供的模型或預(yù)先建立好的模型正確安放在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求正確安裝托管、傳感器等，并根據(jù)提示關(guān)閉艙門，啟動(dòng)電機(jī)組，調(diào)整風(fēng)速，校準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)，輸入并記錄當(dāng)前環(huán)境參數(shù)，然后運(yùn)轉(zhuǎn)風(fēng)洞達(dá)到預(yù)定的實(shí)驗(yàn)風(fēng)速，通過虛擬現(xiàn)實(shí)引擎以視頻形式展現(xiàn)逼真的實(shí)驗(yàn)效果，并可根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)在后臺(tái)仿真，給出實(shí)驗(yàn)報(bào)告，可打印記錄實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

以汽車虛擬風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)為例，學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)大廳后，經(jīng)過測(cè)試了解阻塞比、皮托管、風(fēng)洞駐室等概念，通過鼠標(biāo)及鍵盤正確擺放車輛模型，安裝皮托管，校準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)，確認(rèn)并記錄實(shí)驗(yàn)段環(huán)境和實(shí)驗(yàn)段（至少在整車實(shí)車或模型的尺寸范圍內(nèi)）的流場(chǎng)品質(zhì)參數(shù)指標(biāo)，溫度在測(cè)量環(huán)境下保持在20.2℃，相對(duì)濕度保持在45%～75%。然后掛至駐車檔，運(yùn)轉(zhuǎn)風(fēng)洞分別測(cè)試不同風(fēng)速（怠速3.6km/h、低速18km/h、中速60km/h、高速120km/h 和 超 速180km/h 的阻力，確認(rèn)并記錄 15 秒以上。最后得出數(shù)據(jù)報(bào)告，例如五種工況測(cè)點(diǎn)壓力曲線圖如圖4所示。

通過上述實(shí)驗(yàn)學(xué)生可以熟悉汽車安裝準(zhǔn)則，測(cè)試系統(tǒng)的安裝步驟和要求，較為完整地體驗(yàn)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的流程，并能根據(jù)虛擬風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的結(jié)果驗(yàn)證已有理論，加深流體力學(xué)理論知識(shí)的理解。

3.4 優(yōu)化虛擬風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)

風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)基于相對(duì)性原理，通過風(fēng)機(jī)提供不同風(fēng)速代表汽車不同的行駛速度，模擬真實(shí)環(huán)境下汽車行駛過程。真實(shí)環(huán)境下汽車行駛是在開放的環(huán)境下，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)環(huán)境則是封閉的，汽車模型相對(duì)風(fēng)洞保持靜止，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)需滿足雷諾數(shù)相似原理。實(shí)際風(fēng)洞改造和設(shè)備維護(hù)耗時(shí)耗力，且不易修改，容錯(cuò)率低。虛擬風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上則可根據(jù)存在的問題針對(duì)性地改進(jìn)虛擬風(fēng)洞結(jié)構(gòu)，修正流場(chǎng)參數(shù)。在教學(xué)過程中，根據(jù)實(shí)際工程案例與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)情況，可引導(dǎo)學(xué)生在虛擬風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上加以修改優(yōu)化，以貼近真實(shí)環(huán)境。例如風(fēng)洞環(huán)境中風(fēng)洞壁面和汽車支架等會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)流場(chǎng)產(chǎn)生干擾，可以用學(xué)生探索如何優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4 結(jié)束語

將虛擬風(fēng)洞引入流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，具有實(shí)驗(yàn)直觀性、低成本性、高互動(dòng)性等優(yōu)點(diǎn)。教學(xué)中學(xué)生通過虛擬風(fēng)洞平臺(tái)可以充分了解風(fēng)洞結(jié)構(gòu)及其實(shí)驗(yàn)流程，評(píng)估改正實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)報(bào)告，為真實(shí)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，銜接線上與線下教學(xué)。同時(shí)在虛擬風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)過程中可引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，使他們更好地理論聯(lián)系實(shí)際。

基金項(xiàng)目：2018年華南理工大學(xué)校級(jí)教研教改項(xiàng)目（Y1180521），2020年華南理工大學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目（x2jqC9202045）。

參考文獻(xiàn)：

[1]周廷美，王仲范.虛擬汽車風(fēng)洞[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2002，14（1）：107-109.

[2]曾亮，鄒強(qiáng)，朱旭程.基于FLUENT的虛擬風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2016，35（2）：83-85

[3]岡敦殿，王東方.基于在線虛擬風(fēng)洞的空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)[J].科教導(dǎo)刊-電子版（上旬），2020，（11）：116-117.

[4]周大慶，鐘淋涓，劉衛(wèi)東，鄭源.CFD數(shù)值試驗(yàn)在流體力學(xué)課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].教育教學(xué)論壇，2018（30）：194-196.

[5]劉志明，薛永飛.流體力學(xué)教學(xué)改革創(chuàng)新的探索與實(shí)踐[J].綠色科技，2017（21）：206-208.

[6]沈妍，姚江，何曉崐等.工程流體力學(xué)與CFD軟件、創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)的結(jié)合[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2017（03）：46-48.