數(shù)值模擬仿真試驗(yàn)在空氣動(dòng)力學(xué)教學(xué)改革中的應(yīng)用研究

朱伯倫　張德先

摘 要：將數(shù)值模擬仿真應(yīng)用于教學(xué)中，是近年提出的一個(gè)關(guān)于計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)的全新的教學(xué)改革發(fā)展方向。探索了把數(shù)值模擬技術(shù)引入空氣動(dòng)力學(xué)課程教學(xué)中的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。首先分析了空氣動(dòng)力學(xué)課程的特點(diǎn)及存在的問(wèn)題，然后研究了數(shù)值模擬仿真試驗(yàn)在課程教學(xué)中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)和實(shí)現(xiàn)途徑。實(shí)踐證明，在空氣動(dòng)力學(xué)課程中增加一些CFD數(shù)值模擬仿真試驗(yàn)環(huán)節(jié)，不僅能夠促進(jìn)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，還能夠培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新和探索精神。

關(guān)鍵詞：空氣動(dòng)力學(xué)；CFD；仿真試驗(yàn)；數(shù)值模擬

中圖分類(lèi)號(hào)：G712 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.09.144

“數(shù)值模擬仿真應(yīng)用于教學(xué)”，是近年提出的一個(gè)關(guān)于計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)的全新的教學(xué)改革發(fā)展方向。隨著數(shù)值模擬仿真技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，一些教學(xué)工作者已嘗試將數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)用到“氣體動(dòng)力學(xué)”等課程的教學(xué)中，并取得了良好的教學(xué)效果。然而，據(jù)所查文獻(xiàn)來(lái)看，目前數(shù)值模擬技術(shù)在空氣動(dòng)力學(xué)課程教學(xué)中的應(yīng)用研究很少且不完善，有必要進(jìn)一步研究。

本文以空氣動(dòng)力學(xué)課程為例，探索把數(shù)值模擬技術(shù)引入課程教學(xué)中的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。實(shí)踐表明，在空氣動(dòng)力學(xué)課程中增加一些CFD數(shù)值模擬仿真試驗(yàn)環(huán)節(jié)，有助于提升教學(xué)效果。

1 空氣動(dòng)力學(xué)課程實(shí)踐教學(xué)存在的問(wèn)題

空氣動(dòng)力學(xué)屬于實(shí)驗(yàn)性課程，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，可以更好地學(xué)習(xí)課程內(nèi)容。例如，講授機(jī)翼上產(chǎn)生升力的原理時(shí)，如果能夠讓學(xué)生親自在風(fēng)洞中測(cè)量和分析機(jī)翼表面的壓力分布，將會(huì)使學(xué)生有更多的感性認(rèn)識(shí)，更好地理解機(jī)翼上產(chǎn)生升力的原理。

然而，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)受實(shí)驗(yàn)條件和招生規(guī)模的限制，難以滿(mǎn)足空氣動(dòng)力學(xué)課程實(shí)踐教學(xué)的需要。我國(guó)由于在歷史上受傳統(tǒng)接受式教育模式的影響較大，課程體系與實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)置方式比較接近。實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目主要包括低速翼型表面壓強(qiáng)分布測(cè)量實(shí)驗(yàn)，Laval噴管多種運(yùn)行工況的調(diào)試實(shí)驗(yàn)，超音速翼型表面壓力分布及氣動(dòng)力計(jì)算。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目陳舊，實(shí)踐內(nèi)容設(shè)置主題不突出（難以圍繞一條主線），綜合強(qiáng)度、深度還不夠。另外，由于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)不可重復(fù)，出現(xiàn)設(shè)備少、分組實(shí)驗(yàn)學(xué)生人數(shù)較多，演示性實(shí)驗(yàn)多等問(wèn)題，學(xué)生動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)很少，因此學(xué)生實(shí)驗(yàn)積極性和參與度不高，更談不上培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和思維創(chuàng)造能力。總體來(lái)說(shuō)，與國(guó)外以培養(yǎng)研究能力和創(chuàng)新能力為宗旨的實(shí)踐教學(xué)相比，我國(guó)空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)踐教學(xué)還有很大差距，必須從整體教學(xué)理念、教學(xué)體系的建立等入手進(jìn)行徹底的改革。

2 數(shù)值模擬仿真試驗(yàn)教學(xué)的應(yīng)用

數(shù)值模擬試驗(yàn)是指利用CFD技術(shù)對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中有關(guān)內(nèi)容（重點(diǎn)、難點(diǎn)）進(jìn)行數(shù)值模擬和仿真分析，并對(duì)數(shù)值模擬過(guò)程及結(jié)果以多媒體形式進(jìn)行課堂演示。數(shù)值模擬仿真試驗(yàn)輔助空氣動(dòng)力學(xué)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)集中體現(xiàn)在以下幾方面。

2.1 輔助課堂教學(xué)，提高課程教學(xué)質(zhì)量

數(shù)值模擬仿真試驗(yàn)?zāi)艽蟠筘S富空氣動(dòng)力學(xué)中許多可教可學(xué)的內(nèi)容，能把許多難教難學(xué)的內(nèi)容變成易教易學(xué)的內(nèi)容。這能夠極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，逐漸消除學(xué)生學(xué)習(xí)空氣動(dòng)力學(xué)的畏懼感，變“要我學(xué)”為“我要學(xué)”，讓學(xué)習(xí)空氣動(dòng)力學(xué)變得更簡(jiǎn)單。

數(shù)值模擬仿真試驗(yàn)還有利于開(kāi)展研討課教學(xué)改革。例如，在課堂上提出問(wèn)題“升力主要來(lái)自機(jī)翼的下表面還是上表面？”然后利用數(shù)值模擬仿真試驗(yàn)結(jié)果給出翼型表面的壓力系數(shù)分布曲線，在教師的引導(dǎo)和啟發(fā)下，學(xué)生通過(guò)對(duì)壓力系數(shù)分布曲線的分析，最終得出“升力主要來(lái)自于翼型上表面前部”的結(jié)論。在教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在研討課上所獲取的知識(shí)更加扎實(shí)和靈活。

2.2 補(bǔ)充傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，完善實(shí)踐教學(xué)

2.2.1 預(yù)演常規(guī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)

對(duì)于翼型表面壓力測(cè)量實(shí)驗(yàn)，可以利用數(shù)值模擬仿真試驗(yàn)預(yù)演方法，使學(xué)生首先有充分的認(rèn)識(shí)，然后再結(jié)合實(shí)際的試驗(yàn)現(xiàn)象，則可以達(dá)到很好的教學(xué)效果。

2.2.2 補(bǔ)充常規(guī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)

超音速翼型表面壓力分布實(shí)驗(yàn)和繞圓柱非定常流動(dòng)實(shí)驗(yàn)均可以通過(guò)數(shù)值模擬仿真試驗(yàn)進(jìn)行。這些實(shí)驗(yàn)在很多高校是無(wú)法進(jìn)行的。

2.2.3 不受時(shí)間、地點(diǎn)等的限制，教學(xué)效率高

采用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的數(shù)值模擬仿真試驗(yàn)將大大改善實(shí)驗(yàn)室條件不足的問(wèn)題，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來(lái)重大變革。

2.3 開(kāi)展創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目，培養(yǎng)實(shí)踐創(chuàng)新能力

借助大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目平臺(tái)，目前已有部分學(xué)生完成了二維翼型流動(dòng)數(shù)值模擬仿真試驗(yàn)。從試驗(yàn)完成情況來(lái)看，此試驗(yàn)項(xiàng)目可以切實(shí)增強(qiáng)學(xué)生運(yùn)用空氣動(dòng)力學(xué)知識(shí)獨(dú)立分析、解決實(shí)際問(wèn)題的能力，也可以培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用先進(jìn)數(shù)字化工具進(jìn)行研究的能力，為學(xué)生學(xué)習(xí)專(zhuān)業(yè)課程和進(jìn)一步開(kāi)展創(chuàng)新活動(dòng)奠定良好的基礎(chǔ)。

3 總結(jié)和展望

課程的改革既包括教學(xué)內(nèi)容的更新，又包括教學(xué)方法的更新?？諝鈩?dòng)力學(xué)中的許多概念是抽象難懂的，學(xué)生只通過(guò)看書(shū)和做題來(lái)學(xué)習(xí)空氣動(dòng)力學(xué)課程是不夠的。作為教師，也要勇于創(chuàng)新，不斷應(yīng)用新的數(shù)字化工具來(lái)更新教學(xué)方法。讓學(xué)生學(xué)會(huì)用數(shù)值模擬技術(shù)學(xué)習(xí)空氣動(dòng)力學(xué)課程，讓教師學(xué)會(huì)用數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)教學(xué)，是當(dāng)前和未來(lái)空氣動(dòng)力學(xué)教學(xué)改革的方向。從目前開(kāi)展的數(shù)值模擬仿真試驗(yàn)情況來(lái)看，在空氣動(dòng)力學(xué)教學(xué)中引入數(shù)值模擬仿真試驗(yàn)不僅切實(shí)可行，還非常必要。

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〔編輯：劉曉芳〕