基于在線虛擬風洞的空氣動力學實驗教學

岡敦殿* 王東方

（國防科技大學空天科學學院 湖南·長沙 410072）

0 引言

空氣動力學是航空航天專業的重要基礎課程，具有理論性強、難度大和實踐性強等特點。實驗教學是空氣動力學教學的重要環節，深入有效的實驗教學能夠加深學生對理論知識的理解，將復雜知識與空氣動力學現象聯系起來，有助于培養學生的創新精神、鍛煉學生的實踐能力。

空氣動力學最常用的教學設備是風洞，用于產生一定速度的氣流，包括低速風洞、超聲速風洞等。風洞設備的突出特點是體積大、價格昂貴，因此實驗教學的設備數量往往很少，無法滿足需要，也不能讓學生充分實踐操作。而且風洞實驗設備操作、模型制作、傳感器安裝等對操作者要求很高，某些風洞設備涉及高壓電、高壓氣罐、高溫氣體等，實驗風險大，因此高校的常規教學中學生難以完成風洞的全流程實驗操作，通常以參觀和演示實驗為主。進而出現了學生看的時間多做的機會少的現象，即主要是老師講解設備原理并操作示范，學生觀看演示、課后處理數據，嚴重制約了實驗效果的提升。虛擬仿真實驗教學是教育信息化發展和實驗教學改革相結合的創新目標和產物，能有效彌補上述不足。將虛擬仿真實驗融入空氣動力學實驗教學，結合理論教學和實驗室實地教學，三者有機融合能夠顯著提升教學效果。

1 在線虛擬風洞系統的搭建和主要功能

在線虛擬風洞結合工業級的虛擬現實開發引擎，基于流動數值仿真結果構建直觀的三維立體場景，構建可操作的虛擬風洞仿真實驗場景，供學生了解風洞的關鍵部件，掌握風洞實驗的操作步驟和測量方法，實現知識學習到綜合實踐能力培養的轉化，加深對氣動現象的理解，鞏固空氣動力學系列課程的教學效果。風洞模型根據真實物理風洞建模，核心要素是流場數值模擬和虛擬場景搭建，數值模擬在天河高精度數值風洞（TH-HiNWT）中實現，流動現象基于NS/RANS方程數值模擬，仿真度較高。

整個虛擬實驗空間包括三個核心模塊，即低速風洞虛擬仿真模塊、常規高超風洞虛擬仿真模塊和數值風洞流場認知模塊，三者以虛擬實驗大廳為載體，從實驗大廳進入，完成相應內容的操作和學習。學生可在虛擬場景中抓取CFD數據，進行旋轉、移動、縮放操作，全方位觀察流動數據，分析探索流動機理。如圖1所示為低速風洞虛擬實驗場景，圖2為學生采用虛擬風洞獲得的雙橢球模型和三角翼模型的流場結構，能夠直觀觀察到流場的細節特征。

圖1：在線虛擬高超風洞照片

圖2：在虛擬風洞中獲得的雙橢球和三角翼流場結構

實驗大廳是主界面，由此可便捷進入數值風洞、低速風洞和高超聲速風洞三個區域開展學習。大廳懸掛空氣動力學領域先驅人物畫像，展覽風洞和典型飛行器模型、數值仿真結果，介紹實驗概況和操作方法。在線虛擬風洞主要具備以下功能：

實驗場景漫游，學生以第一視角漫游實驗場景和設備，觸發關鍵分系統時會彈出對應知識點講解框；安裝模型，學生可將模型按照提示移動到風洞試驗段內；運行風洞和實驗測試，學生按照提示完成關閉艙門、試驗前檢查、通電、啟動等動作，獲取壓力等數據；數據顯示和輸出，所有測試數據預先以CFD計算結果的形式存儲在虛擬系統內，實驗結束后展示在場景中的會議平板上；隨堂測驗，學生通過虛擬場景中的會議平板完成隨堂測驗，測驗內容包括實驗操作流程和實驗結果分析；實驗報告撰寫，學生拷貝數據進行后處理和分析，獲得關鍵過程的截圖和視頻，在線下完成實驗報告撰寫。

2 在線虛擬風洞系統的過程監測和考核

在每個實驗模塊中，系統均會記錄學生的關鍵操作步驟并上傳至數據庫。風洞漫游過程中，記錄學生觸發的風洞關鍵設備和對應的知識點，并在學生完成風洞實驗時提示其遺漏的知識點，確保學生知識學習的完整性。風洞實驗操作過程中，記錄學生的操作過程，形成日志報表，記錄內容包括但不限于操作順序、選用的模型、設置的參數、探測的流場數據等，作為學生撰寫實驗報告的原始素材。對有嚴格順序關系的關鍵操作步驟采取出錯提示并記錄的方式，確保實驗順利進行，訓練學生正確規范的使用風洞。

實驗中記錄學生選擇的流動狀態參數，在流場中所探測的數據以及推算出來的流場特征信息等，作為學生撰寫實驗報告的原始素材，同時也是學生探索發現能力和歸納總結能力的有效體現。通過后臺數據庫分析，一方面改進虛擬實驗交互操作流程，一方面統計學生對知識點的掌握情況，找到共性問題后針對性地設計實驗內容，彌補學生知識短板。

實驗考核主要基于三方面，即虛擬實驗中生成的后臺數據、隨堂測驗結果、學生課后提交的實驗報告。學生完成實驗之后，系統會對學生的實驗操作過程進行自動評估，出錯的步驟、不合適的參數以及不全面的觀測數據等都會影響學生的實驗操作評分。實驗結束后，學生進入隨堂測驗環節，以客觀題的形式考核學生對空氣動力學相關知識的掌握情況。實驗報告由學生課后撰寫，主要考察報告內容的準確性、完整性以及學生認識的深刻性。

3 在線虛擬風洞的教學方法

在線虛擬風洞可便捷地使用個人計算機登錄使用，沒有時間空間限制。經過今年疫情期間的教學實踐，初步形成了線上線下融合式教學方法。疫情期間，學生無法到實驗室上課，即采用了在線虛擬風洞教學。具體步驟如下：課前老師將系統操作說明和教學內容布置學生預習；虛擬實驗講授環節，老師通過在線會議系統講授實驗目的、原理、方法等，并進行演示操作；虛擬實驗實操環節，學生在個人電腦上按操作流程完成實驗項目，并觸發關鍵節點、完成隨堂測驗；實驗總結環節，老師根據后臺數據統計，針對學生操作中的薄弱環節，強調和講解關鍵知識點。學生在課后還可自由登錄在線虛擬風洞，再次熟悉和強化知識點和操作。

正式開學后，組織學生到實驗室開展實物實驗操作。此階段主要強調設備操作流程和注意事項，實驗原理、目的和數據分析等內容以提問形式回顧，絕大部分的時間留給學生操作運行設備。通過線上線下的結合，顯著提升了教學質量，主要體現在：一是學生有更多的時間運行操作設備，充分鍛煉了操作能力；二是，虛擬實驗能夠讓學生認識大型風洞設備的內部結構，有助于增強對設備運行原理和操作的認識；三是，真實風洞實驗中空氣流動不直觀，基于虛擬風洞和CFD數據，能夠加深學生對實驗流場的認識。

4 結語

本文介紹了在線虛擬風洞的基本特征和主要功能，提出了線上線下融合的空氣動力學實驗教學方法。在線虛擬風洞有效彌補了傳統的空氣動力學實驗教學存在的設備數量少、學生操作時間短等不足，拓寬了實驗教學的時間和空間限制。學生有機會每個人在一座現實世界中價值數百萬元的風洞設備中開展實驗，身臨其境在設備內部穿梭、直觀地觀察大型設備的各個分系統以及空氣在風洞中的運行特征。突出在線虛擬風洞的優勢，也能夠進一步強化以學生為中心的開放性教學模式，充分發揮學生的主觀能動性，提升教學效果。引入實驗過程評價，傳統的實驗教學只能通過考試和實驗報告來評價，而在虛擬實驗中，學生的每一個操作步驟都可以記錄評估，因此可以評價學生的操作流程，這對常規高超風洞等對操作規程有嚴格要求的實驗至關重要。