基于虛擬風洞的流體力學實驗教學實踐研究

肖國權　尹澤?！「叽婺?

摘 要：針對流體力學教學中風洞實驗難以開展的問題，提出構建虛擬風洞建設及運行與實驗教學結合的目標。重點探討了虛擬風洞在流體力學實驗教學中的突出意義及其教學方式：（1）降低風洞實驗教學成本，普及風洞實驗教學，使學生得到充分的鍛煉與實踐;（2）實驗過程直觀化，抽象概念可視化，幫助學生加深理解CFD技術、流體力學課程和風洞實驗流程;（3）引導學生思考優化風洞實驗模型，教學與改善虛擬風洞實驗平臺相結合;（4）與工程案例相銜接，使風洞實驗教學更具工程實踐意義。

關鍵詞：流體力學 虛擬風洞 實驗教學 教學實踐

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

風洞實驗可以研究氣體流動及其與模型的相互作用，幫助學生在實驗過程中了解氣體流動對汽車行駛、飛行器飛行的作用，進一步了解汽車、飛行器外形設計在空氣動力學中的重要意義。

風洞實驗成本高昂，干擾因素多且存在一定安全隱患，實驗結果隨機性大，難以與理論教學相結合。引入虛擬風洞實驗系統降低成本，使學生理解風洞實驗工作原理及流程，將抽象氣體流動對模型的作用具象化，探索虛擬風洞實驗與實際空氣動力學實驗的融合。

2 引入虛擬風洞的教學意義

虛擬風洞可應用于《流體力學》、《汽車空氣動力學與造型設計》、《CFD建模與仿真技術》等課程的教學。這些課程的知識量大，概念抽象且難以理解，理論知識與工程實踐緊密結合，存在大量個性案例，需要具體分析。單純的理論學習無法通過實驗實踐得到有效的應用和反饋，無法生動形象地展示氣體流動對于汽車行駛及飛行器飛行過程的作用，學生無法扎實地掌握相關知識并靈活地運用于各式各樣的工程案例，教學效率不高。在教學過程中引入虛擬風洞實驗有助于實現氣體流動可視化、通過虛擬現實技術根據實際案例建立設置車輛和飛行器模型;加深學生對于風洞結構和工作方式的理解;定量認識空氣阻力的形成和對汽車行駛的影響;修正實驗過程中干擾因素的影響以提高實驗結果的準確性。

3 虛擬風洞教學實踐

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。通過虛擬風洞和CFD仿真技術可將這些概念圖像化，幫助學生理解和加深記憶。譬如通過CFD表現汽車周圍的流線，如圖1所示。

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

通過虛擬風洞和CFD仿真，可生動形象地表征出流體的運動過程和分布情況，便于清楚地觀察到流體對模型的作用，模型在流體中的運動和受力情況。仿真結果的可視化提供了直觀的分析結果，學生可以更加清楚地感受到流體速度和壓強隨空間和時間的變化過程。譬如通過不同顏色表現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 運用虛擬現實技術建立及優化模型

流體力學對于不同的流動狀況有不同的修正，內容復雜繁瑣。理論教學中難以復現大多數程案例鞏固所學知識，現實的風洞實驗又需要耗費大量的資金和時間，難以開展實驗教學。

基于已有的理論知識和虛擬仿真結果可以構建直觀的三維立體汽車和飛行器等模型和風洞場景，節省了實際搭建模型和風洞的巨額成本。學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、旋轉、縮放，觀察風洞實驗場景中的不同布置對實驗結果的影響。也可以通過建立典型模型（流線型，三角翼型）驗證流體力學理論。CFD仿真結果也可為外形設計提供優化建議，并通過仿真實驗，加深理論知識的理解及其與工程實踐的關系。

3.3 學習風洞結構及其工作方式

風洞設備體積大，造價高昂，實驗費用昂貴。風洞實驗設備操作、模型制作、傳感器安裝等要求高，運行維護費用巨大。部分風洞實驗涉及高溫高壓氣體和設備，學生作為新手操作存在安全隱患。因此在流體力學教學中，進行大量的風洞實驗不太現實，不能充分實踐，學生無法體驗完整的操作流程。

虛擬風洞平臺提供可供操作與互動的仿真實驗場景，復現洞體、驅動系統、測量控制系統等主要系統部件，通過虛擬現實技術復現相關測試設備的搭建、擺放、安裝。根據實驗段所需氣流速度的大小，風洞又分為低速、高速和高超聲速風洞。學生可根據風洞實驗要求選擇對應的低速、高速和高超聲速風洞，甚至可在虛擬實驗場景中提供不同功率數值的電機組及所帶動的風扇搭建符合實驗要求的風洞驅動系統，加深學生對風洞的組成及其結構的認識。通過虛擬現實技術，學生以第一視角進入虛擬風洞試驗段，如圖3所示。

仿照真實的風洞實驗學習流程，學生在虛擬風洞實驗前應先認真閱讀相關實驗準則和操作步驟。實驗中學生將提供的模型或預先建立好的模型正確安放在風洞實驗段，根據實驗要求正確安裝托管、傳感器等，并根據提示關閉艙門，啟動電機組，調整風速，校準測量系統，輸入并記錄當前環境參數，然后運轉風洞達到預定的實驗風速，通過虛擬現實引擎以視頻形式展現逼真的實驗效果，并可根據輸入的數據在后臺仿真，給出實驗報告，可打印記錄實驗報告。

以汽車虛擬風洞實驗為例，學生進入實驗大廳后，經過測試了解阻塞比、皮托管、風洞駐室等概念，通過鼠標及鍵盤正確擺放車輛模型，安裝皮托管，校準測量系統，確認并記錄實驗段環境和實驗段（至少在整車實車或模型的尺寸范圍內）的流場品質參數指標，溫度在測量環境下保持在20.2℃，相對濕度保持在45%～75%。然后掛至駐車檔，運轉風洞分別測試不同風速（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，確認并記錄 15 秒以上。最后得出數據報告，例如五種工況測點壓力曲線圖如圖4所示。

通過上述實驗學生可以熟悉汽車安裝準則，測試系統的安裝步驟和要求，較為完整地體驗風洞實驗的流程，并能根據虛擬風洞實驗的結果驗證已有理論，加深流體力學理論知識的理解。

3.4 優化虛擬風洞實驗

風洞實驗基于相對性原理，通過風機提供不同風速代表汽車不同的行駛速度，模擬真實環境下汽車行駛過程。真實環境下汽車行駛是在開放的環境下，風洞實驗環境則是封閉的，汽車模型相對風洞保持靜止，風洞實驗需滿足雷諾數相似原理。實際風洞改造和設備維護耗時耗力，且不易修改，容錯率低。虛擬風洞實驗平臺上則可根據存在的問題針對性地改進虛擬風洞結構，修正流場參數。在教學過程中，根據實際工程案例與風洞實驗情況，可引導學生在虛擬風洞實驗平臺上加以修改優化，以貼近真實環境。例如風洞環境中風洞壁面和汽車支架等會對實驗流場產生干擾，可以用學生探索如何優化設計。

4 結束語

將虛擬風洞引入流體力學實驗教學中，具有實驗直觀性、低成本性、高互動性等優點。教學中學生通過虛擬風洞平臺可以充分了解風洞結構及其實驗流程，評估改正實驗操作和實驗報告，為真實風洞實驗打下堅實基礎，銜接線上與線下教學。同時在虛擬風洞實驗過程中可引導學生發現問題，優化實驗，使他們更好地理論聯系實際。

基金項目：2018年華南理工大學校級教研教改項目（Y1180521），2020年華南理工大學虛擬仿真實驗教學項目（x2jqC9202045）。

參考文獻：

[1]周廷美，王仲范.虛擬汽車風洞[J].系統仿真學報，2002，14（1）：107-109.

[2]曾亮，鄒強，朱旭程.基于FLUENT的虛擬風洞實驗系統[J].實驗室研究與探索，2016，35（2）：83-85

[3]岡敦殿，王東方.基于在線虛擬風洞的空氣動力學實驗教學[J].科教導刊-電子版（上旬），2020，（11）：116-117.

[4]周大慶，鐘淋涓，劉衛東，鄭源.CFD數值試驗在流體力學課程教學中的應用[J].教育教學論壇，2018（30）：194-196.

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

[6]沈妍，姚江，何曉崐等.工程流體力學與CFD軟件、創新實踐平臺的結合[J].中國現代教育裝備，2017（03）：46-48.