汽車風洞PIV流場測量的虛擬仿真實驗教學平臺開發

［摘 要］ “汽車空氣動力學”課程涉及大量的基本原理和典型三維流動現象，僅依靠多媒體教學和簡單的演示實驗難以講授清楚，不利于充分調動和挖掘學生專業學習的興趣及熱情。通過構建可操作的汽車風洞虛擬場景，結合粒子圖像測速技術（PIV），同時應用計算流體力學（CFD）與虛擬仿真技術開發汽車周圍流場測量的實驗教學平臺，以高效直觀地傳授汽車風洞PIV流場測量的基本原理和操作規范，并使學生在虛擬風洞場景中全方位觀察CFD提供的豐富流動數據，樹立正確的流場認知，深入理解汽車氣動設計原理，充分調動學生的主觀能動性，激發其學習興趣。

［關鍵詞］ 汽車空氣動力學；虛擬仿真；PIV；實驗教學

［基金項目］ 2022年度同濟大學第十七期實驗教學改革專項基金項目“汽車風洞PIV流場測量的虛擬仿真實驗”（1700104204）；上海市地面交通工具空氣動力與熱環境模擬重點實驗室（23DZ2229029）

［作者簡介］ 夏 超（1988—），男，河南焦作人，博士，同濟大學汽車學院碩士生導師，主要從事汽車空氣動力學研究；陳 力（1979—），女，江蘇南京人，博士，同濟大學汽車學院高級工程師，主要從事汽車風洞測試技術、科研平臺管理研究；賈 青（1979—），女，山東青島人，博士，同濟大學汽車學院博士生導師（通信作者），主要從事汽車空氣動力學研究。

引言

汽車風洞是地面交通工具正向設計和自主研發所必不可少的基礎科研設施，可以進行車輛空氣動力學性能測試和車身氣動優化設計等［1-2］，以達到在優化造型的同時，降低氣動阻力來減少油耗，從而實現車輛節能減排的目的。同時，風洞實驗是“汽車空氣動力學”課程教學的重要內容，通過風洞實驗，學生可以了解汽車氣動實驗研究的基本流程和原理［3］。目前，縮比模型風洞和汽車整車風洞等演示實驗已應用在實際教學活動中。但傳統的風洞實驗教學仍存在以下問題：（1）“汽車空氣動力學”課程涉及大量的基本原理和典型三維流動現象，僅依靠PPT等多媒體教學和簡單的演示實驗難以講授清楚，不利于充分調動和挖掘學生專業學習的興趣及熱情；（2）近年來，逐漸發展成熟的流動顯示和空間流場測量先進技術，如粒子圖像測速技術（PIV），已在“汽車空氣動力學”風洞實驗中得到廣泛應用［4］。但由于PIV設備昂貴，涉及高能量激光、煙霧顆粒和高速相機等，實驗風險大，操作步驟繁多，耗時長，目前僅主要用于科研項目。在常規的實驗教學中，通常以參觀和演示實驗為主，難以保障所有學生可直接參與和實際操作；風洞PIV流場測量目前無法面向本科生普及，且面向研究生的培訓成本也較高。

針對傳統風洞實驗教學中流場測量的局限性，本項目通過構建可操作的虛擬風洞場景，融合PIV這一科研設備，應用計算流體力學（CFD）與虛擬現實技術進行流場測量的虛擬仿真實驗教學［5-7］。一方面，本項目可使學生及早接觸大型的科研設備，高效直觀地掌握汽車風洞PIV流場測量的基本原理和操作規范，彌補傳統的風洞實驗教學環節中學生無法進行實際操作的不足；另一方面，本項目結合CFD技術，可使學生在虛擬風洞場景中全方位觀察CFD提供的豐富的三維流動數據，樹立正確的汽車周圍流場認知，深入理解汽車氣動設計原理，充分調動主觀能動性，激發學習興趣?？傮w上，該虛擬仿真實驗項目建設對提高學生的實驗教學參與度和教學效果具有重要意義。

一、虛擬仿真實驗教學模塊設計

基于“汽車空氣動力學”課程的具體教學內容，制定汽車風洞PIV流場測量的基本操作流程和規范；開發適合于本科教學的汽車風洞PIV流場測量的虛擬仿真實驗平臺，展示和講解PIV設備的組成、基本原理、測試流程及規范等；結合CFD和虛擬仿真技術，融入汽車典型尾部三維流場認知實驗，讓學生直觀地觀察典型汽車模型的流動現象。汽車風洞PIV流場測量虛擬仿真實驗平臺構架具體內容如圖1所示。根據認知規律，從汽車風洞認知、PIV流場測量實驗、汽車尾部流場認知三個層面構建實驗教學內容，并在項目的每一部分都通過知識介紹和考核環節相結合的形式來達到更好的教學效果。

1.基礎認知模塊，即汽車風洞認知。通過對風洞的學習探索，學生可在虛擬風洞場景中全方位觀察和了解汽車風洞的基本組成、基本原理及關鍵部件的特征。

2.實踐提高模塊，即PIV流場測量實驗。以汽車周圍流場測量為切入點，按照實驗目的、儀器組成、基本原理和操作基本流程等關鍵步驟，教師直觀高效地傳授汽車風洞PIV流場測量的基本原理和方法。

3.拓展認知模塊，即汽車尾部流場認知。通過融合CFD和虛擬仿真技術，以三種典型汽車尾部模型的流場數據為例，讓學生在虛擬風洞場景中全方位觀察豐富的流動結構，隨意進行旋轉、移動、縮放操作，樹立正確的汽車周圍流場認知。

二、虛擬仿真實驗教學平臺建設實施過程

本項目基于汽車整車風洞，利用CFD和虛擬仿真技術開發汽車風洞PIV流場測量的虛擬仿真實驗教學平臺，具體實施過程如下。

首先，構建汽車風洞關鍵部件、PIV相關設備和汽車標準測試模型的三維CAD。

其次，利用PIV和CFD分別進行三種汽車標模的流場測量和流場數值模擬，獲取其平面和三維的流場數據。

最后，采用Unity3D虛擬現實軟件，集成設備三維CAD、三維場景、PIV流場測量結果以及CFD三維流場等數據，構建汽車風洞PIV流場測量的虛擬仿真實驗教學平臺。

三、虛擬仿真實驗教學平臺建設效果

進入教學平臺后，進入模塊選擇界面，可選擇汽車風洞認知、PIV流場測量實驗和汽車尾部流場認知三大模塊，即將鼠標移動至模塊并彩色顯示后，點擊即可進入該模塊進行實驗操作。

1.汽車風洞認知模塊。完全復現汽車整車風洞的三維模型，如圖2所示，學生進入該模塊后，可以通過鍵盤進行前后左右移動，通過鼠標全方位調整視角，在整個風洞流道內自由漫游。在進入該場景后，對風洞中與空氣動力學相關的關鍵設施設有高亮提示，點擊后有進一步的詳細說明以供學生進行進一步的學習。

2.PIV流場測量實驗模塊。如圖3所示，學生進入該模塊后，主要完成以下幾個關鍵交互步驟：（1）通過PIV系統示意圖了解PIV測量的基本原理；（2）進入風洞實驗段，在更直觀地觀察PIV各部件的同時，按照提示搭建PIV系統；（3）調整測量平面位置的標定板、調節激光器和片光源；（4）調整CCD相機的光圈和焦距；（5）利用ISIGHT 4G軟件測量標定；（6）進行PIV拍攝測量和后處理得到尾部速度流線圖。

3.汽車尾部流場認知模塊。如圖4所示，學生進入該模塊后，可以全方位觀察CFD提供的二維和三維尾部流動數據，隨意進行旋轉、移動、縮放操作，樹立正確的汽車周圍流場認知，分析探索流動機理，深入理解汽車氣動設計原理。

此仿真教學平臺的開發完成，是對教學團隊之前開發的汽車整車風洞空氣動力學測試虛擬仿真實驗項目的重要補充和完善［8］，因為之前的虛仿只包含了整車風洞實驗中傳統測力測壓環節的基本流程和操作，并未涉及PIV速度測量的流場可視化模塊，通過此虛擬仿真實驗，原本在理論課與實驗觀摩課中難以使學生掌握的流動細節得到了充分展示，提高了教學質量，獲得了廣泛好評，讓本科生有機會了解汽車風洞先進的PIV空間流場測量方法，更好地理解和掌握汽車風洞PIV流場測量技術，降低了學習和操作PIV測量設備的難度以及使用中的安全隱患。

結語

通過構建可操作的虛擬汽車風洞場景，融合PIV科研設備，同時應用CFD與虛擬現實技術進行流場測量的虛擬仿真實驗教學平臺開發，一方面，可使學生及早接觸大型的科研設備，高效直觀地掌握汽車風洞PIV流場測量的基本原理和操作規范，彌補傳統的風洞實驗教學環節中學生無法進行實際操作的不足；另一方面，結合CFD技術，可使學生在虛擬風洞場景中全方位觀察CFD提供的豐富的三維流動數據，隨意進行旋轉、移動、縮放操作，樹立正確的汽車周圍流場認知，分析探索流動機理，深入理解汽車氣動設計原理，充分調動主觀能動性，激發學習興趣?？傮w上，該虛擬仿真實驗平臺的建設對提高學生的實驗教學參與度和教學效果都具有重要意義。

參考文獻

［1］SCHUETZ T. Aerodynamics of road vehicles［M］. Fifth Edition. SAE book，2016：430.

［2］賈青，楊志剛，李啟良.汽車風洞試驗段流場的試驗研究［J］.實驗流體力學，2011，25（6）：33-377.

［3］李啟良，孫宇慶，徐淳傲，等.“汽車空氣動力學”課程教學方法新探索［J］.教育教學論壇，2021（23）：133-136.

［4］范亞軍，夏超，葛典典，等.方背Ahmed模型非定常尾跡的實驗研究［J］.實驗流體力學，2019， 33（6）：84-89.

［5］張樹玲，張燕然，張波，等.CFD技術進展及其在汽車設計中的應用［J］.教育教學論壇，2018（37）：279-280.

［6］柳洪潔，宋月鵬，馬蘭婷，等.國內外虛擬仿真教學的發展現狀［J］.教育教學論壇，2020（17）：124-126.

［7］喻曹豐，陳清華，汪選要，等.虛擬仿真實驗模塊在車輛工程專業實驗教學中的應用［J］.教育教學論壇，2019（17）：276-278.

［8］陳力，夏超，沈哲，等.以實托虛汽車風洞虛擬仿真教學平臺設計［J］.實驗室研究與探索，2022，41（6）：143-147.

Development of Virtual Simulation Experimental Teaching Platform for PIV Flow Field Measurement in Automotive Wind Tunnel

XIA Chaoa， b， CHEN Lia， b， JIA Qinga， b

（a. School of Automotive Studies， b. Shanghai Automotive Wind Tunnel Center， Tongji University， Shanghai 201804， China）

Abstract： The automotive aerodynamics course involves a large number of basic principles and typical three-dimensional flow phenomena， which are difficult to be explained clearly only by multimedia and simple demonstration experiments， and are not conducive to fully mobilizing and tapping the students’ interest and enthusiasm in professional learning. By constructing an operable virtual scene of automobile wind tunnel， combining particle image velocimetry （PIV） technology， and at the same time applying computational fluid dynamics （CFD） and virtual simulation technology， an experimental teaching platform for the measurement of the flow field around the automobile is developed. This platform can efficiently and intuitively teach the basic principles and operation specifications of PIV flow field measurement in automobile wind tunnel， and at the same time， it can be used for students to observe the rich flow data provided by CFD in the virtual wind tunnel scenario in an all-round way， to establish a correct perception of the flow field， to understand the principles of the pneumatic design of automobiles in-depth， and to fully mobilize the students’ subjective initiative and stimulate the interest in learning.

Key words： vechicle aerodynamics; virtual simulation; PIV; experimental teaching