CFD技術(shù)在航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)原理教學(xué)中的應(yīng)用探討

摘? 要 針對(duì)“航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)原理”課程知識(shí)點(diǎn)深?yuàn)W、應(yīng)用情況多變的特點(diǎn)，為加深學(xué)生對(duì)相關(guān)理論的理解，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力，探討CFD技術(shù)在課程應(yīng)用中存在的問(wèn)題，并提出問(wèn)題的改進(jìn)途徑，給出CFD技術(shù)在教學(xué)過(guò)程中的應(yīng)用方法和流程。

關(guān)鍵詞 航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)原理;CFD;飛行器動(dòng)力工程;數(shù)值仿真

中圖分類號(hào)：G642? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2019）23-0038-02

1 引言

近幾年，隨著我國(guó)民航事業(yè)的飛速發(fā)展，航空公司規(guī)模不斷壯大，越來(lái)越多先進(jìn)的機(jī)型陸續(xù)投入運(yùn)營(yíng)市場(chǎng)，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)工作人員提出更高的專業(yè)素質(zhì)要求。因此，相關(guān)院校需提高飛行器動(dòng)力工程專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量以滿足民航市場(chǎng)的需求[1]。作為飛行器動(dòng)力工程專業(yè)的核心課程之一，“航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)原理”對(duì)于提高學(xué)生對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的認(rèn)知水平，深化學(xué)生的專業(yè)知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐與創(chuàng)新意識(shí)有著十分重要的作用。

“航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)原理”是一門理論與工程相結(jié)合的綜合性課程，涉及較為深?yuàn)W的理論知識(shí)和復(fù)雜多變的工程應(yīng)用場(chǎng)景[2]，要求學(xué)生具有很強(qiáng)的抽象思維能力，課程難度較大。而通過(guò)CFD技術(shù)可將抽象的理論或者難以理解的工程經(jīng)驗(yàn)具體化[3]，更易于學(xué)生對(duì)問(wèn)題的理解，幫助學(xué)生加深對(duì)相關(guān)規(guī)律的記憶。如壓氣機(jī)特性的相關(guān)知識(shí)，可讓學(xué)生自行通過(guò)CFD技術(shù)模擬仿真，并自己動(dòng)手繪制出壓氣機(jī)的特性以及壓氣機(jī)的喘振邊界等，以達(dá)到掌握相關(guān)知識(shí)的目的。

2 CFD技術(shù)應(yīng)用于課程中存在的問(wèn)題

CFD是一門復(fù)雜的學(xué)問(wèn)，需要在掌握數(shù)值分析、偏微分?jǐn)?shù)值解等相關(guān)課程以后，才能對(duì)CFD技術(shù)有一個(gè)初步的理解，屬于本科高年級(jí)甚至研究生才能掌握的學(xué)科。而在“航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)原理”之前，學(xué)生顯然不具備這方面的知識(shí)。在這樣的前提下，如何讓學(xué)生應(yīng)用CFD技術(shù)進(jìn)行“航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)原理”課程的學(xué)習(xí)，是一個(gè)需要解決的問(wèn)題。

此外，通過(guò)CFD技術(shù)數(shù)值仿真得到的數(shù)據(jù)，一方面需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的后處理，另一方面需要數(shù)據(jù)的可視化，而學(xué)生不具備這方面的技能，因此，這也是CFD應(yīng)用于教學(xué)時(shí)需要考慮的問(wèn)題。

3 CFD技術(shù)在課程教學(xué)中的應(yīng)用方法

針對(duì)上述問(wèn)題，在應(yīng)用CFD技術(shù)進(jìn)行“航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)原理”課程學(xué)習(xí)之前，需要讓學(xué)生進(jìn)行CFD技術(shù)的簡(jiǎn)要入門學(xué)習(xí)，應(yīng)讓學(xué)生知道CFD技術(shù)是什么、CFD技術(shù)的基本原理、CFD技術(shù)的應(yīng)用等。由于CFD技術(shù)是以“流體力學(xué)”（飛行器動(dòng)力工程的專業(yè)基礎(chǔ)課之一）為基礎(chǔ)發(fā)展而來(lái)的一門學(xué)問(wèn)，可將這部分CFD的相關(guān)知識(shí)學(xué)習(xí)放到“流體力學(xué)”課程中去，使學(xué)生更易于接受。

另一方面，教師需要對(duì)傳統(tǒng)的CFD數(shù)值仿真過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)化，以適應(yīng)教學(xué)的需要。通常，在利用CFD技術(shù)進(jìn)行數(shù)值仿真時(shí)的流程如圖1所示。

利用CFD技術(shù)進(jìn)行數(shù)值仿真的流程比較復(fù)雜，首先需要建立模型，然后將模型導(dǎo)入網(wǎng)格生成軟件，進(jìn)行計(jì)算域和網(wǎng)格拓?fù)涞膭澐?，進(jìn)而進(jìn)行網(wǎng)格參數(shù)設(shè)置。完成這些步驟，需要對(duì)網(wǎng)格生成的相關(guān)理論有所了解，還需要掌握網(wǎng)格生成軟件的使用方法。更為復(fù)雜的是相關(guān)的計(jì)算設(shè)定，主要包含邊界條件、計(jì)算模型、計(jì)算方法、計(jì)算參數(shù)和初始化的設(shè)置。合理對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，需要具有相關(guān)的計(jì)算流體力學(xué)知識(shí)。比如邊界條件，要完成正確設(shè)置，就必須知道什么是邊界條件，邊界條件包含哪些類型，每一種類型的邊界條件具有什么樣的物理含義，實(shí)際使用時(shí)應(yīng)該采用哪些邊界條件來(lái)使得數(shù)值解唯一。顯然，由于學(xué)生沒(méi)有接受過(guò)專門的計(jì)算流體力學(xué)學(xué)習(xí)，很難通過(guò)簡(jiǎn)單的教學(xué)讓學(xué)生理解這些知識(shí)。

因此，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)不能直接照搬數(shù)值仿真的整個(gè)流程，需要對(duì)這些過(guò)程進(jìn)行打包。而將CFD技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)時(shí)，對(duì)于數(shù)值模擬的精確度要求并不那么高，因此可以采用默認(rèn)的參數(shù)來(lái)完成網(wǎng)格和計(jì)算的相關(guān)參數(shù)設(shè)置。而對(duì)于某些特定的參數(shù)，尤其是邊界條件的一些參數(shù)，可以交由學(xué)生來(lái)進(jìn)行設(shè)置。如將CFD技術(shù)用于葉柵攻角特性的教學(xué)時(shí)，可以將原始的進(jìn)口邊界條件（給定進(jìn)口總溫、總壓和氣流方向）進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)口總溫、總壓給定默認(rèn)值，而將進(jìn)口的氣流方向轉(zhuǎn)變?yōu)檫M(jìn)口的氣流攻角。這樣一來(lái)，在進(jìn)行CFD仿真時(shí)，學(xué)生只需給定進(jìn)口的攻角，再啟動(dòng)CFD求解器，就可以完成整個(gè)數(shù)值計(jì)算。

此外，對(duì)于數(shù)值仿真計(jì)算后，數(shù)據(jù)的后處理也要進(jìn)行專門的打包處理。還是以葉柵攻角特性為例，在進(jìn)行教學(xué)時(shí)需要得到葉柵的進(jìn)出口的總壓。而學(xué)生進(jìn)行數(shù)值仿真以后，計(jì)算得到的是整個(gè)進(jìn)口平面和出口平面的總溫總壓分布，因此需要對(duì)進(jìn)出口面的數(shù)據(jù)進(jìn)行面積平均或流量平均，進(jìn)而得到進(jìn)出口的平均總壓。所以，在進(jìn)行CFD技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，需要編制后自動(dòng)化處理程序或者腳本，使學(xué)生方便地得到這些所需的參數(shù)。學(xué)生利用這些后處理結(jié)果來(lái)計(jì)算葉柵的損失系數(shù)等，進(jìn)而對(duì)相關(guān)知識(shí)進(jìn)行掌握和學(xué)習(xí)。

通過(guò)將整個(gè)數(shù)值仿真過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)化、打包處理，讓學(xué)生能夠利用已學(xué)的知識(shí)完成數(shù)值仿真的所有過(guò)程。此外，求解器在數(shù)值求解時(shí)會(huì)反復(fù)迭代，直至收斂到一個(gè)合理的解上，這可能會(huì)耗費(fèi)不少時(shí)間。在進(jìn)行教學(xué)時(shí)，這個(gè)計(jì)算迭代耗費(fèi)的時(shí)間不宜太長(zhǎng)，以免影響教學(xué)效果。因此，根據(jù)具體情況，還需要對(duì)CFD數(shù)值仿真求解器進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷暮秃?jiǎn)化，以保證學(xué)生能夠快速獲得仿真計(jì)算的結(jié)果。例如，可將默認(rèn)的網(wǎng)格設(shè)置得較為稀疏以減少計(jì)算量，降低收斂的標(biāo)準(zhǔn)，在求解器中使用低精度的格式，對(duì)湍流模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理等。因此，總結(jié)起來(lái)，需要從以下三個(gè)方面完成CFD仿真過(guò)程改進(jìn)，以適應(yīng)教學(xué)需要：

1）簡(jiǎn)化數(shù)值求解的模型和計(jì)算方法;

2）打包網(wǎng)格和計(jì)算設(shè)置，大部分設(shè)置固定為默認(rèn)設(shè)置，減少設(shè)置的參數(shù)數(shù)量，并將部分網(wǎng)格和計(jì)算參數(shù)分別轉(zhuǎn)化為幾何模型參數(shù)和物理?xiàng)l件參數(shù);

3）自動(dòng)化后處理，自動(dòng)將求解后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化相關(guān)的總體參數(shù)或者性能參數(shù)。

4 CFD技術(shù)在課程教學(xué)中的實(shí)施流程

通過(guò)上一節(jié)討論的CFD在教學(xué)中的改進(jìn)方法，CFD數(shù)值仿真在“航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)原理”教學(xué)中的實(shí)施流程如圖2所示。由圖2可知，學(xué)生只需要完成幾何模型和物理?xiàng)l件參數(shù)的輸入，即可完成數(shù)值求解前的網(wǎng)格和計(jì)算設(shè)置。

這里的幾何模型參數(shù)指的是跟模型相關(guān)的尺寸和角度參數(shù)等，如壓氣機(jī)的安裝角、噴管的進(jìn)出口面積等;而物理?xiàng)l件參數(shù)是指跟具體的模型工作狀態(tài)等相關(guān)的參數(shù)，如壓氣機(jī)進(jìn)口的總壓、飛機(jī)飛行的速度、噴管出口的反壓等。這些幾何和物理參數(shù)都是“航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)原理”課程中需要掌握的知識(shí)點(diǎn)，學(xué)生對(duì)這些參數(shù)有更為直觀的認(rèn)識(shí)。完成這些設(shè)置以后，就可啟動(dòng)求解器進(jìn)行求解，并最終自動(dòng)完成計(jì)算結(jié)果的后處理。學(xué)生只需要記錄這些數(shù)據(jù)，如記錄壓氣機(jī)進(jìn)出口的總壓、總溫，噴管出口的速度和總壓。有了這些參數(shù)以后，學(xué)生可進(jìn)一步利用“航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)原理”中的知識(shí)進(jìn)行相關(guān)的理論分析、計(jì)算，并對(duì)書中的相關(guān)理論知識(shí)、公式等進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)而加深對(duì)課程知識(shí)的理解和記憶，提升課程的學(xué)習(xí)質(zhì)量。

5 結(jié)語(yǔ)

相對(duì)于其他教學(xué)手段，CFD技術(shù)具有更直觀、易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。學(xué)生通過(guò)CFD技術(shù)對(duì)課程中的理論進(jìn)行分析、復(fù)現(xiàn)和驗(yàn)證，以更主動(dòng)的方式進(jìn)行學(xué)習(xí)。這樣一方面可以提升課程教學(xué)的效率，幫助學(xué)生加深對(duì)知識(shí)點(diǎn)的記憶和理解;另一方面可以引導(dǎo)學(xué)生自主思考，更好地激發(fā)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新興趣。

參考文獻(xiàn)

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作者：張恒銘，中國(guó)民航飛行學(xué)院，講師，研究方向?yàn)榭諝鈩?dòng)力學(xué)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理理論教學(xué)（618307）。