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(yè)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(huán)節(jié)，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(xiàn)象聯(lián)系起來，有助于培養(yǎng)學生的創(chuàng)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(chǎn)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(shù)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(guī)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(xiàn)了學生看的時間多做的機會少的現(xiàn)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(shù)據(jù)，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(fā)展和實驗教學改革相結合的創(chuàng)新目標和產(chǎn)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(tǒng)的搭建和主要功能

在線虛擬風洞結合工業(yè)級的虛擬現(xiàn)實開發(fā)引擎，基于流動數(shù)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(xiàn)知識學習到綜合實踐能力培養(yǎng)的轉化，加深對氣動現(xiàn)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(jù)真實物理風洞建模，核心要素是流場數(shù)值模擬和虛擬場景搭建，數(shù)值模擬在天河高精度數(shù)值風洞（TH-HiNWT）中實現(xiàn)，流動現(xiàn)象基于NS/RANS方程數(shù)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(guī)高超風洞虛擬仿真模塊和數(shù)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(shù)據(jù)，進行旋轉、移動、縮放操作，全方位觀察流動數(shù)據(jù)，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(jié)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(shù)值風洞、低速風洞和高超聲速風洞三個區(qū)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(shù)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(fā)關鍵分系統(tǒng)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(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)顯示和輸出，所有測試數(shù)據(jù)預先以CFD計算結果的形式存儲在虛擬系統(tǒng)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(shù)據(jù)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(tǒng)的過程監(jiān)測和考核

在每個實驗模塊中，系統(tǒng)均會記錄學生的關鍵操作步驟并上傳至數(shù)據(jù)庫。風洞漫游過程中，記錄學生觸發(fā)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(shù)、探測的流場數(shù)據(jù)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(guī)范的使用風洞。

實驗中記錄學生選擇的流動狀態(tài)參數(shù)，在流場中所探測的數(shù)據(jù)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(fā)現(xiàn)能力和歸納總結能力的有效體現(xiàn)。通過后臺數(shù)據(jù)庫分析，一方面改進虛擬實驗交互操作流程，一方面統(tǒng)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(shù)據(jù)、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(tǒng)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(shù)以及不全面的觀測數(shù)據(jù)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(huán)節(jié)，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(jīng)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(tǒng)操作說明和教學內容布置學生預習；虛擬實驗講授環(huán)節(jié)，老師通過在線會議系統(tǒng)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(huán)節(jié)，學生在個人電腦上按操作流程完成實驗項目，并觸發(fā)關鍵節(jié)點、完成隨堂測驗；實驗總結環(huán)節(jié)，老師根據(jù)后臺數(shù)據(jù)統(tǒng)計，針對學生操作中的薄弱環(huán)節(jié)，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(shù)據(jù)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(xiàn)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(shù)據(jù)，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(tǒng)的空氣動力學實驗教學存在的設備數(shù)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(xiàn)實世界中價值數(shù)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(tǒng)以及空氣在風洞中的運行特征。突出在線虛擬風洞的優(yōu)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(fā)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(tǒng)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(guī)高超風洞等對操作規(guī)程有嚴格要求的實驗至關重要。