飛機空氣動力學(xué)課程的實驗教學(xué)

郭衛(wèi)剛 王強

【摘要】在飛機空氣動力學(xué)課程的教學(xué)實施過程中，必須要及時地開展相關(guān)的實驗教學(xué)。闡述實驗教學(xué)的特點，明確實驗教學(xué)對培養(yǎng)學(xué)生動手能力、協(xié)作精神、創(chuàng)新思維能力及提高綜合素質(zhì)方面的重要作用。通過對實驗教學(xué)在飛機空氣動力學(xué)課程中的應(yīng)用研究，表明實驗教學(xué)能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)飛機空氣動力學(xué)課程的興趣，可提高教學(xué)效果和學(xué)生的學(xué)習(xí)成績。

【關(guān)鍵詞】飛機空氣動力學(xué)? 實驗? 教學(xué)改革

【中圖分類號】V221 ? ? ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2021）41-0115-02

一、課程基本情況

《飛機空氣動力學(xué)》課程是我校飛行學(xué)生必修的一門核心航空理論課程，在人才培養(yǎng)方案中屬于專業(yè)背景課程模塊。通過該課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握空氣動力學(xué)的基本概念和基本理論，可為后續(xù)的其他專業(yè)背景課程提供理論基礎(chǔ)，具有奠基作用。

學(xué)生通過課程學(xué)習(xí)，了解空氣動力學(xué)的發(fā)展趨勢及其在飛行實踐活動中的意義和價值，理解空氣動力學(xué)的基本概念，掌握空氣動力學(xué)的基本原理和計算分析方法，做到能夠理論聯(lián)系實際，掌握運用理論指導(dǎo)實踐的方法，培養(yǎng)分析和解決飛行實踐活動實際問題的能力，養(yǎng)成科學(xué)的思維習(xí)慣和勇于實踐的創(chuàng)新精神[1]。

二、實驗教學(xué)的特點

飛機空氣動力學(xué)課程主要介紹氣流的流動以及空氣與飛機相對運動時的氣動特性。氣流的流動在現(xiàn)實生活中不是很容易觀察，而空氣動力學(xué)中又有很多的公式原理等，這就造成了空氣動力學(xué)理論比較抽象，理解起來有困難。而通過實驗觀察流動現(xiàn)象、驗證基本定理和基本概念就容易讓學(xué)生接受。因此，實驗教學(xué)在飛機空氣動力學(xué)課程中的地位就顯得尤為重要，不可或缺[2-4]。

1.實驗教學(xué)可幫助學(xué)生加深對所學(xué)內(nèi)容的理解。學(xué)生可通過實驗觀察分析空氣的流動狀況，如果在實驗中給空氣加入顏色，并在激光發(fā)生器的配合下，空氣的流動狀態(tài)便一目了然?？赡懿恍韪嗟闹v解，學(xué)生一看就能明白空氣的流動情況。同時，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可將測量的氣動力以數(shù)據(jù)的形式顯示在屏幕上，學(xué)生可直觀的感受到氣動力的大小和變化規(guī)律。

2.實驗教學(xué)可培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和協(xié)助精神。實驗過程需要學(xué)生自己動手設(shè)計實驗環(huán)節(jié)，改變模型飛機的姿態(tài)，調(diào)整風(fēng)速大小等。對于課堂上的理論可自己改變條件進(jìn)行驗證，增強其動手能力，并提高學(xué)生對課程的興趣。同時，有些實驗需要幾個同學(xué)一起協(xié)作進(jìn)行才能完成實驗數(shù)據(jù)的測量和采集，這就需求同學(xué)之間密切配合，分工明確。只有配合得好，實驗結(jié)果才能更準(zhǔn)確。

3.實驗教學(xué)可培養(yǎng)學(xué)生分析思考能力，提高其綜合素質(zhì)。學(xué)生通過實驗，能夠積極參與到整個研究過程中，對于出現(xiàn)的問題，可引發(fā)其積極思考，熱烈討論。通過分析，查閱資料等主動尋找問題的答案和解決方法。在分析思考的過程中，無形中將理論與工程實際結(jié)合起來，從而將被動的學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃犹剿鞯乃伎歼^程。這有利于學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，提出問題并主動的解決問題，加強其對知識的綜合運用能力，其自身的綜合素質(zhì)也在思考探索的過程中得到提高。

三、實驗教學(xué)在飛機空氣動力學(xué)課程中的應(yīng)用

飛機空氣動力學(xué)實驗的目的是通過模型，研究飛機上的空氣動力的變化規(guī)律。它對學(xué)生理解飛機空氣動力的現(xiàn)象以物理本質(zhì)具有較大的幫助作用。因此，在課程中通過演示實驗、綜合性實驗等可提供給學(xué)生直觀的感受，有助于其對內(nèi)容的理解和掌握[5-6]。

在飛機空氣動力學(xué)課程的教學(xué)過程中，主要開展雷諾實驗、翼型表面壓力分布實驗、全機氣動力系數(shù)測量實驗等，如表1所示。為了幫助學(xué)生更好地掌握實驗的測量方法，在課程的教材中加入空氣動力學(xué)實驗原理和方法一章的內(nèi)容，介紹常用的實驗設(shè)備、測量原理及典型實驗的實驗方法[7-8]。在實驗環(huán)節(jié)的設(shè)計上，盡量增加實驗的趣味性、設(shè)計性、探索性，培養(yǎng)其主動思考、勇于探索的能力。

伯努利方程驗證實驗通過調(diào)節(jié)風(fēng)扇的風(fēng)速，從而改變流經(jīng)伯努利實驗?zāi)K的氣流速度。伯努利實驗?zāi)K是一個半透明的方形管道，內(nèi)部組成包括一個收縮—擴張流道和一個可沿流道軸向移動的皮托管（用以測量氣流的總壓和靜壓），通過出口聯(lián)接器連接至基本實驗臺上，另一端連接到多管壓力計上，從而驗證伯努利方程。如圖1所示。

全機氣動力系數(shù)測量實驗采用的是開口回流低速風(fēng)洞（如圖2）。風(fēng)洞由洞體、動力系統(tǒng)和測控系統(tǒng)組成。實驗?zāi)Ｐ筒捎梦矒涡问?，測力元件采用桿式六分力應(yīng)變天平，測壓采用皮托管壓力傳感器，測速采用熱線分析儀，流場流態(tài)顯示采用激光片光系統(tǒng)。

翼型表面壓力分布測量實驗采用是直流低速風(fēng)洞。該風(fēng)洞采用開口吸入式設(shè)計，排氣口安裝有軸流風(fēng)扇，最大風(fēng)速36m/s。在機翼表面不同位置開設(shè)小孔，并由導(dǎo)管連接到多管壓力計，通過調(diào)節(jié)不同迎角的大小，由液面高度差可測量不同迎角下的壓力分布。除此之外，該風(fēng)洞還可研究氣流流過不同模型時的升阻特性、力矩變化、失速機理、襟翼影響等。學(xué)生可根據(jù)需要，拓展實驗范圍，加深對所學(xué)知識的研究深度和廣度。

此外，學(xué)生還可以通過飛行演示風(fēng)洞，研究固定翼飛機的飛行原理。通過操縱裝置改變飛機的姿態(tài)、位置，從而演示飛機起飛、巡航、降落、失速等過程及現(xiàn)象。模型的機翼上覆蓋有塔夫特絲線，也可觀察氣流在通過機翼時的流動狀態(tài)和方向。

在實驗教學(xué)的實施過程中，始終秉承“教為主導(dǎo)，學(xué)為主體”的教學(xué)理念展開。以學(xué)生為中心，就是從學(xué)生的需求出發(fā)，通過實驗，提高學(xué)生的興趣，發(fā)揮其主觀能動性，鍛煉其實踐操作能力和綜合運用知識的能力。學(xué)生可通過實驗原理、實驗方法、實驗過程，得出實驗結(jié)果，并通過分析驗證所學(xué)空氣動力學(xué)理論。此外，有興趣和能力的學(xué)生還可以做深入的研究，探索發(fā)現(xiàn)一些未知領(lǐng)域，從而提高飛機空氣動力學(xué)的教學(xué)實踐效果。

六、結(jié)束語

通過飛機空氣動力學(xué)課程的實驗教學(xué)，學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性提高了，學(xué)習(xí)效果也增強了。學(xué)生運用所學(xué)知識分析、解決實際問題的能力也得到提高。動手能力、創(chuàng)新思維能力、個人的綜合素質(zhì)及團(tuán)隊協(xié)作能力均得到加強?？諝鈩恿W(xué)實驗是航空航天發(fā)展的基礎(chǔ)，對其教學(xué)也必須得到高度重視。因此，在課程的實施過程中，實時地引入實驗教學(xué)，可大大提高教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭衛(wèi)剛，賈忠湖.飛行原理課程教學(xué)改革研究[J].課程教育研究，2014（15）：55-56

[2]張濤，張憲國.依托重點實驗室培養(yǎng)本碩一體創(chuàng)新型人才探索[J].教育教學(xué)論壇，2020（51）：386-388.

[3]朱玉華，楊正宏.改革實驗教學(xué)管理模式的實踐[J]. 實驗室研究與探索，2007（11）：117-120.

[4]徐荻秋，張鐵.實驗教學(xué)質(zhì)量監(jiān)控體系的構(gòu)建與思考[J].機型教育研究，2019（3）：95-99

[5]華欣，任廣旭，姜振國.基于“理實一體”教學(xué)模式的《空氣動力學(xué)》有效教學(xué)改革研究[J].教育教學(xué)論壇，2016（18）：77-78.

[6]白亞磊，顧蘊松.空氣動力學(xué)實驗課程的研究型教學(xué)探索[J]. 課程教學(xué)，2013（12）：81-82.

[7]賈忠湖.飛行原理基礎(chǔ)[M] .北京：國防工業(yè)出版社，2015

[8]方振平，陳萬春，張曙光.航空飛行器飛行動力學(xué)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2021

作者簡介：

郭衛(wèi)剛（1976年-），男，山東煙臺人，副教授，研究方向：空氣動力學(xué)，飛行力學(xué)。