以實(shí)托虛汽車風(fēng)洞虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)

陳 力， 夏 超， 沈 哲， 孫 波

（同濟(jì)大學(xué) a.汽車學(xué)院；b.上海市地面交通工具風(fēng)洞專業(yè)技術(shù)服務(wù)平臺(tái)；c.機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 201804）

0 引 言

汽車是交通強(qiáng)國(guó)［1］、制造強(qiáng)國(guó)的重要組成部分。汽車空氣動(dòng)力學(xué)對(duì)汽車節(jié)能減排、舒適和安全至關(guān)重要。汽車風(fēng)洞［2-3］正是汽車空氣動(dòng)力學(xué)研究和正向設(shè)計(jì)不可或缺的研發(fā)平臺(tái)，可進(jìn)行車輛空氣動(dòng)力學(xué)性能測(cè)試和車身氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)等，以達(dá)到優(yōu)化造型，同時(shí)降低氣動(dòng)阻力來(lái)減小油耗，實(shí)現(xiàn)車輛節(jié)能減排［4］的目的。汽車空氣動(dòng)力學(xué)是車輛工程專業(yè)課程體系中的重要內(nèi)容，主要介紹汽車設(shè)計(jì)與空氣動(dòng)力特性的關(guān)系，具有很強(qiáng)的理論性和應(yīng)用性，其研究?jī)?nèi)容是低能耗節(jié)能汽車車身設(shè)計(jì)的依據(jù)。汽車風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)是汽車空氣動(dòng)力學(xué)教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，讓學(xué)生了解汽車氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究的基本流程和原理，樹(shù)立正確的汽車氣動(dòng)特性認(rèn)知，建立流動(dòng)現(xiàn)象和抽象理論之間的聯(lián)系，深入理解汽車氣動(dòng)設(shè)計(jì)原理。

和其他大型工程機(jī)械類實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問(wèn)題類似［5］，線下風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)教學(xué)也存在以下兩大問(wèn)題：①高成本，整車風(fēng)洞建設(shè)成本巨大，目前國(guó)內(nèi)試驗(yàn)資源緊張、使用費(fèi)用昂貴；②高危險(xiǎn)，風(fēng)洞試驗(yàn)涉及整車模型安裝調(diào)試、高風(fēng)速流場(chǎng)、高能量激光［6、7］和煙霧顆粒［8］等，實(shí)驗(yàn)過(guò)程對(duì)操作要求較高，非熟練人員使用具有一定風(fēng)險(xiǎn)。上述兩點(diǎn)直接限制了整車風(fēng)洞在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，目前的常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，通常以參觀和演示為主，無(wú)法保障學(xué)生的直接參與和實(shí)際操作，學(xué)生對(duì)講授知識(shí)只能被動(dòng)吸收，難以調(diào)動(dòng)學(xué)生對(duì)該課程學(xué)習(xí)的積極性，也難以培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手操作能力。

本文依托整車風(fēng)洞，構(gòu)建虛擬風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，同時(shí)融合計(jì)算流體力學(xué)［9］與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)［10-11］，建設(shè)整車風(fēng)洞空氣動(dòng)力學(xué)測(cè)試虛擬仿真教學(xué)項(xiàng)目。讓學(xué)生在虛擬風(fēng)洞場(chǎng)景中身臨其境地學(xué)習(xí)風(fēng)洞結(jié)構(gòu)與原理、掌握風(fēng)洞試驗(yàn)實(shí)際操作過(guò)程并全方位觀察豐富的流動(dòng)數(shù)據(jù)以探索汽車空氣動(dòng)力學(xué)與汽車車身設(shè)計(jì)之間的關(guān)系。

1 虛擬仿真教學(xué)方案

1.1 教學(xué)理念

實(shí)驗(yàn)教學(xué)瞄準(zhǔn)培養(yǎng)具有扎實(shí)專業(yè)知識(shí)和工程問(wèn)題分析能力的創(chuàng)新型人才，堅(jiān)持以“學(xué)生為中心、由淺入深、結(jié)果導(dǎo)向”的原則，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)層層遞進(jìn)，將基本原理與實(shí)踐能力培養(yǎng)深入融合，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主探究式學(xué)習(xí)，深入理解汽車空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)原理和方法。

教學(xué)設(shè)計(jì)整體思路如圖1所示。建立沉浸式學(xué)習(xí)場(chǎng)景，融入任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)、案例式教學(xué)、情景式教學(xué)、線上線下混合教學(xué)、自主探究式教學(xué)等多種教學(xué)方法，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。通過(guò)“認(rèn)知-實(shí)踐-探究”的層層遞進(jìn)，由淺入深逐步增加實(shí)驗(yàn)難度，體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的挑戰(zhàn)。從學(xué)習(xí)能力、專業(yè)知識(shí)、創(chuàng)新思維等多個(gè)角度培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力。以全面的考核體系，融合操作步驟考核、知識(shí)問(wèn)答，現(xiàn)象分析等多項(xiàng)內(nèi)容對(duì)使用者進(jìn)行考核。

圖1 虛擬仿真教學(xué)思路

1.2 課程特色

虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)依托汽車整車風(fēng)洞，該科研平臺(tái)有先進(jìn)的測(cè)量設(shè)備和豐富的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多個(gè)風(fēng)洞應(yīng)用場(chǎng)景的高仿真度，多層次的人機(jī)交互，融合真實(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、測(cè)試流程和計(jì)算流體力學(xué)模擬結(jié)果，建成全過(guò)程、多場(chǎng)景、浸入式汽車整車風(fēng)洞空氣動(dòng)力學(xué)測(cè)試虛擬仿真內(nèi)容。

教學(xué)系統(tǒng)是科研反哺教學(xué)案例。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎脟?guó)際通用的汽車標(biāo)準(zhǔn)模型，團(tuán)隊(duì)針對(duì)最小氣動(dòng)阻力體優(yōu)化設(shè)計(jì)的科研成果，搭建以學(xué)生設(shè)計(jì)低風(fēng)阻汽車造型為目標(biāo)的探究性環(huán)節(jié)。學(xué)生在虛擬場(chǎng)景下通過(guò)組合汽車造型，探究空氣動(dòng)力學(xué)阻力特性，深入理解汽車車身氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的原理。

課程內(nèi)容涉及汽車空氣動(dòng)力學(xué)、汽車設(shè)計(jì)、汽車試驗(yàn)學(xué)和流體力學(xué)等多學(xué)科的交叉融合，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)汽車空氣動(dòng)力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)際問(wèn)題的分析和解決能力，確保課程的高階性。測(cè)試和探究模塊內(nèi)容采用國(guó)際通用的汽車標(biāo)準(zhǔn)模型，依托團(tuán)隊(duì)的科研成果［12-15］，設(shè)計(jì)多參數(shù)變量，引導(dǎo)學(xué)生自主探究汽車造型與空氣動(dòng)力學(xué)特性之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)課程的創(chuàng)新。

以實(shí)際風(fēng)洞為依托，使得虛擬仿真的真實(shí)感有極強(qiáng)的保障。大量的科研數(shù)據(jù)，包括風(fēng)洞實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)以及經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證的高精度仿真數(shù)據(jù)使得虛擬仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性都有強(qiáng)有力的支撐。虛仿試驗(yàn)的具體還原程度見(jiàn)第3節(jié)。

2 平臺(tái)構(gòu)架設(shè)計(jì)

2.1 模塊設(shè)置

根據(jù)認(rèn)知規(guī)律，從“整車風(fēng)洞構(gòu)造與原理認(rèn)知”-“風(fēng)洞氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)流程與操作”-“車身造型空氣動(dòng)力學(xué)特性探究”3個(gè)層面構(gòu)建實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，具體內(nèi)容如圖2所示。

圖2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的平臺(tái)構(gòu)架

（1）基礎(chǔ)認(rèn)知模塊。即風(fēng)洞認(rèn)知，通過(guò)風(fēng)洞概覽、風(fēng)洞原理和風(fēng)洞漫游的學(xué)習(xí)探索，在虛擬風(fēng)洞場(chǎng)景中全方位觀察和了解汽車風(fēng)洞的基本組成、基本原理以及關(guān)鍵部件的特征。

（2）實(shí)踐提高模塊。即氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)，以風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)進(jìn)行汽車空氣動(dòng)力學(xué)研究為切入點(diǎn)，融合多元教學(xué)方法，按照車輛參數(shù)測(cè)量、車輛安裝、測(cè)力、測(cè)壓和煙流顯示實(shí)驗(yàn)這5個(gè)關(guān)鍵步驟和流程，直觀高效地傳授汽車空氣動(dòng)力學(xué)測(cè)試的基本原理和方法。

（3）綜合探究模塊。即造型探究，從探索研究的角度，以學(xué)生設(shè)計(jì)低風(fēng)阻車身為目標(biāo)，提供4類可變換參數(shù)，獲得不同車身造型組合，培養(yǎng)學(xué)生將汽車空氣動(dòng)力學(xué)理論知識(shí)用來(lái)指導(dǎo)汽車車身設(shè)計(jì)以及分析工程實(shí)際問(wèn)題的能力。

2.2 軟件構(gòu)架

汽車風(fēng)洞空氣動(dòng)力學(xué)測(cè)試虛擬仿真項(xiàng)目的開(kāi)放、運(yùn)行依托開(kāi)放式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺(tái)的支撐，二者通過(guò)數(shù)據(jù)接口無(wú)縫對(duì)接，保證用戶能夠隨時(shí)隨地通過(guò)瀏覽器訪問(wèn)該項(xiàng)目，并通過(guò)平臺(tái)提供的面向用戶的智能指導(dǎo)、自動(dòng)批改服務(wù)功能，盡可能幫助用戶實(shí)現(xiàn)自主實(shí)驗(yàn)，提升開(kāi)放服務(wù)效果。軟件構(gòu)架如圖3所示。

圖3 軟件系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

支撐項(xiàng)目運(yùn)行的平臺(tái)及項(xiàng)目運(yùn)行架構(gòu)共分為5層，每一層都為其上層提供服務(wù)，直到完成具體虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境的構(gòu)建。

（1）數(shù)據(jù)層。實(shí)現(xiàn)汽車風(fēng)洞空氣動(dòng)力學(xué)測(cè)試實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)的存放和管理。

（2）支撐層。負(fù)責(zé)整個(gè)基礎(chǔ)系統(tǒng)的運(yùn)行、維護(hù)和管理。

（3）通用服務(wù)層。提供虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境的一些通用支持組件，以便用戶在虛擬環(huán)境下完成實(shí)驗(yàn)。

（4）仿真層。基于三維建模軟件solidworks、Unity3D對(duì)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景和設(shè)備構(gòu)件進(jìn)行建模與裝配、儀器開(kāi)發(fā)并提供通用的仿真器，為應(yīng)用層提供實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)的格式化輸出。

（5）應(yīng)用層?；诘讓拥姆?wù)，最終實(shí)現(xiàn)汽車風(fēng)洞空氣動(dòng)力學(xué)測(cè)試仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目教學(xué)與開(kāi)放共享。

軟件基于HTML5構(gòu)架、WebGL技術(shù)，使用solidworks進(jìn)行三維建模和Unity3D工具進(jìn)行渲染，在Windows Server運(yùn)行環(huán)境下有著良好的兼容性，可在Windows、Android等多種操作系統(tǒng)下遠(yuǎn)程運(yùn)行。

3 平臺(tái)建成效果

3.1 課程軟件內(nèi)容

進(jìn)入教學(xué)平臺(tái)后，經(jīng)過(guò)界面進(jìn)入如圖4所示的模塊選擇界面，在此可選擇“風(fēng)洞認(rèn)知”“空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)”“探究性實(shí)驗(yàn)”3大模塊，將鼠標(biāo)移動(dòng)至模塊并彩色顯示后，點(diǎn)擊即可進(jìn)入該模塊進(jìn)行試驗(yàn)操作。

圖4 模塊選擇界面

模塊1風(fēng)洞認(rèn)知。風(fēng)洞認(rèn)知包括“風(fēng)洞概覽”“功能認(rèn)知”及“內(nèi)部漫游”3部分。此模塊主要注重風(fēng)洞相關(guān)知識(shí)的了解。

前兩部分如圖5所示，在星空背景下呈現(xiàn)三維風(fēng)洞模型，對(duì)風(fēng)洞基本原理及功能進(jìn)行概述，可分別點(diǎn)擊風(fēng)洞流道結(jié)構(gòu)的組成部分，對(duì)每一個(gè)構(gòu)件的功能進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

圖5 風(fēng)洞概覽與認(rèn)知模塊

風(fēng)洞內(nèi)部場(chǎng)景漫游部分如圖6所示，學(xué)生可以通過(guò)鍵盤進(jìn)行前、后左、右移動(dòng)，通過(guò)鼠標(biāo)全方位調(diào)整視角，在整個(gè)風(fēng)洞流道內(nèi)自由漫游。在進(jìn)入該場(chǎng)景后，對(duì)風(fēng)洞中與空氣動(dòng)力學(xué)課程相關(guān)的關(guān)鍵設(shè)施，如天平移動(dòng)帶、地面模擬系統(tǒng)、噴口、收集口及風(fēng)機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備還有高亮提示，點(diǎn)擊后有進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明供學(xué)生進(jìn)行進(jìn)一步的學(xué)習(xí)。

圖6 內(nèi)部漫游場(chǎng)景

模塊2空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)?？諝鈩?dòng)力學(xué)試驗(yàn)包括“汽車參數(shù)測(cè)量及模型安裝”“測(cè)力試驗(yàn)”“測(cè)壓試驗(yàn)”以及“煙流試驗(yàn)”4部分，試驗(yàn)在虛仿風(fēng)洞環(huán)境中進(jìn)行，通過(guò)與實(shí)際風(fēng)洞控制電腦內(nèi)相類似并經(jīng)過(guò)一定美化后的控制面板與測(cè)量面板完成操作，過(guò)程與實(shí)際風(fēng)洞測(cè)試完全一致。此模塊的內(nèi)容主要注重風(fēng)洞操作技能相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)。

測(cè)力試驗(yàn)場(chǎng)景如圖7所示，可設(shè)置參數(shù)包括輔助設(shè)備、風(fēng)速、偏航角及地面模擬等。測(cè)量可獲得6分量力并要求學(xué)生按照提示計(jì)算相應(yīng)力系數(shù)。

圖7 測(cè)力實(shí)驗(yàn)測(cè)量界面

測(cè)壓模塊在車身表面中心對(duì)稱軸上安裝壓力傳感貼片進(jìn)行測(cè)壓，測(cè)試完成后還須對(duì)壓力分布變化的原因進(jìn)行分析，具體如圖8所示。

圖8 測(cè)壓結(jié)果分析

模塊3探究性試驗(yàn)。探究性試驗(yàn)讓學(xué)生通過(guò)自主選擇關(guān)鍵車身模塊形成不同造型，再進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量，充分發(fā)揮探索精神，通過(guò)盡可能多的方案探尋汽車造型對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)的影響。

在車身基礎(chǔ)上，正確選擇車頭、前風(fēng)窗、后風(fēng)窗、車尾底部4部分車身造型模塊，組成車輛造型。參考模塊2中的測(cè)試方法，點(diǎn)選所需的測(cè)試狀態(tài)“風(fēng)速”“偏航角”并獲點(diǎn)選測(cè)量；分析相應(yīng)的力系數(shù)與表面壓力分布曲線。讓學(xué)生自主分析各個(gè)造型之間的空氣動(dòng)力學(xué)性能差別，引導(dǎo)學(xué)生以“造型→流場(chǎng)→表面力→總力（系數(shù)）”這一技術(shù)路線分析造型與空氣動(dòng)力學(xué)表現(xiàn)之間的關(guān)系。具體界面如圖9所示。

圖9 探究試驗(yàn)場(chǎng)景

3.2 虛擬仿真要素還原程度

本實(shí)驗(yàn)的各要素仿真還原度如下：

（1）對(duì)汽車風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)環(huán)境高度還原仿真。本課程面向工程的汽車空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行虛擬仿真，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景與實(shí)際風(fēng)洞場(chǎng)景完全一致，并真實(shí)再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程。真實(shí)與虛仿的比較如圖10所示。學(xué)生以第一視角進(jìn)入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，了解實(shí)驗(yàn)過(guò)程，并完成實(shí)踐操作和自主探究實(shí)驗(yàn)等任務(wù)。通過(guò)交互式仿真流程和動(dòng)態(tài)畫(huà)面再現(xiàn)一個(gè)仿真度高、體驗(yàn)感強(qiáng)和趣味性足的實(shí)際情境，使學(xué)生有身臨其境的感覺(jué)。

圖10 真實(shí)與虛擬仿真場(chǎng)景的比較

（2）基于汽車國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)模型和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)對(duì)象采用汽車標(biāo)準(zhǔn)模型DrivAer和MIRA（米拉）車型，模型還原度如圖11所示。通過(guò)改變風(fēng)速、側(cè)偏角以及車模后風(fēng)窗傾角等變量，觀察汽車模型氣動(dòng)力和流場(chǎng)的變化；實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均基于風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到，保證虛擬仿真結(jié)果準(zhǔn)確性。

圖11 真實(shí)與虛擬仿真模型的比較

（3）對(duì)實(shí)驗(yàn)流程與具體操作精細(xì)真實(shí)復(fù)現(xiàn)。利用虛擬仿真技術(shù)模擬風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)測(cè)試的全流程實(shí)踐操作，真實(shí)反映風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)狀態(tài)，融合計(jì)算流體力學(xué)的流場(chǎng)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)汽車周圍流場(chǎng)可視化，提供交互式仿真流程，供學(xué)生在虛擬風(fēng)洞場(chǎng)景中全方位觀察流動(dòng)數(shù)據(jù)，隨意進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)、縮放操作，分析探索流動(dòng)機(jī)理，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。

3.3 教學(xué)使用效果

此仿真教學(xué)平臺(tái)自開(kāi)發(fā)完成上線后，已服務(wù)校內(nèi)多個(gè)年級(jí)相關(guān)專業(yè)學(xué)生1 500余人時(shí)，通過(guò)此虛擬仿真課程學(xué)習(xí)，原本在理論課與實(shí)驗(yàn)觀摩課中難以掌握的細(xì)節(jié)得到充分展示，提高了教學(xué)質(zhì)量，獲得了廣泛好評(píng)。

作為國(guó)內(nèi)高校唯一的汽車整車風(fēng)洞設(shè)施，未來(lái)1～2年內(nèi)，本課程將在開(kāi)設(shè)車輛工程專業(yè)的兄弟院校間進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的推廣并聽(tīng)取持續(xù)改進(jìn)意見(jiàn)；未來(lái)2～3年內(nèi)將進(jìn)一步拓展應(yīng)用領(lǐng)域，計(jì)劃優(yōu)先在對(duì)口支援高校和本校其他相關(guān)專業(yè)，如航空航天與力學(xué)專業(yè)、土木工程專業(yè)作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行推廣。未來(lái)3～5年內(nèi)，將逐步全面向社會(huì)開(kāi)放，為企業(yè)研發(fā)測(cè)試工程師培訓(xùn)和技術(shù)工人職業(yè)技能培訓(xùn)以及青少年科普提供學(xué)習(xí)平臺(tái)。

4 結(jié) 語(yǔ)

汽車風(fēng)洞虛擬仿真平臺(tái)可供學(xué)生在風(fēng)洞場(chǎng)景中全方位觀察豐富的流動(dòng)數(shù)據(jù)，分析探索流動(dòng)機(jī)理，深入理解汽車空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)原理，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，可以有效解決傳統(tǒng)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)教學(xué)中學(xué)生無(wú)法進(jìn)行實(shí)際操作的不足。

此開(kāi)放式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺(tái)以計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為依托，采用面向服務(wù)的軟件架構(gòu)開(kāi)發(fā)，集實(shí)物仿真、創(chuàng)新設(shè)計(jì)、智能指導(dǎo)、虛擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果自動(dòng)批改和教學(xué)管理于一體，具有良好的自主性、交互性和可擴(kuò)展性。