基于ASP.NET技術的數值風洞實驗平臺開發

馬超　沙金濤

摘要：結合中國民航大學飛行器制造工程專業本科培養方案，基于ASP.NET技術開發適合民航機務類專業的數值風洞實驗平臺，包括復雜管道流動、流體邊界層流動、常見翼型流動以及超音速流動四大類實驗內容，實驗平臺具有良好的局域網操作環境與功能擴展能力，具有一定的教學實踐應用價值。

關鍵詞：ASP.NET技術；數值風洞；數值模擬；流體力學

中圖分類號：G642.423 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）35-0277-02

一、引言

風洞實驗是高等教育工科培養過程中流體力學與空氣動力學等課程的重要實驗內容之一，在學生對流體力學和空氣動力學原理理解方面有著重要的作用。但是，昂貴的實驗設備與復雜的實驗過程也是限制風洞實驗發展的重要因素，因此數值風洞實驗是解決此矛盾的良好途徑之一。在中國民航大學飛行器制造工程專業本科生培養過程中，流體力學和空氣動力學都是專業課程，兩門課程都安排有相應的實驗內容，包括雷諾實驗、伯努利方程實驗、沿程阻力損失實驗以及風洞演示實驗等內容。由于專業的培養定位不同，機務類本科專業許多流體力學知識也需要了解，比如超音速流動、邊界層分離現象等。另外，由于專業涉及知識廣泛，在例如復雜管道流動特征等方面也需要了解。因此，通過搭建數值風洞實驗平臺的方法，能夠很好的解決這個問題，實現良好的教學效果。

二、數值風洞實驗大綱構建

數值風洞技術是基于計算流體力學方法發展而產生的一種數值模擬方法，將實際繞流或者內流的流體力學與空氣動力學問題在計算機上進行有效地模擬，以確定其流動過程中速度、壓力與載荷等參數的變化情況，進而了解整個過程的發展機理[1]。數值風洞技術有著低成本、低耗能、高可視性、模擬結果準確等特點，非常適合用于教學實驗領域的應用。

基于數值風洞技術，結合中國民航大學飛行器制造工程專業的培養方案，在現有流體力學與空氣動力學實驗的基礎上，總結了四大類可行性較高并且具有較為典型的流體力學和空氣動力學的實驗項目，包括復雜管道流動、流體邊界層流動、常見翼型流動以及亞跨超音速流動。其中，每一大類又包含了更為具體的實驗內容，具體描述如下。

復雜管道流動是飛行器液壓與燃油過程中常見的流動現象，平臺針對90度彎管、收縮管道、擴張管道、分/匯流管道等開發實驗內容，能夠有利于學生對飛行器液壓與燃油教學內容的理解。邊界層理論是近現代流體力學與空氣動力學的理論基礎，不同形狀的物體在流體繞其流動過程中由于受到流體黏性與逆壓梯度的共同作用會引起邊界層分離，形成交替脫落的漩渦，產生“卡門渦街”的現象。翼型在大迎角情況下也會出現邊界層分離的現象。平臺針對圓柱繞流、楔形繞流、正方形繞流、翼型繞流四類型的繞流開發實驗內容，使學生能夠更加清晰地觀察與邊界層相關的流體力學現象，加深對邊界層知識的理解。常見的翼型根據使用情況的不同有著不同的外形特征，如彎度、厚度、前緣半徑等，民航領域常用的有低速翼型、層流翼型和超臨界翼型等，平臺對對稱翼型與帶有彎度的翼型的繞流開發實驗內容，使學生們了解了不同特征翼型的流場特性，理解了空氣動力學實際應用的原理。亞跨超音速流動是空氣動力學知識內容之一，通過數值風洞能夠觀察超音速過程中激波等現象的特征，平臺針對超臨界翼型在不同馬赫數時的繞流開發實驗項目，使學生能夠觀察超音速過程中激波等現象的特征，擴寬學生的知識領域。

三、數值風洞實驗內容設計與實現

在已經構建好的實驗大綱的基礎上，開發的實驗項目內容利用計算流體力學軟件FLUENT來完成。實驗內容的設計與實現過程主要包括以下幾個步驟。

1.實驗模型的構建。利用計算機輔助設計軟件，完成實驗模型的構建，例如管道流動中的各種形狀的管道模型，翼型流動過程中不同的翼型模型，等等。實驗模型構建過程中需要盡可能的與真實的實驗環境保持一致。

2.計算模型網格劃分。利用計算流體力學中的ICEM軟件進行計算模型的網格劃分，在整個計算域中進行網格的加密操作，滿足一定的精度要求。

3.求解器數值模擬。構建好相應的網格之后，將網格文件放入求解器FLUENT軟件中進行計算，數值模擬出流場情況，得到相應的速度、壓力、流線等分布，進而輔助觀察流場情況。

4.可視化后處理。將計算完成的文件利用FLUENT軟件中的可視化功能完成流場的動態顯示，便于流場過程的觀察。

通過上述四個步驟的操作，最終形成了對應實驗大綱內容的數值模擬結果文件，其后續可以作為實驗平臺的開發過程中的相應素材。

四、基于ASP.NET技術的實驗平臺開發

ASP.NET技術是.NET Framework框架體系結構的一部分，常用于Web平臺開發。ASP.NET有簡易性、安全性、可管理性等優點，又能夠利用Microsoft Visual Studio. Net等多種工具進行開發，使得ASP.NET非常適合作為網絡課程開發的支撐技術[2]。利用ASP.NET技術進行Web窗體框架的構建，在Web服務器上運行以動態地生成和管理Web窗體頁。在框架的搭建過程中，基于C#語言進行內容的編寫，可以靈活的進行網頁內容的調整和替換，開發出更為生動、形象的網頁內容。基于ASP.NET技術，在已經構建完成的數值風洞實驗大綱的基礎上，利用數值模擬的結果文件，完成整個實驗平臺的開發，登陸界面如圖1所示。

打開平臺登錄界面之后，點擊右上角“進入平臺”，即可進入平臺的主頁面內容中，如圖2所示。

由操作界面中可以看到，左側的操作菜單中可以選擇實驗大綱中對應的各個實驗內容，點擊后能夠選擇壓力、速度、流線三種流場的數值模擬動態顯示結果，進而觀察流動的整個過程。觀察過程中，可以靈活調整動態顯示速度，有助于對于流場細節的理解。另外，由于整個實驗平臺是基于ASP.NET技術搭建而成的，因此可以通過局域網連接的方式搭建服務器，使得局域網內其他電腦能夠隨時訪問，方便課程教學過程中的實施。

五、結論

數值風洞實驗平臺基于計算流體力學方法，利用ASP.NET技術搭建，既能夠較為真實的模擬流場的流動狀態，又能夠借助于搭建的Web平臺實現良好的局域網操作環境與多樣化的功能擴展能力。實驗平臺的低成本、可視化效果好，有效地彌補了專業培養過程中實驗內容涉及廣度不足的情況，具有一定的課程開發教學實踐應用價值。

參考文獻：

[1]陸德龍.數值風洞在我國的研究與進展[A].天津大學.第十二屆全國現代結構工程學術研討會暨第二屆全國索結構技術交流會論文集[C].天津大學，2012：7.

[2]張奇.基于ASP.NET的網絡課程開發技術應用研究[D].重慶大學，2005.