CFD技術在航空燃氣渦輪發動機原理教學中的應用探討

摘? 要 針對“航空燃氣渦輪發動機原理”課程知識點深奧、應用情況多變的特點，為加深學生對相關理論的理解，培養學生的實踐創新能力，探討CFD技術在課程應用中存在的問題，并提出問題的改進途徑，給出CFD技術在教學過程中的應用方法和流程。

關鍵詞 航空燃氣渦輪發動機原理;CFD;飛行器動力工程;數值仿真

中圖分類號：G642? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）23-0038-02

1 引言

近幾年，隨著我國民航事業的飛速發展，航空公司規模不斷壯大，越來越多先進的機型陸續投入運營市場，對航空發動機的相關工作人員提出更高的專業素質要求。因此，相關院校需提高飛行器動力工程專業學生的培養質量以滿足民航市場的需求[1]。作為飛行器動力工程專業的核心課程之一，“航空燃氣渦輪發動機原理”對于提高學生對航空發動機的認知水平，深化學生的專業知識，培養學生的實踐與創新意識有著十分重要的作用。

“航空燃氣渦輪發動機原理”是一門理論與工程相結合的綜合性課程，涉及較為深奧的理論知識和復雜多變的工程應用場景[2]，要求學生具有很強的抽象思維能力，課程難度較大。而通過CFD技術可將抽象的理論或者難以理解的工程經驗具體化[3]，更易于學生對問題的理解，幫助學生加深對相關規律的記憶。如壓氣機特性的相關知識，可讓學生自行通過CFD技術模擬仿真，并自己動手繪制出壓氣機的特性以及壓氣機的喘振邊界等，以達到掌握相關知識的目的。

2 CFD技術應用于課程中存在的問題

CFD是一門復雜的學問，需要在掌握數值分析、偏微分數值解等相關課程以后，才能對CFD技術有一個初步的理解，屬于本科高年級甚至研究生才能掌握的學科。而在“航空燃氣渦輪發動機原理”之前，學生顯然不具備這方面的知識。在這樣的前提下，如何讓學生應用CFD技術進行“航空燃氣渦輪發動機原理”課程的學習，是一個需要解決的問題。

此外，通過CFD技術數值仿真得到的數據，一方面需要進行數據的后處理，另一方面需要數據的可視化，而學生不具備這方面的技能，因此，這也是CFD應用于教學時需要考慮的問題。

3 CFD技術在課程教學中的應用方法

針對上述問題，在應用CFD技術進行“航空燃氣渦輪發動機原理”課程學習之前，需要讓學生進行CFD技術的簡要入門學習，應讓學生知道CFD技術是什么、CFD技術的基本原理、CFD技術的應用等。由于CFD技術是以“流體力學”（飛行器動力工程的專業基礎課之一）為基礎發展而來的一門學問，可將這部分CFD的相關知識學習放到“流體力學”課程中去，使學生更易于接受。

另一方面，教師需要對傳統的CFD數值仿真過程進行簡化，以適應教學的需要。通常，在利用CFD技術進行數值仿真時的流程如圖1所示。

利用CFD技術進行數值仿真的流程比較復雜，首先需要建立模型，然后將模型導入網格生成軟件，進行計算域和網格拓撲的劃分，進而進行網格參數設置。完成這些步驟，需要對網格生成的相關理論有所了解，還需要掌握網格生成軟件的使用方法。更為復雜的是相關的計算設定，主要包含邊界條件、計算模型、計算方法、計算參數和初始化的設置。合理對這些參數進行設置，需要具有相關的計算流體力學知識。比如邊界條件，要完成正確設置，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，實際使用時應該采用哪些邊界條件來使得數值解唯一。顯然，由于學生沒有接受過專門的計算流體力學學習，很難通過簡單的教學讓學生理解這些知識。

因此，在實際應用時不能直接照搬數值仿真的整個流程，需要對這些過程進行打包。而將CFD技術應用于教學時，對于數值模擬的精確度要求并不那么高，因此可以采用默認的參數來完成網格和計算的相關參數設置。而對于某些特定的參數，尤其是邊界條件的一些參數，可以交由學生來進行設置。如將CFD技術用于葉柵攻角特性的教學時，可以將原始的進口邊界條件（給定進口總溫、總壓和氣流方向）進行調整，進口總溫、總壓給定默認值，而將進口的氣流方向轉變為進口的氣流攻角。這樣一來，在進行CFD仿真時，學生只需給定進口的攻角，再啟動CFD求解器，就可以完成整個數值計算。

此外，對于數值仿真計算后，數據的后處理也要進行專門的打包處理。還是以葉柵攻角特性為例，在進行教學時需要得到葉柵的進出口的總壓。而學生進行數值仿真以后，計算得到的是整個進口平面和出口平面的總溫總壓分布，因此需要對進出口面的數據進行面積平均或流量平均，進而得到進出口的平均總壓。所以，在進行CFD技術的實驗教學時，需要編制后自動化處理程序或者腳本，使學生方便地得到這些所需的參數。學生利用這些后處理結果來計算葉柵的損失系數等，進而對相關知識進行掌握和學習。

通過將整個數值仿真過程進行簡化、打包處理，讓學生能夠利用已學的知識完成數值仿真的所有過程。此外，求解器在數值求解時會反復迭代，直至收斂到一個合理的解上，這可能會耗費不少時間。在進行教學時，這個計算迭代耗費的時間不宜太長，以免影響教學效果。因此，根據具體情況，還需要對CFD數值仿真求解器進行適當的修改和簡化，以保證學生能夠快速獲得仿真計算的結果。例如，可將默認的網格設置得較為稀疏以減少計算量，降低收斂的標準，在求解器中使用低精度的格式，對湍流模型進行簡化處理等。因此，總結起來，需要從以下三個方面完成CFD仿真過程改進，以適應教學需要：

1）簡化數值求解的模型和計算方法;

2）打包網格和計算設置，大部分設置固定為默認設置，減少設置的參數數量，并將部分網格和計算參數分別轉化為幾何模型參數和物理條件參數;

3）自動化后處理，自動將求解后的數據轉化相關的總體參數或者性能參數。

4 CFD技術在課程教學中的實施流程

通過上一節討論的CFD在教學中的改進方法，CFD數值仿真在“航空燃氣渦輪發動機原理”教學中的實施流程如圖2所示。由圖2可知，學生只需要完成幾何模型和物理條件參數的輸入，即可完成數值求解前的網格和計算設置。

這里的幾何模型參數指的是跟模型相關的尺寸和角度參數等，如壓氣機的安裝角、噴管的進出口面積等;而物理條件參數是指跟具體的模型工作狀態等相關的參數，如壓氣機進口的總壓、飛機飛行的速度、噴管出口的反壓等。這些幾何和物理參數都是“航空燃氣渦輪發動機原理”課程中需要掌握的知識點，學生對這些參數有更為直觀的認識。完成這些設置以后，就可啟動求解器進行求解，并最終自動完成計算結果的后處理。學生只需要記錄這些數據，如記錄壓氣機進出口的總壓、總溫，噴管出口的速度和總壓。有了這些參數以后，學生可進一步利用“航空燃氣渦輪發動機原理”中的知識進行相關的理論分析、計算，并對書中的相關理論知識、公式等進行驗證，進而加深對課程知識的理解和記憶，提升課程的學習質量。

5 結語

相對于其他教學手段，CFD技術具有更直觀、易實現的特點。學生通過CFD技術對課程中的理論進行分析、復現和驗證，以更主動的方式進行學習。這樣一方面可以提升課程教學的效率，幫助學生加深對知識點的記憶和理解;另一方面可以引導學生自主思考，更好地激發學生的實踐創新興趣。

參考文獻

[1]秦鳳姣，趙欣，魏麟.民航應用型高層次人才能力需求及培養模式探索[J].教育教學論壇，2018（48）：128-130.

[2]孫振生，胡宇，華明軍，等.“理論-實踐-創新”三位一體教學方法在《航空發動機原理》課程教學中的探索與實踐[J].教育教學論壇，2019（18）：177-178.

[3]周大慶，鐘淋涓，劉衛東，等.CFD數值試驗在流體力學課程教學中的應用[J].教育教學論壇，2018（30）：194-196.

作者：張恒銘，中國民航飛行學院，講師，研究方向為空氣動力學、航空發動機原理理論教學（618307）。