基于在線虛擬風(fēng)洞的空氣動力學(xué)實驗教學(xué)

岡敦殿* 王東方

（國防科技大學(xué)空天科學(xué)學(xué)院 湖南·長沙 410072）

0 引言

空氣動力學(xué)是航空航天專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程，具有理論性強、難度大和實踐性強等特點。實驗教學(xué)是空氣動力學(xué)教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，深入有效的實驗教學(xué)能夠加深學(xué)生對理論知識的理解，將復(fù)雜知識與空氣動力學(xué)現(xiàn)象聯(lián)系起來，有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神、鍛煉學(xué)生的實踐能力。

空氣動力學(xué)最常用的教學(xué)設(shè)備是風(fēng)洞，用于產(chǎn)生一定速度的氣流，包括低速風(fēng)洞、超聲速風(fēng)洞等。風(fēng)洞設(shè)備的突出特點是體積大、價格昂貴，因此實驗教學(xué)的設(shè)備數(shù)量往往很少，無法滿足需要，也不能讓學(xué)生充分實踐操作。而且風(fēng)洞實驗設(shè)備操作、模型制作、傳感器安裝等對操作者要求很高，某些風(fēng)洞設(shè)備涉及高壓電、高壓氣罐、高溫氣體等，實驗風(fēng)險大，因此高校的常規(guī)教學(xué)中學(xué)生難以完成風(fēng)洞的全流程實驗操作，通常以參觀和演示實驗為主。進(jìn)而出現(xiàn)了學(xué)生看的時間多做的機會少的現(xiàn)象，即主要是老師講解設(shè)備原理并操作示范，學(xué)生觀看演示、課后處理數(shù)據(jù)，嚴(yán)重制約了實驗效果的提升。虛擬仿真實驗教學(xué)是教育信息化發(fā)展和實驗教學(xué)改革相結(jié)合的創(chuàng)新目標(biāo)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(xué)實驗教學(xué)，結(jié)合理論教學(xué)和實驗室實地教學(xué)，三者有機融合能夠顯著提升教學(xué)效果。

1 在線虛擬風(fēng)洞系統(tǒng)的搭建和主要功能

在線虛擬風(fēng)洞結(jié)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(jié)果構(gòu)建直觀的三維立體場景，構(gòu)建可操作的虛擬風(fēng)洞仿真實驗場景，供學(xué)生了解風(fēng)洞的關(guān)鍵部件，掌握風(fēng)洞實驗的操作步驟和測量方法，實現(xiàn)知識學(xué)習(xí)到綜合實踐能力培養(yǎng)的轉(zhuǎn)化，加深對氣動現(xiàn)象的理解，鞏固空氣動力學(xué)系列課程的教學(xué)效果。風(fēng)洞模型根據(jù)真實物理風(fēng)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(fēng)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(fēng)洞虛擬仿真模塊、常規(guī)高超風(fēng)洞虛擬仿真模塊和數(shù)值風(fēng)洞流場認(rèn)知模塊，三者以虛擬實驗大廳為載體，從實驗大廳進(jìn)入，完成相應(yīng)內(nèi)容的操作和學(xué)習(xí)。學(xué)生可在虛擬場景中抓取CFD數(shù)據(jù)，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、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(fēng)洞虛擬實驗場景，圖2為學(xué)生采用虛擬風(fēng)洞獲得的雙橢球模型和三角翼模型的流場結(jié)構(gòu)，能夠直觀觀察到流場的細(xì)節(jié)特征。

圖1：在線虛擬高超風(fēng)洞照片

圖2：在虛擬風(fēng)洞中獲得的雙橢球和三角翼流場結(jié)構(gòu)

實驗大廳是主界面，由此可便捷進(jìn)入數(shù)值風(fēng)洞、低速風(fēng)洞和高超聲速風(fēng)洞三個區(qū)域開展學(xué)習(xí)。大廳懸掛空氣動力學(xué)領(lǐng)域先驅(qū)人物畫像，展覽風(fēng)洞和典型飛行器模型、數(shù)值仿真結(jié)果，介紹實驗概況和操作方法。在線虛擬風(fēng)洞主要具備以下功能：

實驗場景漫游，學(xué)生以第一視角漫游實驗場景和設(shè)備，觸發(fā)關(guān)鍵分系統(tǒng)時會彈出對應(yīng)知識點講解框；安裝模型，學(xué)生可將模型按照提示移動到風(fēng)洞試驗段內(nèi)；運行風(fēng)洞和實驗測試，學(xué)生按照提示完成關(guān)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(yù)先以CFD計算結(jié)果的形式存儲在虛擬系統(tǒng)內(nèi)，實驗結(jié)束后展示在場景中的會議平板上；隨堂測驗，學(xué)生通過虛擬場景中的會議平板完成隨堂測驗，測驗內(nèi)容包括實驗操作流程和實驗結(jié)果分析；實驗報告撰寫，學(xué)生拷貝數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理和分析，獲得關(guān)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(fēng)洞系統(tǒng)的過程監(jiān)測和考核

在每個實驗?zāi)K中，系統(tǒng)均會記錄學(xué)生的關(guān)鍵操作步驟并上傳至數(shù)據(jù)庫。風(fēng)洞漫游過程中，記錄學(xué)生觸發(fā)的風(fēng)洞關(guān)鍵設(shè)備和對應(yīng)的知識點，并在學(xué)生完成風(fēng)洞實驗時提示其遺漏的知識點，確保學(xué)生知識學(xué)習(xí)的完整性。風(fēng)洞實驗操作過程中，記錄學(xué)生的操作過程，形成日志報表，記錄內(nèi)容包括但不限于操作順序、選用的模型、設(shè)置的參數(shù)、探測的流場數(shù)據(jù)等，作為學(xué)生撰寫實驗報告的原始素材。對有嚴(yán)格順序關(guān)系的關(guān)鍵操作步驟采取出錯提示并記錄的方式，確保實驗順利進(jìn)行，訓(xùn)練學(xué)生正確規(guī)范的使用風(fēng)洞。

實驗中記錄學(xué)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(xué)生撰寫實驗報告的原始素材，同時也是學(xué)生探索發(fā)現(xiàn)能力和歸納總結(jié)能力的有效體現(xiàn)。通過后臺數(shù)據(jù)庫分析，一方面改進(jìn)虛擬實驗交互操作流程，一方面統(tǒng)計學(xué)生對知識點的掌握情況，找到共性問題后針對性地設(shè)計實驗內(nèi)容，彌補學(xué)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(jié)果、學(xué)生課后提交的實驗報告。學(xué)生完成實驗之后，系統(tǒng)會對學(xué)生的實驗操作過程進(jìn)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(xué)生的實驗操作評分。實驗結(jié)束后，學(xué)生進(jìn)入隨堂測驗環(huán)節(jié)，以客觀題的形式考核學(xué)生對空氣動力學(xué)相關(guān)知識的掌握情況。實驗報告由學(xué)生課后撰寫，主要考察報告內(nèi)容的準(zhǔn)確性、完整性以及學(xué)生認(rèn)識的深刻性。

3 在線虛擬風(fēng)洞的教學(xué)方法

在線虛擬風(fēng)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(xué)實踐，初步形成了線上線下融合式教學(xué)方法。疫情期間，學(xué)生無法到實驗室上課，即采用了在線虛擬風(fēng)洞教學(xué)。具體步驟如下：課前老師將系統(tǒng)操作說明和教學(xué)內(nèi)容布置學(xué)生預(yù)習(xí)；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?zāi)康摹⒃怼⒎椒ǖ龋⑦M(jìn)行演示操作；虛擬實驗實操環(huán)節(jié)，學(xué)生在個人電腦上按操作流程完成實驗項目，并觸發(fā)關(guān)鍵節(jié)點、完成隨堂測驗；實驗總結(jié)環(huán)節(jié)，老師根據(jù)后臺數(shù)據(jù)統(tǒng)計，針對學(xué)生操作中的薄弱環(huán)節(jié)，強調(diào)和講解關(guān)鍵知識點。學(xué)生在課后還可自由登錄在線虛擬風(fēng)洞，再次熟悉和強化知識點和操作。

正式開學(xué)后，組織學(xué)生到實驗室開展實物實驗操作。此階段主要強調(diào)設(shè)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(nèi)容以提問形式回顧，絕大部分的時間留給學(xué)生操作運行設(shè)備。通過線上線下的結(jié)合，顯著提升了教學(xué)質(zhì)量，主要體現(xiàn)在：一是學(xué)生有更多的時間運行操作設(shè)備，充分鍛煉了操作能力；二是，虛擬實驗?zāi)軌蜃寣W(xué)生認(rèn)識大型風(fēng)洞設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，有助于增強對設(shè)備運行原理和操作的認(rèn)識；三是，真實風(fēng)洞實驗中空氣流動不直觀，基于虛擬風(fēng)洞和CFD數(shù)據(jù)，能夠加深學(xué)生對實驗流場的認(rèn)識。

4 結(jié)語

本文介紹了在線虛擬風(fēng)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(xué)實驗教學(xué)方法。在線虛擬風(fēng)洞有效彌補了傳統(tǒng)的空氣動力學(xué)實驗教學(xué)存在的設(shè)備數(shù)量少、學(xué)生操作時間短等不足，拓寬了實驗教學(xué)的時間和空間限制。學(xué)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(fēng)洞設(shè)備中開展實驗，身臨其境在設(shè)備內(nèi)部穿梭、直觀地觀察大型設(shè)備的各個分系統(tǒng)以及空氣在風(fēng)洞中的運行特征。突出在線虛擬風(fēng)洞的優(yōu)勢，也能夠進(jìn)一步強化以學(xué)生為中心的開放性教學(xué)模式，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，提升教學(xué)效果。引入實驗過程評價，傳統(tǒng)的實驗教學(xué)只能通過考試和實驗報告來評價，而在虛擬實驗中，學(xué)生的每一個操作步驟都可以記錄評估，因此可以評價學(xué)生的操作流程，這對常規(guī)高超風(fēng)洞等對操作規(guī)程有嚴(yán)格要求的實驗至關(guān)重要。