飛機空氣動力學課程的實驗教學

郭衛剛 王強

【摘要】在飛機空氣動力學課程的教學實施過程中，必須要及時地開展相關的實驗教學。闡述實驗教學的特點，明確實驗教學對培養學生動手能力、協作精神、創新思維能力及提高綜合素質方面的重要作用。通過對實驗教學在飛機空氣動力學課程中的應用研究，表明實驗教學能夠激發學生學習飛機空氣動力學課程的興趣，可提高教學效果和學生的學習成績。

【關鍵詞】飛機空氣動力學? 實驗? 教學改革

【中圖分類號】V221 ? ? ? ? 【文獻標識碼】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》課程是我校飛行學生必修的一門核心航空理論課程，在人才培養方案中屬于專業背景課程模塊。通過該課程的學習，使學生掌握空氣動力學的基本概念和基本理論，可為后續的其他專業背景課程提供理論基礎，具有奠基作用。

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

二、實驗教學的特點

飛機空氣動力學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。氣流的流動在現實生活中不是很容易觀察，而空氣動力學中又有很多的公式原理等，這就造成了空氣動力學理論比較抽象，理解起來有困難。而通過實驗觀察流動現象、驗證基本定理和基本概念就容易讓學生接受。因此，實驗教學在飛機空氣動力學課程中的地位就顯得尤為重要，不可或缺[2-4]。

1.實驗教學可幫助學生加深對所學內容的理解。學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，并在激光發生器的配合下，空氣的流動狀態便一目了然。可能不需更多的講解，學生一看就能明白空氣的流動情況。同時，通過數據采集系統，可將測量的氣動力以數據的形式顯示在屏幕上，學生可直觀的感受到氣動力的大小和變化規律。

2.實驗教學可培養學生的動手能力和協助精神。實驗過程需要學生自己動手設計實驗環節，改變模型飛機的姿態，調整風速大小等。對于課堂上的理論可自己改變條件進行驗證，增強其動手能力，并提高學生對課程的興趣。同時，有些實驗需要幾個同學一起協作進行才能完成實驗數據的測量和采集，這就需求同學之間密切配合，分工明確。只有配合得好，實驗結果才能更準確。

3.實驗教學可培養學生分析思考能力，提高其綜合素質。學生通過實驗，能夠積極參與到整個研究過程中，對于出現的問題，可引發其積極思考，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合起來，從而將被動的學習變為主動探索的思考過程。這有利于學生發現問題，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，其自身的綜合素質也在思考探索的過程中得到提高。

三、實驗教學在飛機空氣動力學課程中的應用

飛機空氣動力學實驗的目的是通過模型，研究飛機上的空氣動力的變化規律。它對學生理解飛機空氣動力的現象以物理本質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生直觀的感受，有助于其對內容的理解和掌握[5-6]。

在飛機空氣動力學課程的教學過程中，主要開展雷諾實驗、翼型表面壓力分布實驗、全機氣動力系數測量實驗等，如表1所示。為了幫助學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實驗原理和方法一章的內容，介紹常用的實驗設備、測量原理及典型實驗的實驗方法[7-8]。在實驗環節的設計上，盡量增加實驗的趣味性、設計性、探索性，培養其主動思考、勇于探索的能力。

伯努利方程驗證實驗通過調節風扇的風速，從而改變流經伯努利實驗模塊的氣流速度。伯努利實驗模塊是一個半透明的方形管道，內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。

全機氣動力系數測量實驗采用的是開口回流低速風洞（如圖2）。風洞由洞體、動力系統和測控系統組成。實驗模型采用尾撐形式，測力元件采用桿式六分力應變天平，測壓采用皮托管壓力傳感器，測速采用熱線分析儀，流場流態顯示采用激光片光系統。

翼型表面壓力分布測量實驗采用是直流低速風洞。該風洞采用開口吸入式設計，排氣口安裝有軸流風扇，最大風速36m/s。在機翼表面不同位置開設小孔，并由導管連接到多管壓力計，通過調節不同迎角的大小，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。學生可根據需要，拓展實驗范圍，加深對所學知識的研究深度和廣度。

此外，學生還可以通過飛行演示風洞，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、位置，從而演示飛機起飛、巡航、降落、失速等過程及現象。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和方向。

在實驗教學的實施過程中，始終秉承“教為主導，學為主體”的教學理念展開。以學生為中心，就是從學生的需求出發，通過實驗，提高學生的興趣，發揮其主觀能動性，鍛煉其實踐操作能力和綜合運用知識的能力。學生可通過實驗原理、實驗方法、實驗過程，得出實驗結果，并通過分析驗證所學空氣動力學理論。此外，有興趣和能力的學生還可以做深入的研究，探索發現一些未知領域，從而提高飛機空氣動力學的教學實踐效果。

六、結束語

通過飛機空氣動力學課程的實驗教學，學生學習的積極性提高了，學習效果也增強了。學生運用所學知識分析、解決實際問題的能力也得到提高。動手能力、創新思維能力、個人的綜合素質及團隊協作能力均得到加強。空氣動力學實驗是航空航天發展的基礎，對其教學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，可大大提高教學效果。

參考文獻：

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[7]賈忠湖.飛行原理基礎[M] .北京：國防工業出版社，2015

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

作者簡介：

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