以實托虛汽車風洞虛擬仿真教學平臺設計

陳 力， 夏 超， 沈 哲， 孫 波

（同濟大學 a.汽車學院；b.上海市地面交通工具風洞專業技術服務平臺；c.機械與能源工程學院，上海 201804）

0 引 言

汽車是交通強國［1］、制造強國的重要組成部分。汽車空氣動力學對汽車節能減排、舒適和安全至關重要。汽車風洞［2-3］正是汽車空氣動力學研究和正向設計不可或缺的研發平臺，可進行車輛空氣動力學性能測試和車身氣動優化設計等，以達到優化造型，同時降低氣動阻力來減小油耗，實現車輛節能減排［4］的目的。汽車空氣動力學是車輛工程專業課程體系中的重要內容，主要介紹汽車設計與空氣動力特性的關系，具有很強的理論性和應用性，其研究內容是低能耗節能汽車車身設計的依據。汽車風洞實驗是汽車空氣動力學教學的重要環節，讓學生了解汽車氣動實驗研究的基本流程和原理，樹立正確的汽車氣動特性認知，建立流動現象和抽象理論之間的聯系，深入理解汽車氣動設計原理。

和其他大型工程機械類實驗教學存在的問題類似［5］，線下風洞實驗教學也存在以下兩大問題：①高成本，整車風洞建設成本巨大，目前國內試驗資源緊張、使用費用昂貴；②高危險，風洞試驗涉及整車模型安裝調試、高風速流場、高能量激光［6、7］和煙霧顆粒［8］等，實驗過程對操作要求較高，非熟練人員使用具有一定風險。上述兩點直接限制了整車風洞在實驗教學中的應用，目前的常規實驗教學，通常以參觀和演示為主，無法保障學生的直接參與和實際操作，學生對講授知識只能被動吸收，難以調動學生對該課程學習的積極性，也難以培養學生的動手操作能力。

本文依托整車風洞，構建虛擬風洞實驗場景，同時融合計算流體力學［9］與虛擬現實技術［10-11］，建設整車風洞空氣動力學測試虛擬仿真教學項目。讓學生在虛擬風洞場景中身臨其境地學習風洞結構與原理、掌握風洞試驗實際操作過程并全方位觀察豐富的流動數據以探索汽車空氣動力學與汽車車身設計之間的關系。

1 虛擬仿真教學方案

1.1 教學理念

實驗教學瞄準培養具有扎實專業知識和工程問題分析能力的創新型人才，堅持以“學生為中心、由淺入深、結果導向”的原則，實驗環節層層遞進，將基本原理與實踐能力培養深入融合，引導學生進行自主探究式學習，深入理解汽車空氣動力學設計原理和方法。

教學設計整體思路如圖1所示。建立沉浸式學習場景，融入任務驅動式教學、案例式教學、情景式教學、線上線下混合教學、自主探究式教學等多種教學方法，充分調動學生的主觀能動性，激發學習興趣。通過“認知-實踐-探究”的層層遞進，由淺入深逐步增加實驗難度，體現實驗的挑戰。從學習能力、專業知識、創新思維等多個角度培養學生的綜合能力。以全面的考核體系，融合操作步驟考核、知識問答，現象分析等多項內容對使用者進行考核。

圖1 虛擬仿真教學思路

1.2 課程特色

虛擬仿真教學系統依托汽車整車風洞，該科研平臺有先進的測量設備和豐富的實驗數據。實驗系統實現多個風洞應用場景的高仿真度，多層次的人機交互，融合真實實驗數據、測試流程和計算流體力學模擬結果，建成全過程、多場景、浸入式汽車整車風洞空氣動力學測試虛擬仿真內容。

教學系統是科研反哺教學案例。實驗模型采用國際通用的汽車標準模型，團隊針對最小氣動阻力體優化設計的科研成果，搭建以學生設計低風阻汽車造型為目標的探究性環節。學生在虛擬場景下通過組合汽車造型，探究空氣動力學阻力特性，深入理解汽車車身氣動優化設計的原理。

課程內容涉及汽車空氣動力學、汽車設計、汽車試驗學和流體力學等多學科的交叉融合，培養學生對汽車空氣動力學優化設計實際問題的分析和解決能力，確保課程的高階性。測試和探究模塊內容采用國際通用的汽車標準模型，依托團隊的科研成果［12-15］，設計多參數變量，引導學生自主探究汽車造型與空氣動力學特性之間的關系，實現課程的創新。

以實際風洞為依托，使得虛擬仿真的真實感有極強的保障。大量的科研數據，包括風洞實測數據以及經過試驗驗證的高精度仿真數據使得虛擬仿真結果的準確性與可靠性都有強有力的支撐。虛仿試驗的具體還原程度見第3節。

2 平臺構架設計

2.1 模塊設置

根據認知規律，從“整車風洞構造與原理認知”-“風洞氣動實驗流程與操作”-“車身造型空氣動力學特性探究”3個層面構建實驗教學內容，具體內容如圖2所示。

圖2 虛擬仿真實驗的平臺構架

（1）基礎認知模塊。即風洞認知，通過風洞概覽、風洞原理和風洞漫游的學習探索，在虛擬風洞場景中全方位觀察和了解汽車風洞的基本組成、基本原理以及關鍵部件的特征。

（2）實踐提高模塊。即氣動實驗，以風洞實驗進行汽車空氣動力學研究為切入點，融合多元教學方法，按照車輛參數測量、車輛安裝、測力、測壓和煙流顯示實驗這5個關鍵步驟和流程，直觀高效地傳授汽車空氣動力學測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，以學生設計低風阻車身為目標，提供4類可變換參數，獲得不同車身造型組合，培養學生將汽車空氣動力學理論知識用來指導汽車車身設計以及分析工程實際問題的能力。

2.2 軟件構架

汽車風洞空氣動力學測試虛擬仿真項目的開放、運行依托開放式虛擬仿真實驗教學管理平臺的支撐，二者通過數據接口無縫對接，保證用戶能夠隨時隨地通過瀏覽器訪問該項目，并通過平臺提供的面向用戶的智能指導、自動批改服務功能，盡可能幫助用戶實現自主實驗，提升開放服務效果。軟件構架如圖3所示。

圖3 軟件系統總體架構圖

支撐項目運行的平臺及項目運行架構共分為5層，每一層都為其上層提供服務，直到完成具體虛擬實驗教學環境的構建。

（1）數據層。實現汽車風洞空氣動力學測試實驗對應數據的存放和管理。

（2）支撐層。負責整個基礎系統的運行、維護和管理。

（3）通用服務層。提供虛擬實驗教學環境的一些通用支持組件，以便用戶在虛擬環境下完成實驗。

（4）仿真層。基于三維建模軟件solidworks、Unity3D對實驗場景和設備構件進行建模與裝配、儀器開發并提供通用的仿真器，為應用層提供實驗結果數據的格式化輸出。

（5）應用層。基于底層的服務，最終實現汽車風洞空氣動力學測試仿真實驗項目教學與開放共享。

軟件基于HTML5構架、WebGL技術，使用solidworks進行三維建模和Unity3D工具進行渲染，在Windows Server運行環境下有著良好的兼容性，可在Windows、Android等多種操作系統下遠程運行。

3 平臺建成效果

3.1 課程軟件內容

進入教學平臺后，經過界面進入如圖4所示的模塊選擇界面，在此可選擇“風洞認知”“空氣動力學實驗”“探究性實驗”3大模塊，將鼠標移動至模塊并彩色顯示后，點擊即可進入該模塊進行試驗操作。

圖4 模塊選擇界面

模塊1風洞認知。風洞認知包括“風洞概覽”“功能認知”及“內部漫游”3部分。此模塊主要注重風洞相關知識的了解。

前兩部分如圖5所示，在星空背景下呈現三維風洞模型，對風洞基本原理及功能進行概述，可分別點擊風洞流道結構的組成部分，對每一個構件的功能進行詳細的介紹。

圖5 風洞概覽與認知模塊

風洞內部場景漫游部分如圖6所示，學生可以通過鍵盤進行前、后左、右移動，通過鼠標全方位調整視角，在整個風洞流道內自由漫游。在進入該場景后，對風洞中與空氣動力學課程相關的關鍵設施，如天平移動帶、地面模擬系統、噴口、收集口及風機等關鍵設備還有高亮提示，點擊后有進一步的詳細說明供學生進行進一步的學習。

圖6 內部漫游場景

模塊2空氣動力學試驗。空氣動力學試驗包括“汽車參數測量及模型安裝”“測力試驗”“測壓試驗”以及“煙流試驗”4部分，試驗在虛仿風洞環境中進行，通過與實際風洞控制電腦內相類似并經過一定美化后的控制面板與測量面板完成操作，過程與實際風洞測試完全一致。此模塊的內容主要注重風洞操作技能相關知識的學習。

測力試驗場景如圖7所示，可設置參數包括輔助設備、風速、偏航角及地面模擬等。測量可獲得6分量力并要求學生按照提示計算相應力系數。

圖7 測力實驗測量界面

測壓模塊在車身表面中心對稱軸上安裝壓力傳感貼片進行測壓，測試完成后還須對壓力分布變化的原因進行分析，具體如圖8所示。

圖8 測壓結果分析

模塊3探究性試驗。探究性試驗讓學生通過自主選擇關鍵車身模塊形成不同造型，再進行試驗測量，充分發揮探索精神，通過盡可能多的方案探尋汽車造型對空氣動力學的影響。

在車身基礎上，正確選擇車頭、前風窗、后風窗、車尾底部4部分車身造型模塊，組成車輛造型。參考模塊2中的測試方法，點選所需的測試狀態“風速”“偏航角”并獲點選測量；分析相應的力系數與表面壓力分布曲線。讓學生自主分析各個造型之間的空氣動力學性能差別，引導學生以“造型→流場→表面力→總力（系數）”這一技術路線分析造型與空氣動力學表現之間的關系。具體界面如圖9所示。

圖9 探究試驗場景

3.2 虛擬仿真要素還原程度

本實驗的各要素仿真還原度如下：

（1）對汽車風洞實驗環境高度還原仿真。本課程面向工程的汽車空氣動力學實驗進行虛擬仿真，實驗場景與實際風洞場景完全一致，并真實再現實驗過程。真實與虛仿的比較如圖10所示。學生以第一視角進入虛擬仿真實驗系統，了解實驗過程，并完成實踐操作和自主探究實驗等任務。通過交互式仿真流程和動態畫面再現一個仿真度高、體驗感強和趣味性足的實際情境，使學生有身臨其境的感覺。

圖10 真實與虛擬仿真場景的比較

（2）基于汽車國際通用標準模型和實驗數據。實驗對象采用汽車標準模型DrivAer和MIRA（米拉）車型，模型還原度如圖11所示。通過改變風速、側偏角以及車模后風窗傾角等變量，觀察汽車模型氣動力和流場的變化；實驗數據均基于風洞實驗測試得到，保證虛擬仿真結果準確性。

圖11 真實與虛擬仿真模型的比較

（3）對實驗流程與具體操作精細真實復現。利用虛擬仿真技術模擬風洞實驗測試的全流程實踐操作，真實反映風洞實驗狀態，融合計算流體力學的流場數據，實現汽車周圍流場可視化，提供交互式仿真流程，供學生在虛擬風洞場景中全方位觀察流動數據，隨意進行旋轉、移動、縮放操作，分析探索流動機理，充分調動學生的主觀能動性，激發學習興趣。

3.3 教學使用效果

此仿真教學平臺自開發完成上線后，已服務校內多個年級相關專業學生1 500余人時，通過此虛擬仿真課程學習，原本在理論課與實驗觀摩課中難以掌握的細節得到充分展示，提高了教學質量，獲得了廣泛好評。

作為國內高校唯一的汽車整車風洞設施，未來1～2年內，本課程將在開設車輛工程專業的兄弟院校間進行虛擬仿真實驗項目的推廣并聽取持續改進意見；未來2～3年內將進一步拓展應用領域，計劃優先在對口支援高校和本校其他相關專業，如航空航天與力學專業、土木工程專業作為實驗教學環節進行推廣。未來3～5年內，將逐步全面向社會開放，為企業研發測試工程師培訓和技術工人職業技能培訓以及青少年科普提供學習平臺。

4 結 語

汽車風洞虛擬仿真平臺可供學生在風洞場景中全方位觀察豐富的流動數據，分析探索流動機理，深入理解汽車空氣動力學設計原理，充分調動學生的主觀能動性，激發學習興趣。通過虛擬仿真實驗，可以有效解決傳統風洞實驗教學中學生無法進行實際操作的不足。

此開放式虛擬仿真實驗教學管理平臺以計算機仿真技術、多媒體技術和網絡技術為依托，采用面向服務的軟件架構開發，集實物仿真、創新設計、智能指導、虛擬實驗結果自動批改和教學管理于一體，具有良好的自主性、交互性和可擴展性。