GSP軟件在航空發動機特性教學中的探索與實踐

張華磊 王平 呂雪燕 羅艷春 崔連柱 鄧俊 陳宇

摘??要：針對目前教學中存在的教學方法單一、重理論和輕實踐的現實問題，為了進一步提高航空發動機特性的教學效果，我校積極探索將成熟的航空發動機特性專業仿真軟件GSP融入到課程教學中。介紹了GSP軟件的主要功能，并通過課前布置軟件預習作業、課中邊學邊練、課后開展虛擬實驗等方式將GSP軟件融入到教學全過程，結果表明，該教學方法能夠極大的激發學生的學習興趣，提升學生自主探索的能力，使得學生的獨創性和自主學習得到充分發揮，對于激發學生的運用、分析、綜合、評價高階思維能力起到了重要作用，獲得了較好的教學效果。

關鍵詞：航空發動機特性；GSP軟件；教學改革；數值仿真中圖分類號：G642???文獻標志碼：A

Exploration?and?Practice?of?Integrating?GSP?Software?into?Aeroengine?Characteristics?Teaching

Zhang?Hualei????Wang?Ping???Lv?Xueyan??Luo?Yanchun??Cui?Lianzhu??Deng?Jun??Chen?Yu

Aviation?University?of?Air?Force???JilinChangchun??130022

Abstract：?In?order?to?improve?the?teaching?effect?of?aeroengine?characteristics，?our?school?explores?the?integration?of?GSP?software?of?aeroengine?characteristics?into?the?course?as?the?current?teaching?methods?is?unitary，?emphasize?theory?and?neglect?practice.?This?paper?introduces?the?main?functions?of?GSP?software，?and?integrates?GSP?software?into?the?whole?teaching?process?through?software?preview?before?class，?practices?in?class，?and?virtual?experiments?after?class.?The?results?show?that?this?teaching?method?can?greatly?stimulate?students'?learning?interest，?improve?students'?ability?of?independent?exploration，?give?full?play?to?students'?originality?and?independent?learning，?and?stimulate?students'?application，?analysis，?synthesis?This?method?has?played?an?important?role?in?training?the?students?higher-order?thinking?ability?and?achieves?good?teaching?effects.

Keywords：?aeroengine?characteristics；GSP?software；teaching?reform；numerical?simulation

航空發動機特性是指同一臺發動機在不同飛行條件下和不同調節規律下發動機主要性能參數的變化情況。發動機特性常常利用高空試驗臺通過實驗的方法獲得。隨著計算機技術的發展，采用數值仿真的方法計算航空發動機特性逐漸得到廣泛應用。由于航空發動機特性試驗常常需要非常復雜、龐大、昂貴的設備，測量的參數相對較少，危險系數高，因此這就導致在通過實驗的方法講授航空發動機特性很難實現，為了解決這個問題，我們將發動機性能計算軟件GSP引入到課堂教學中來輔助教學，通過數值計算的方式將抽象的理論直觀地驗證、講授，課后學生可以利用軟件開展虛擬仿真實驗，進而提高了教學效果，培養了學生的高階思維能力。

一、航空發動機特性教學現狀

（一）航空發動機特性教學內容

航空發動機特性是航空發動機相關課程中學生必須要掌握的知識點，建立在各部件工作原理及特性的基礎之上，是對發動機部件特性的綜合性高階應用，因此掌握航空發動機特性對于理解航空發動機原理至關重要。該部分主要講授航空發動機各部件之間的相互匹配關系、三大特性、過渡工作特性、發動機使用特性以及控制規律等內容，涉及到渦噴、渦扇、渦軸、渦槳發動機4種類型的多種型號的發動機[1]。

（二）航空發動機特性教學特點

根據航空發動機特性的教學內容，我們總結出了發動機教學中的教學特點。

1.教學內容抽象

航空發動機特性教學的最大特點是教學內容抽象。航空發動機特性主要關注發動機各部件的匹配工作以及匹配工作下的總體性能，而不關注各部件的內部流動情況，這是與部件教學內容的最大區別。在部件教學內容中，雖然空氣流動和發動機內部結構不可見，但是可以通過動畫、三維模型[2]等展示部件的原理、結構等來提高教學效果，但是對于發動機特性教學，由于研究的是各部件相互影響、相互約束、協同工作，影響因素眾多，而且各種影響因素相互耦合在一起，很難通過動畫展示各部件的相互關聯。

2.涵蓋知識面廣、內容系統性強

發動機特性教學內容融合了工程熱力學、發動機部件工作原理及特性等大量的前期知識基礎，又涉及到渦噴、渦扇、渦槳和渦軸多類型的動力裝置，每種類型發動機又可以細分不同類型發動機，每種類型發動機又涉及到各部件的共同工作、穩態和動態特性、發動機的控制規律以及發動機的使用等。各個類型發動機之間既有聯系，又有差別，甚至同一影響因素對于不同類型的發動機的影響結果是相反的，這導致這部分內容的知識多維、立體，涉及的專業知識點多、概念多、容易混淆。

（三）存在的主要問題

基于航空發動機特性的教學特點，結合近些年的教學情況，發現航空發動機特性教學中存在兩個典型問題。

1.教學方法單一

目前對于航空發動機特性教學內容，主要是采用講授法。比如在發動機匹配工作中，教學內容主要基于一定的模型假設和航空發動機各部件相互約束關系，結合復雜的各部件熱力學關系公式推導得出共同工作線方程，并分析飛行條件、幾何變化等對發動機工作點的影響。經過多年的教學，這種教學方法已經發展的比較完善，但是從教學效果來看，并不太理想，學生在上課過程中面對復雜的公式推導，容易產生厭煩情緒，學習積極性較差。學生學完相關知識之后，往往抓不住重點，對知識的理解、消化、吸收不徹底，看似明白，然而針對實際問題分析時又無從下手，捉襟見肘。

2.教學重理論、輕實踐

航空發動機特性實驗需要在高空試車臺上完成，具有以下特點：實驗成本高，難以對大批學生開放教學；實驗風險大，發動機工作時轉速高、排氣溫度高。實驗采集到的數據有限，有些工況在實驗中難以實現。因此這也導致目前航空發動機特性的教學主要通過簡化的理論公式推導來進行講授，而無法通過教學實踐將理論公式和特性變化情況真正落地，導致學生很難深入理解發動機特性的關鍵影響因素及其變化規律和掌握發動機特性的分析方法，學生的學習體驗感和獲得感不強，分析問題、解決問題的能力沒有得到提高，與課程教學目標還有不少的差距。

為了進一步提高航空發動機特性的教學效果，我校積極探索將成熟的航空發動機特性專業仿真軟件GSP融入到課程教學中，國外也有類似做法[3]。通過課前布置軟件預習作業、課中邊學邊練、課后開展虛擬實驗等方式將GSP軟件融入到教學全過程。

二、GSP軟件介紹

GSP軟件（gas?turbine?simulation?program）是歐洲國家航天實驗室開發的面向對象燃氣渦輪發動機總體性能分析軟件。GSP軟件是基于部件模型開發的零維發動機性能計算程序，采用面向對象的程序設計方法，用戶界面友好。用戶可以在集成環境窗口中，通過拖拽部件圖標以搭積木的方式構造任意結構形式的燃氣渦輪發動機，能夠比較準確地實現飛行包線內發動機的穩態和動態性能仿真，并能輸出發動機的性能數據和各部件的熱力學數據，計算結果可以直接導出或者借助GSP軟件完善的數據處理功能來直觀地進行展示[4]。GSP還配備有標準控制工具條，可以實現發動機的燃油控制、噴管面積控制、導向葉片控制等。

三、GSP軟件在航空發動機特性教學中的應用與實踐

（一）總體思路

為了更好地發揮GSP軟件在發動機特性中的作用，課程組首先將教學內容的知識點進行了梳理，確認哪些知識點可以結合GSP軟件進行展開，其次將GSP軟件的具體實施過程融入到課前、課中、課后三個教學階段。GSP軟件融入課堂的具體形式可以結合具體采用的教學方法來確定。此外還可以結合GSP軟件虛擬仿真實驗開展翻轉教學、混合式教學等。

（二）教學內容梳理

根據航空發動機特性教學內容，根據教學目標，結合GSP軟件的主要功能，課題組確定了課程內容知識點與GSP軟件輔助教學內容的對應關系，如表1所示。

（三）實施步驟

1.課前

課前關于GSP軟件運用主要基于以下兩方面考慮。一是讓學生結合教學內容熟悉GSP軟件的相關操作。為了盡快地讓學生熟悉軟件操作和使用以及軟件背后計算的基本原理，課題組錄制了軟件使用視頻教程，制作了簡易版軟件使用手冊，并利用課余時間來輔導學生學習GSP軟件。教程涵蓋了軟件的基本使用、不同類型發動機性能仿真模型的建立和求解、穩態和瞬態計算等，軟件使用的學習根據課程進度安排，遵循循序漸進的原則，從最簡單的單轉子渦噴發動機逐漸過渡到雙轉子渦噴發動機、渦扇發動機以及渦槳、渦軸發動機等。二是利用預先設置的思考題，通過讓學生開展部分發動機特性計算，引導學生在發動機性能計算中發現問題、思考問題。比如在發動機各部件的共同工作中，在課前預設的其中兩個問題是：①發動機各部件匹配工作時，需要滿足哪些條件，并根據仿真結果舉例說明。②利用GSP軟件構建的單轉子渦噴發動機模型計算發動機的共同工作線，飛行馬赫數和飛行高度變化時發動機的工作點和共同工作線會如何移動？共同工作線是靠近喘振邊界還是遠離喘振邊界，為什么？這些問題的提出有利于激發學生的學習興趣，也發揮了學生學習的主體作用，提高學生分析問題的能力。

2.課中

課中是GSP軟件發揮作用的主戰場。目前教學中的主要做法是將其穿插到課堂教學之中，讓學生親自動手計算發動機特性。這使得學生能夠很方便地觀察發動機推力和耗油率的變化以及發動機各部件匹配時工作點的變化情況，且當修改飛行條件和油門桿位置等參數時，可以實時、直觀地觀察到參數變化對發動機性能和各部件工作點的影響。獲得計算結果后，通過與書上的特性曲線、理論解釋進行對比分析，一方面對發動機特性來進行驗證，另外一方面學生可以嘗試根據計算結果對發動機特性的變化趨勢做理論分析，找出變化趨勢變化的內在邏輯，加深學生對知識的理解、消化和吸收。在這個過程中學生在老師的引導下能夠主動建構知識，這種方式獲得的知識學生印象才能夠更深刻，也培養了學生的學習能力以及高階思維。同時學生親自實踐獲得結果會使學生有較大的成就感，也就激發了他們的學習興趣。相對于傳統的理論講授，這種方式使得枯燥的理論知識變得形象、具體，使得教學過程有了具體的抓手，還可以使學生不受時間、空間和物質條件的限制驗證所學理論知識的正確性。另外，書上的理論講解往往只從一個角度進行解釋，而通過虛擬仿真實驗中學生的自主探索，很有可能給出另外一種解釋，這無疑具有很強的創新性。這種教學方式也正是“做中學、學中做”的教學理念地體現，即在教學過程中老師和學生雙方邊教、邊學、邊做，它充分發揮了教師的主導作用和突出了學生的主體地位，這一理念的實施，也必將直接的改變學生的學習方式。

GSP在課堂上的具體融入形式，老師可以根據教學內容自行設計，課題組主要采用了如下兩種方法。（1）翻轉課堂：學生將預習過程中分析不明白的問題帶入課堂，在課堂上采用討論的方式，結合教師講授開展學習，然后開展相應的發動機特性計算，進一步鞏固知識，破解疑惑；（2）對比學習。比如在講解不同類型發動機特性、控制規律對發動機特性影響的教學中就利用GSP計算來對比分析發動機特性。

3.課后

課后主要是讓學生在課余時間利用GSP軟件開展航空發動機特性虛擬仿真自主性實驗。學生可以根據研究的興趣，自主地選擇實驗的發動機類型、設置發動機參數，獨立完成發動機性能實驗，分析選定的分析參數對發動機工作特性的影響。讓學生自主探索不同類型航空發動機的部件參數、特性、使用條件、燃油控制對發動機性能的影響，學生既可以開展限定性實驗，也可以開展設計性、自主性、開放性實驗，即由老師給定的實驗題目、實驗要求及可供學生選擇的實驗條件，由學生自己提出設計思想、擬定實驗方案，確定虛擬實驗條件、實驗參數，并基本獨立完成實驗的全過程。

通過將GSP軟件融入到課前、課中、課后的教學環節中，解決了發動機教學過程中教學方法單一、教學重理論輕實踐的教學難題，使得學生能夠課下根據自己的實踐隨時、隨地利用軟件開展發動機特性仿真。在上課之前，學生已具備對發動機特性初步認知，老師可以根據學生預習情況開展更深入的研討式教學活動，以及教師對于重點、難點、反饋的共性問題進行針對性講授。實現了從驗證式教學模式向探究式教學模式過渡，由灌輸式教學模式向引導式再到自主式學習模式的轉變。

結語

航空發動機特性教學內容抽象，涵蓋知識面廣、內容系統性強，涉及到4種不同類型的發動機，知識多維、立體，教學過程中學生容易產生厭煩情緒，學習積極性差，對知識的理解、消化、吸收不徹底，與教學目標還存在不少差距。在此背景下，課題組積極將航空發動機特性專業仿真軟件GSP引入到課堂教學全過程，實踐表明，利用GSP軟件能夠加深學生對知識的掌握，激發了學生的學習興趣，對于培養了學生自主學習能力起到了重要作用。

參考文獻：

[1]魏思東.航空動力裝置[M].?北京：航空工業出版社，2019.

[2]袁忠大，李航，張勇.?航空發動機課程計算機仿真教學研究[J].?裝備制造技術，2020（7）：3.

[3]Byerley?A?R，Rouser?K?P，DO?ODowd.?Exploring?GasTurb?12?for?Supplementary?Use?on?an?Introductory?Propulsion?Design?Project[C].?Asme?Turbo?Expo：?Turbomachinery?Technical?Conference?&?Exposition，2017.

[4]蘇三買，聶乾鑫.?燃氣渦輪發動機數值仿真軟件GSP綜述[C].?中國航空學會第三屆航空發動機可靠性學術交流會，2005.

作者簡介：張華磊（1991—??），男，漢族，河南周口人，博士，講師，研究方向：航空發動機。