汽車風(fēng)洞PIV流場測量的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺開發(fā)

［摘 要］ “汽車空氣動(dòng)力學(xué)”課程涉及大量的基本原理和典型三維流動(dòng)現(xiàn)象，僅依靠多媒體教學(xué)和簡單的演示實(shí)驗(yàn)難以講授清楚，不利于充分調(diào)動(dòng)和挖掘?qū)W生專業(yè)學(xué)習(xí)的興趣及熱情。通過構(gòu)建可操作的汽車風(fēng)洞虛擬場景，結(jié)合粒子圖像測速技術(shù)（PIV），同時(shí)應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）與虛擬仿真技術(shù)開發(fā)汽車周圍流場測量的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，以高效直觀地傳授汽車風(fēng)洞PIV流場測量的基本原理和操作規(guī)范，并使學(xué)生在虛擬風(fēng)洞場景中全方位觀察CFD提供的豐富流動(dòng)數(shù)據(jù)，樹立正確的流場認(rèn)知，深入理解汽車氣動(dòng)設(shè)計(jì)原理，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣。

［關(guān)鍵詞］ 汽車空氣動(dòng)力學(xué)；虛擬仿真；PIV；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

［基金項(xiàng)目］ 2022年度同濟(jì)大學(xué)第十七期實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革專項(xiàng)基金項(xiàng)目“汽車風(fēng)洞PIV流場測量的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”（1700104204）；上海市地面交通工具空氣動(dòng)力與熱環(huán)境模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（23DZ2229029）

［作者簡介］ 夏 超（1988—），男，河南焦作人，博士，同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院碩士生導(dǎo)師，主要從事汽車空氣動(dòng)力學(xué)研究；陳 力（1979—），女，江蘇南京人，博士，同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院高級工程師，主要從事汽車風(fēng)洞測試技術(shù)、科研平臺管理研究；賈 青（1979—），女，山東青島人，博士，同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院博士生導(dǎo)師（通信作者），主要從事汽車空氣動(dòng)力學(xué)研究。

引言

汽車風(fēng)洞是地面交通工具正向設(shè)計(jì)和自主研發(fā)所必不可少的基礎(chǔ)科研設(shè)施，可以進(jìn)行車輛空氣動(dòng)力學(xué)性能測試和車身氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)等［1-2］，以達(dá)到在優(yōu)化造型的同時(shí)，降低氣動(dòng)阻力來減少油耗，從而實(shí)現(xiàn)車輛節(jié)能減排的目的。同時(shí)，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)是“汽車空氣動(dòng)力學(xué)”課程教學(xué)的重要內(nèi)容，通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以了解汽車氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究的基本流程和原理［3］。目前，縮比模型風(fēng)洞和汽車整車風(fēng)洞等演示實(shí)驗(yàn)已應(yīng)用在實(shí)際教學(xué)活動(dòng)中。但傳統(tǒng)的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)教學(xué)仍存在以下問題：（1）“汽車空氣動(dòng)力學(xué)”課程涉及大量的基本原理和典型三維流動(dòng)現(xiàn)象，僅依靠PPT等多媒體教學(xué)和簡單的演示實(shí)驗(yàn)難以講授清楚，不利于充分調(diào)動(dòng)和挖掘?qū)W生專業(yè)學(xué)習(xí)的興趣及熱情；（2）近年來，逐漸發(fā)展成熟的流動(dòng)顯示和空間流場測量先進(jìn)技術(shù)，如粒子圖像測速技術(shù)（PIV），已在“汽車空氣動(dòng)力學(xué)”風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中得到廣泛應(yīng)用［4］。但由于PIV設(shè)備昂貴，涉及高能量激光、煙霧顆粒和高速相機(jī)等，實(shí)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)大，操作步驟繁多，耗時(shí)長，目前僅主要用于科研項(xiàng)目。在常規(guī)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，通常以參觀和演示實(shí)驗(yàn)為主，難以保障所有學(xué)生可直接參與和實(shí)際操作；風(fēng)洞PIV流場測量目前無法面向本科生普及，且面向研究生的培訓(xùn)成本也較高。

針對傳統(tǒng)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)教學(xué)中流場測量的局限性，本項(xiàng)目通過構(gòu)建可操作的虛擬風(fēng)洞場景，融合PIV這一科研設(shè)備，應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行流場測量的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)［5-7］。一方面，本項(xiàng)目可使學(xué)生及早接觸大型的科研設(shè)備，高效直觀地掌握汽車風(fēng)洞PIV流場測量的基本原理和操作規(guī)范，彌補(bǔ)傳統(tǒng)的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中學(xué)生無法進(jìn)行實(shí)際操作的不足；另一方面，本項(xiàng)目結(jié)合CFD技術(shù)，可使學(xué)生在虛擬風(fēng)洞場景中全方位觀察CFD提供的豐富的三維流動(dòng)數(shù)據(jù)，樹立正確的汽車周圍流場認(rèn)知，深入理解汽車氣動(dòng)設(shè)計(jì)原理，充分調(diào)動(dòng)主觀能動(dòng)性，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣?？傮w上，該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)對提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)參與度和教學(xué)效果具有重要意義。

一、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊設(shè)計(jì)

基于“汽車空氣動(dòng)力學(xué)”課程的具體教學(xué)內(nèi)容，制定汽車風(fēng)洞PIV流場測量的基本操作流程和規(guī)范；開發(fā)適合于本科教學(xué)的汽車風(fēng)洞PIV流場測量的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺，展示和講解PIV設(shè)備的組成、基本原理、測試流程及規(guī)范等；結(jié)合CFD和虛擬仿真技術(shù)，融入汽車典型尾部三維流場認(rèn)知實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生直觀地觀察典型汽車模型的流動(dòng)現(xiàn)象。汽車風(fēng)洞PIV流場測量虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺構(gòu)架具體內(nèi)容如圖1所示。根據(jù)認(rèn)知規(guī)律，從汽車風(fēng)洞認(rèn)知、PIV流場測量實(shí)驗(yàn)、汽車尾部流場認(rèn)知三個(gè)層面構(gòu)建實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，并在項(xiàng)目的每一部分都通過知識介紹和考核環(huán)節(jié)相結(jié)合的形式來達(dá)到更好的教學(xué)效果。

1.基礎(chǔ)認(rèn)知模塊，即汽車風(fēng)洞認(rèn)知。通過對風(fēng)洞的學(xué)習(xí)探索，學(xué)生可在虛擬風(fēng)洞場景中全方位觀察和了解汽車風(fēng)洞的基本組成、基本原理及關(guān)鍵部件的特征。

2.實(shí)踐提高模塊，即PIV流場測量實(shí)驗(yàn)。以汽車周圍流場測量為切入點(diǎn)，按照實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹x器組成、基本原理和操作基本流程等關(guān)鍵步驟，教師直觀高效地傳授汽車風(fēng)洞PIV流場測量的基本原理和方法。

3.拓展認(rèn)知模塊，即汽車尾部流場認(rèn)知。通過融合CFD和虛擬仿真技術(shù)，以三種典型汽車尾部模型的流場數(shù)據(jù)為例，讓學(xué)生在虛擬風(fēng)洞場景中全方位觀察豐富的流動(dòng)結(jié)構(gòu)，隨意進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)、縮放操作，樹立正確的汽車周圍流場認(rèn)知。

二、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺建設(shè)實(shí)施過程

本項(xiàng)目基于汽車整車風(fēng)洞，利用CFD和虛擬仿真技術(shù)開發(fā)汽車風(fēng)洞PIV流場測量的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，具體實(shí)施過程如下。

首先，構(gòu)建汽車風(fēng)洞關(guān)鍵部件、PIV相關(guān)設(shè)備和汽車標(biāo)準(zhǔn)測試模型的三維CAD。

其次，利用PIV和CFD分別進(jìn)行三種汽車標(biāo)模的流場測量和流場數(shù)值模擬，獲取其平面和三維的流場數(shù)據(jù)。

最后，采用Unity3D虛擬現(xiàn)實(shí)軟件，集成設(shè)備三維CAD、三維場景、PIV流場測量結(jié)果以及CFD三維流場等數(shù)據(jù)，構(gòu)建汽車風(fēng)洞PIV流場測量的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺。

三、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺建設(shè)效果

進(jìn)入教學(xué)平臺后，進(jìn)入模塊選擇界面，可選擇汽車風(fēng)洞認(rèn)知、PIV流場測量實(shí)驗(yàn)和汽車尾部流場認(rèn)知三大模塊，即將鼠標(biāo)移動(dòng)至模塊并彩色顯示后，點(diǎn)擊即可進(jìn)入該模塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。

1.汽車風(fēng)洞認(rèn)知模塊。完全復(fù)現(xiàn)汽車整車風(fēng)洞的三維模型，如圖2所示，學(xué)生進(jìn)入該模塊后，可以通過鍵盤進(jìn)行前后左右移動(dòng)，通過鼠標(biāo)全方位調(diào)整視角，在整個(gè)風(fēng)洞流道內(nèi)自由漫游。在進(jìn)入該場景后，對風(fēng)洞中與空氣動(dòng)力學(xué)相關(guān)的關(guān)鍵設(shè)施設(shè)有高亮提示，點(diǎn)擊后有進(jìn)一步的詳細(xì)說明以供學(xué)生進(jìn)行進(jìn)一步的學(xué)習(xí)。

2.PIV流場測量實(shí)驗(yàn)?zāi)K。如圖3所示，學(xué)生進(jìn)入該模塊后，主要完成以下幾個(gè)關(guān)鍵交互步驟：（1）通過PIV系統(tǒng)示意圖了解PIV測量的基本原理；（2）進(jìn)入風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段，在更直觀地觀察PIV各部件的同時(shí)，按照提示搭建PIV系統(tǒng)；（3）調(diào)整測量平面位置的標(biāo)定板、調(diào)節(jié)激光器和片光源；（4）調(diào)整CCD相機(jī)的光圈和焦距；（5）利用ISIGHT 4G軟件測量標(biāo)定；（6）進(jìn)行PIV拍攝測量和后處理得到尾部速度流線圖。

3.汽車尾部流場認(rèn)知模塊。如圖4所示，學(xué)生進(jìn)入該模塊后，可以全方位觀察CFD提供的二維和三維尾部流動(dòng)數(shù)據(jù)，隨意進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)、縮放操作，樹立正確的汽車周圍流場認(rèn)知，分析探索流動(dòng)機(jī)理，深入理解汽車氣動(dòng)設(shè)計(jì)原理。

此仿真教學(xué)平臺的開發(fā)完成，是對教學(xué)團(tuán)隊(duì)之前開發(fā)的汽車整車風(fēng)洞空氣動(dòng)力學(xué)測試虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的重要補(bǔ)充和完善［8］，因?yàn)橹暗奶摲轮话苏囷L(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中傳統(tǒng)測力測壓環(huán)節(jié)的基本流程和操作，并未涉及PIV速度測量的流場可視化模塊，通過此虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，原本在理論課與實(shí)驗(yàn)觀摩課中難以使學(xué)生掌握的流動(dòng)細(xì)節(jié)得到了充分展示，提高了教學(xué)質(zhì)量，獲得了廣泛好評，讓本科生有機(jī)會(huì)了解汽車風(fēng)洞先進(jìn)的PIV空間流場測量方法，更好地理解和掌握汽車風(fēng)洞PIV流場測量技術(shù)，降低了學(xué)習(xí)和操作PIV測量設(shè)備的難度以及使用中的安全隱患。

結(jié)語

通過構(gòu)建可操作的虛擬汽車風(fēng)洞場景，融合PIV科研設(shè)備，同時(shí)應(yīng)用CFD與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行流場測量的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺開發(fā)，一方面，可使學(xué)生及早接觸大型的科研設(shè)備，高效直觀地掌握汽車風(fēng)洞PIV流場測量的基本原理和操作規(guī)范，彌補(bǔ)傳統(tǒng)的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中學(xué)生無法進(jìn)行實(shí)際操作的不足；另一方面，結(jié)合CFD技術(shù)，可使學(xué)生在虛擬風(fēng)洞場景中全方位觀察CFD提供的豐富的三維流動(dòng)數(shù)據(jù)，隨意進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)、縮放操作，樹立正確的汽車周圍流場認(rèn)知，分析探索流動(dòng)機(jī)理，深入理解汽車氣動(dòng)設(shè)計(jì)原理，充分調(diào)動(dòng)主觀能動(dòng)性，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣?？傮w上，該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺的建設(shè)對提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)參與度和教學(xué)效果都具有重要意義。

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Development of Virtual Simulation Experimental Teaching Platform for PIV Flow Field Measurement in Automotive Wind Tunnel

XIA Chaoa， b， CHEN Lia， b， JIA Qinga， b

（a. School of Automotive Studies， b. Shanghai Automotive Wind Tunnel Center， Tongji University， Shanghai 201804， China）

Abstract： The automotive aerodynamics course involves a large number of basic principles and typical three-dimensional flow phenomena， which are difficult to be explained clearly only by multimedia and simple demonstration experiments， and are not conducive to fully mobilizing and tapping the students’ interest and enthusiasm in professional learning. By constructing an operable virtual scene of automobile wind tunnel， combining particle image velocimetry （PIV） technology， and at the same time applying computational fluid dynamics （CFD） and virtual simulation technology， an experimental teaching platform for the measurement of the flow field around the automobile is developed. This platform can efficiently and intuitively teach the basic principles and operation specifications of PIV flow field measurement in automobile wind tunnel， and at the same time， it can be used for students to observe the rich flow data provided by CFD in the virtual wind tunnel scenario in an all-round way， to establish a correct perception of the flow field， to understand the principles of the pneumatic design of automobiles in-depth， and to fully mobilize the students’ subjective initiative and stimulate the interest in learning.

Key words： vechicle aerodynamics; virtual simulation; PIV; experimental teaching