數值模擬試驗在空氣動力學教學改革中的應用

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摘要：

將數值模擬仿真應用于教學中，是近年提出的一個關于計算機輔助教學的全新的教學改革發展方向。探索了把數值模擬技術引入空氣動力學課程教學中的實現過程。首先分析了空氣動力學課程的特點及存在的問題，然后研究了數值模擬仿真試驗在課程教學中應用的優勢和實現途徑。實踐證明，在空氣動力學課程中增加一些CFD數值模擬仿真試驗環節，不僅能夠促進學生對理論知識的學習，還能夠培養學生的動手能力，激發學生的創新和探索精神。

關鍵詞：

空氣動力學；CFD；仿真試驗；數值模擬

“數值模擬仿真應用于教學”，是近年提出的一個關于計算機輔助教學的全新的教學改革發展方向。隨著數值模擬仿真技術的不斷發展與進步，一些教學工作者已嘗試將數值模擬技術應用到“氣體動力學”等課程的教學中，并取得了良好的教學效果。然而，據所查文獻來看，目前數值模擬技術在空氣動力學課程教學中的應用研究很少且不完善，有必要進一步研究。本文以空氣動力學課程為例，探索把數值模擬技術引入課程教學中的實現過程。實踐表明，在空氣動力學課程中增加一些CFD數值模擬仿真試驗環節，有助于提升教學效果。

1空氣動力學課程實踐教學存在的問題

空氣動力學屬于實驗性課程，通過實驗，可以更好地學習課程內容。例如，講授機翼上產生升力的原理時，如果能夠讓學生親自在風洞中測量和分析機翼表面的壓力分布，將會使學生有更多的感性認識，更好地理解機翼上產生升力的原理。然而，傳統的實驗教學受實驗條件和招生規模的限制，難以滿足空氣動力學課程實踐教學的需要。我國由于在歷史上受傳統接受式教育模式的影響較大，課程體系與實踐性教學環節的設置方式比較接近。實踐教學項目主要包括低速翼型表面壓強分布測量實驗，Laval噴管多種運行工況的調試實驗，超音速翼型表面壓力分布及氣動力計算。傳統實驗教學的實踐教學項目陳舊，實踐內容設置主題不突出（難以圍繞一條主線），綜合強度、深度還不夠。另外，由于傳統實驗不可重復，出現設備少、分組實驗學生人數較多，演示性實驗多等問題，學生動手做實驗的機會很少，因此學生實驗積極性和參與度不高，更談不上培養學生的動手能力和思維創造能力。總體來說，與國外以培養研究能力和創新能力為宗旨的實踐教學相比，我國空氣動力學實踐教學還有很大差距，必須從整體教學理念、教學體系的建立等入手進行徹底的改革。

2數值模擬仿真試驗教學的應用

數值模擬試驗是指利用CFD技術對空氣動力學課程實驗教學中有關內容（重點、難點）進行數值模擬和仿真分析，并對數值模擬過程及結果以多媒體形式進行課堂演示。數值模擬仿真試驗輔助空氣動力學教學的優勢集中體現在以下幾方面。

2.1輔助課堂教學，提高課程教學質量

數值模擬仿真試驗能大大豐富空氣動力學中許多可教可學的內容，能把許多難教難學的內容變成易教易學的內容。這能夠極大地激發學生的學習興趣，逐漸消除學生學習空氣動力學的畏懼感，變“要我學”為“我要學”，讓學習空氣動力學變得更簡單。數值模擬仿真試驗還有利于開展研討課教學改革。例如，在課堂上提出問題“升力主要來自機翼的下表面還是上表面？”然后利用數值模擬仿真試驗結果給出翼型表面的壓力系數分布曲線，在教師的引導和啟發下，學生通過對壓力系數分布曲線的分析，最終得出“升力主要來自于翼型上表面前部”的結論。在教學過程中發現，學生在研討課上所獲取的知識更加扎實和靈活。

2.2補充傳統實驗，完善實踐教學

2.2.1預演常規教學實驗

對于翼型表面壓力測量實驗，可以利用數值模擬仿真試驗預演方法，使學生首先有充分的認識，然后再結合實際的試驗現象，則可以達到很好的教學效果。

2.2.2補充常規教學實驗

超音速翼型表面壓力分布實驗和繞圓柱非定常流動實驗均可以通過數值模擬仿真試驗進行。這些實驗在很多高校是無法進行的。

2.2.3不受時間、地點等的限制，教學效率高

采用互聯網技術的數值模擬仿真試驗將大大改善實驗室條件不足的問題，為實驗教學帶來重大變革。

2.3開展創新訓練項目，培養實踐創新能力

借助大學生創新訓練項目平臺，目前已有部分學生完成了二維翼型流動數值模擬仿真試驗。從試驗完成情況來看，此試驗項目可以切實增強學生運用空氣動力學知識獨立分析、解決實際問題的能力，也可以培養學生應用先進數字化工具進行研究的能力，為學生學習專業課程和進一步開展創新活動奠定良好的基礎。

3總結和展望

課程的改革既包括教學內容的更新，又包括教學方法的更新。空氣動力學中的許多概念是抽象難懂的，學生只通過看書和做題來學習空氣動力學課程是不夠的。作為教師，也要勇于創新，不斷應用新的數字化工具來更新教學方法。讓學生學會用數值模擬技術學習空氣動力學課程，讓教師學會用數值模擬技術進行空氣動力學教學，是當前和未來空氣動力學教學改革的方向。從目前開展的數值模擬仿真試驗情況來看，在空氣動力學教學中引入數值模擬仿真試驗不僅切實可行，還非常必要。

參考文獻

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作者:朱伯倫 張德先 單位:中國民航大學