基于虚拟风洞的流体力学实验教学实践研究

肖国权　尹泽裕　高存年

摘 要：针对流体力学教学中风洞实验难以开展的问题，提出构建虚拟风洞建设及运行与实验教学结合的目标。重点探讨了虚拟风洞在流体力学实验教学中的突出意义及其教学方式：（1）降低风洞实验教学成本，普及风洞实验教学，使学生得到充分的锻炼与实践;（2）实验过程直观化，抽象概念可视化，帮助学生加深理解CFD技术、流体力学课程和风洞实验流程;（3）引导学生思考优化风洞实验模型，教学与改善虚拟风洞实验平台相结合;（4）与工程案例相衔接，使风洞实验教学更具工程实践意义。

关键词：流体力学 虚拟风洞 实验教学 教学实践

Research on Experimental Teaching Practice of Fluid Mechanics Based on Virtual Wind Tunnel

Xiao Guoquan Yin Zeyu Gao Cunnian

Abstract：Aiming at the difficulty of conducting wind tunnel experiments in fluid mechanics teaching， the goal of constructing a virtual wind tunnel construction and operation combined with experimental teaching is put forward. The emphasis is on the prominent significance of virtual wind tunnel in fluid mechanics experiment teaching and its teaching methods： （1） reducing the cost of wind tunnel experiment teaching， popularize wind tunnel experiment teaching， so that students can get adequate exercise and practice; （2） experiment process visualization and visualization of abstract concepts help students deepen their understanding of CFD technology， fluid mechanics courses and wind tunnel experiment procedures; （3） guiding students to think about optimizing wind tunnel experimental models， combining teaching and improving virtual wind tunnel experimental platforms; （4） and the connection of engineering cases makes the wind tunnel experiment teaching of  engineering practical significance.

Key words：fluid mechanics， virtual wind tunnel， experimental teaching， teaching practice

1 引言

風洞实验可以研究气体流动及其与模型的相互作用，帮助学生在实验过程中了解气体流动对汽车行驶、飞行器飞行的作用，进一步了解汽车、飞行器外形设计在空气动力学中的重要意义。

风洞实验成本高昂，干扰因素多且存在一定安全隐患，实验结果随机性大，难以与理论教学相结合。引入虚拟风洞实验系统降低成本，使学生理解风洞实验工作原理及流程，将抽象气体流动对模型的作用具象化，探索虚拟风洞实验与实际空气动力学实验的融合。

2 引入虚拟风洞的教学意义

虚拟风洞可应用于《流体力学》、《汽车空气动力学与造型设计》、《CFD建模与仿真技术》等课程的教学。这些课程的知识量大，概念抽象且难以理解，理论知识与工程实践紧密结合，存在大量个性案例，需要具体分析。单纯的理论学习无法通过实验实践得到有效的应用和反馈，无法生动形象地展示气体流动对于汽车行驶及飞行器飞行过程的作用，学生无法扎实地掌握相关知识并灵活地运用于各式各样的工程案例，教学效率不高。在教学过程中引入虚拟风洞实验有助于实现气体流动可视化、通过虚拟现实技术根据实际案例建立设置车辆和飞行器模型;加深学生对于风洞结构和工作方式的理解;定量认识空气阻力的形成和对汽车行驶的影响;修正实验过程中干扰因素的影响以提高实验结果的准确性。

3 虚拟风洞教学实践

3.1 流体流线可视化，直观化

空气是无色无形，流体流线、控制体等概念抽象且晦涩难懂。通过虚拟风洞和CFD仿真技术可将这些概念图像化，帮助学生理解和加深记忆。譬如通过CFD表现汽车周围的流线，如图1所示。

由图1可知，流体力学理论教学过程中注重从一般现象推导基本公式，通过雷诺数、库朗数、斯特劳哈尔数表征流体的不同属性。理论教学仅仅通过数字和图形表征流体的速度、压强等属性，无法直观、生动形象地表征流体的流动和作用过程，空气与汽车和飞行器的相互作用无法被直观地感受到。

通过虚拟风洞和CFD仿真，可生动形象地表征出流体的运动过程和分布情况，便于清楚地观察到流体对模型的作用，模型在流体中的运动和受力情况。仿真结果的可视化提供了直观的分析结果，学生可以更加清楚地感受到流体速度和压强随空间和时间的变化过程。譬如通过不同颜色表现汽车周围流体的压力分布和速度分布分别如图1和图2所示。

3.2 运用虚拟现实技术建立及优化模型

流体力学对于不同的流动状况有不同的修正，内容复杂繁琐。理论教学中难以复现大多数程案例巩固所学知识，现实的风洞实验又需要耗费大量的资金和时间，难以开展实验教学。

基于已有的理论知识和虚拟仿真结果可以构建直观的三维立体汽车和飞行器等模型和风洞场景，节省了实际搭建模型和风洞的巨额成本。学生可以身临其境地感受到空气与汽車或飞行器的相互作用。建立的模型可以自由地移动、旋转、缩放，观察风洞实验场景中的不同布置对实验结果的影响。也可以通过建立典型模型（流线型，三角翼型）验证流体力学理论。CFD仿真结果也可为外形设计提供优化建议，并通过仿真实验，加深理论知识的理解及其与工程实践的关系。

3.3 学习风洞结构及其工作方式

风洞设备体积大，造价高昂，实验费用昂贵。风洞实验设备操作、模型制作、传感器安装等要求高，运行维护费用巨大。部分风洞实验涉及高温高压气体和设备，学生作为新手操作存在安全隐患。因此在流体力学教学中，进行大量的风洞实验不太现实，不能充分实践，学生无法体验完整的操作流程。

虚拟风洞平台提供可供操作与互动的仿真实验场景，复现洞体、驱动系统、测量控制系统等主要系统部件，通过虚拟现实技术复现相关测试设备的搭建、摆放、安装。根据实验段所需气流速度的大小，风洞又分为低速、高速和高超声速风洞。学生可根据风洞实验要求选择对应的低速、高速和高超声速风洞，甚至可在虚拟实验场景中提供不同功率数值的电机组及所带动的风扇搭建符合实验要求的风洞驱动系统，加深学生对风洞的组成及其结构的认识。通过虚拟现实技术，学生以第一视角进入虚拟风洞试验段，如图3所示。

仿照真实的风洞实验学习流程，学生在虚拟风洞实验前应先认真阅读相关实验准则和操作步骤。实验中学生将提供的模型或预先建立好的模型正确安放在风洞实验段，根据实验要求正确安装托管、传感器等，并根据提示关闭舱门，启动电机组，调整风速，校准测量系统，输入并记录当前环境参数，然后运转风洞达到预定的实验风速，通过虚拟现实引擎以视频形式展现逼真的实验效果，并可根据输入的数据在后台仿真，给出实验报告，可打印记录实验报告。

以汽车虚拟风洞实验为例，学生进入实验大厅后，经过测试了解阻塞比、皮托管、风洞驻室等概念，通过鼠标及键盘正确摆放车辆模型，安装皮托管，校准测量系统，确认并记录实验段环境和实验段（至少在整车实车或模型的尺寸范围内）的流场品质参数指标，温度在测量环境下保持在20.2℃，相对湿度保持在45%～75%。然后挂至驻车档，运转风洞分别测试不同风速（怠速3.6km/h、低速18km/h、中速60km/h、高速120km/h 和 超 速180km/h 的阻力，确认并记录 15 秒以上。最后得出数据报告，例如五种工况测点压力曲线图如图4所示。

通过上述实验学生可以熟悉汽车安装准则，测试系统的安装步骤和要求，较为完整地体验风洞实验的流程，并能根据虚拟风洞实验的结果验证已有理论，加深流体力学理论知识的理解。

3.4 优化虚拟风洞实验

风洞实验基于相对性原理，通过风机提供不同风速代表汽车不同的行驶速度，模拟真实环境下汽车行驶过程。真实环境下汽车行驶是在开放的环境下，风洞实验环境则是封闭的，汽车模型相对风洞保持静止，风洞实验需满足雷诺数相似原理。实际风洞改造和设备维护耗时耗力，且不易修改，容错率低。虚拟风洞实验平台上则可根据存在的问题针对性地改进虚拟风洞结构，修正流场参数。在教学过程中，根据实际工程案例与风洞实验情况，可引导学生在虚拟风洞实验平台上加以修改优化，以贴近真实环境。例如风洞环境中风洞壁面和汽车支架等会对实验流场产生干扰，可以用学生探索如何优化设计。

4 结束语

将虚拟风洞引入流体力学实验教学中，具有实验直观性、低成本性、高互动性等优点。教学中学生通过虚拟风洞平台可以充分了解风洞结构及其实验流程，评估改正实验操作和实验报告，为真实风洞实验打下坚实基础，衔接线上与线下教学。同时在虚拟风洞实验过程中可引导学生发现问题，优化实验，使他们更好地理论联系实际。

基金项目：2018年华南理工大学校级教研教改项目（Y1180521），2020年华南理工大学虚拟仿真实验教学项目（x2jqC9202045）。

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