数值模拟仿真试验在空气动力学教学改革中的应用研究

朱伯伦　张德先

摘 要：将数值模拟仿真应用于教学中，是近年提出的一个关于计算机辅助教学的全新的教学改革发展方向。探索了把数值模拟技术引入空气动力学课程教学中的实现过程。首先分析了空气动力学课程的特点及存在的问题，然后研究了数值模拟仿真试验在课程教学中应用的优势和实现途径。实践证明，在空气动力学课程中增加一些CFD数值模拟仿真试验环节，不仅能够促进学生对理论知识的学习，还能够培养学生的动手能力，激发学生的创新和探索精神。

关键词：空气动力学；CFD；仿真试验；数值模拟

中图分类号：G712 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.09.144

“数值模拟仿真应用于教学”，是近年提出的一个关于计算机辅助教学的全新的教学改革发展方向。随着数值模拟仿真技术的不断发展与进步，一些教学工作者已尝试将数值模拟技术应用到“气体动力学”等课程的教学中，并取得了良好的教学效果。然而，据所查文献来看，目前数值模拟技术在空气动力学课程教学中的应用研究很少且不完善，有必要进一步研究。

本文以空气动力学课程为例，探索把数值模拟技术引入课程教学中的实现过程。实践表明，在空气动力学课程中增加一些CFD数值模拟仿真试验环节，有助于提升教学效果。

1 空气动力学课程实践教学存在的问题

空气动力学属于实验性课程，通过实验，可以更好地学习课程内容。例如，讲授机翼上产生升力的原理时，如果能够让学生亲自在风洞中测量和分析机翼表面的压力分布，将会使学生有更多的感性认识，更好地理解机翼上产生升力的原理。

然而，传统的实验教学受实验条件和招生规模的限制，难以满足空气动力学课程实践教学的需要。我国由于在历史上受传统接受式教育模式的影响较大，课程体系与实践性教学环节的设置方式比较接近。实践教学项目主要包括低速翼型表面压强分布测量实验，Laval喷管多种运行工况的调试实验，超音速翼型表面压力分布及气动力计算。传统实验教学的实践教学项目陈旧，实践内容设置主题不突出（难以围绕一条主线），综合强度、深度还不够。另外，由于传统实验不可重复，出现设备少、分组实验学生人数较多，演示性实验多等问题，学生动手做实验的机会很少，因此学生实验积极性和参与度不高，更谈不上培养学生的动手能力和思维创造能力。总体来说，与国外以培养研究能力和创新能力为宗旨的实践教学相比，我国空气动力学实践教学还有很大差距，必须从整体教学理念、教学体系的建立等入手进行彻底的改革。

2 数值模拟仿真试验教学的应用

数值模拟试验是指利用CFD技术对空气动力学课程实验教学中有关内容（重点、难点）进行数值模拟和仿真分析，并对数值模拟过程及结果以多媒体形式进行课堂演示。数值模拟仿真试验辅助空气动力学教学的优势集中体现在以下几方面。

2.1 辅助课堂教学，提高课程教学质量

数值模拟仿真试验能大大丰富空气动力学中许多可教可学的内容，能把许多难教难学的内容变成易教易学的内容。这能够极大地激发学生的学习兴趣，逐渐消除学生学习空气动力学的畏惧感，变“要我学”为“我要学”，让学习空气动力学变得更简单。

数值模拟仿真试验还有利于开展研讨课教学改革。例如，在课堂上提出问题“升力主要来自机翼的下表面还是上表面？”然后利用数值模拟仿真试验结果给出翼型表面的压力系数分布曲线，在教师的引导和启发下，学生通过对压力系数分布曲线的分析，最终得出“升力主要来自于翼型上表面前部”的结论。在教学过程中发现，学生在研讨课上所获取的知识更加扎实和灵活。

2.2 补充传统实验，完善实践教学

2.2.1 预演常规教学实验

对于翼型表面压力测量实验，可以利用數值模拟仿真试验预演方法，使学生首先有充分的认识，然后再结合实际的试验现象，则可以达到很好的教学效果。

2.2.2 补充常规教学实验

超音速翼型表面压力分布实验和绕圆柱非定常流动实验均可以通过数值模拟仿真试验进行。这些实验在很多高校是无法进行的。

2.2.3 不受时间、地点等的限制，教学效率高

采用互联网技术的数值模拟仿真试验将大大改善实验室条件不足的问题，为实验教学带来重大变革。

2.3 开展创新训练项目，培养实践创新能力

借助大学生创新训练项目平台，目前已有部分学生完成了二维翼型流动数值模拟仿真试验。从试验完成情况来看，此试验项目可以切实增强学生运用空气动力学知识独立分析、解决实际问题的能力，也可以培养学生应用先进数字化工具进行研究的能力，为学生学习专业课程和进一步开展创新活动奠定良好的基础。

3 总结和展望

课程的改革既包括教学内容的更新，又包括教学方法的更新。空气动力学中的许多概念是抽象难懂的，学生只通过看书和做题来学习空气动力学课程是不够的。作为教师，也要勇于创新，不断应用新的数字化工具来更新教学方法。让学生学会用数值模拟技术学习空气动力学课程，让教师学会用数值模拟技术进行空气动力学教学，是当前和未来空气动力学教学改革的方向。从目前开展的数值模拟仿真试验情况来看，在空气动力学教学中引入数值模拟仿真试验不仅切实可行，还非常必要。

参考文献

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〔编辑：刘晓芳〕