以实托虚汽车风洞虚拟仿真教学平台设计

陈 力， 夏 超， 沈 哲， 孙 波

（同济大学 a.汽车学院；b.上海市地面交通工具风洞专业技术服务平台；c.机械与能源工程学院，上海 201804）

0 引 言

汽车是交通强国［1］、制造强国的重要组成部分。汽车空气动力学对汽车节能减排、舒适和安全至关重要。汽车风洞［2-3］正是汽车空气动力学研究和正向设计不可或缺的研发平台，可进行车辆空气动力学性能测试和车身气动优化设计等，以达到优化造型，同时降低气动阻力来减小油耗，实现车辆节能减排［4］的目的。汽车空气动力学是车辆工程专业课程体系中的重要内容，主要介绍汽车设计与空气动力特性的关系，具有很强的理论性和应用性，其研究内容是低能耗节能汽车车身设计的依据。汽车风洞实验是汽车空气动力学教学的重要环节，让学生了解汽车气动实验研究的基本流程和原理，树立正确的汽车气动特性认知，建立流动现象和抽象理论之间的联系，深入理解汽车气动设计原理。

和其他大型工程机械类实验教学存在的问题类似［5］，线下风洞实验教学也存在以下两大问题：①高成本，整车风洞建设成本巨大，目前国内试验资源紧张、使用费用昂贵；②高危险，风洞试验涉及整车模型安装调试、高风速流场、高能量激光［6、7］和烟雾颗粒［8］等，实验过程对操作要求较高，非熟练人员使用具有一定风险。上述两点直接限制了整车风洞在实验教学中的应用，目前的常规实验教学，通常以参观和演示为主，无法保障学生的直接参与和实际操作，学生对讲授知识只能被动吸收，难以调动学生对该课程学习的积极性，也难以培养学生的动手操作能力。

本文依托整车风洞，构建虚拟风洞实验场景，同时融合计算流体力学［9］与虚拟现实技术［10-11］，建设整车风洞空气动力学测试虚拟仿真教学项目。让学生在虚拟风洞场景中身临其境地学习风洞结构与原理、掌握风洞试验实际操作过程并全方位观察丰富的流动数据以探索汽车空气动力学与汽车车身设计之间的关系。

1 虚拟仿真教学方案

1.1 教学理念

实验教学瞄准培养具有扎实专业知识和工程问题分析能力的创新型人才，坚持以“学生为中心、由浅入深、结果导向”的原则，实验环节层层递进，将基本原理与实践能力培养深入融合，引导学生进行自主探究式学习，深入理解汽车空气动力学设计原理和方法。

教学设计整体思路如图1所示。建立沉浸式学习场景，融入任务驱动式教学、案例式教学、情景式教学、线上线下混合教学、自主探究式教学等多种教学方法，充分调动学生的主观能动性，激发学习兴趣。通过“认知-实践-探究”的层层递进，由浅入深逐步增加实验难度，体现实验的挑战。从学习能力、专业知识、创新思维等多个角度培养学生的综合能力。以全面的考核体系，融合操作步骤考核、知识问答，现象分析等多项内容对使用者进行考核。

图1 虚拟仿真教学思路

1.2 课程特色

虚拟仿真教学系统依托汽车整车风洞，该科研平台有先进的测量设备和丰富的实验数据。实验系统实现多个风洞应用场景的高仿真度，多层次的人机交互，融合真实实验数据、测试流程和计算流体力学模拟结果，建成全过程、多场景、浸入式汽车整车风洞空气动力学测试虚拟仿真内容。

教学系统是科研反哺教学案例。实验模型采用国际通用的汽车标准模型，团队针对最小气动阻力体优化设计的科研成果，搭建以学生设计低风阻汽车造型为目标的探究性环节。学生在虚拟场景下通过组合汽车造型，探究空气动力学阻力特性，深入理解汽车车身气动优化设计的原理。

课程内容涉及汽车空气动力学、汽车设计、汽车试验学和流体力学等多学科的交叉融合，培养学生对汽车空气动力学优化设计实际问题的分析和解决能力，确保课程的高阶性。测试和探究模块内容采用国际通用的汽车标准模型，依托团队的科研成果［12-15］，设计多参数变量，引导学生自主探究汽车造型与空气动力学特性之间的关系，实现课程的创新。

以实际风洞为依托，使得虚拟仿真的真实感有极强的保障。大量的科研数据，包括风洞实测数据以及经过试验验证的高精度仿真数据使得虚拟仿真结果的准确性与可靠性都有强有力的支撑。虚仿试验的具体还原程度见第3节。

2 平台构架设计

2.1 模块设置

根据认知规律，从“整车风洞构造与原理认知”-“风洞气动实验流程与操作”-“车身造型空气动力学特性探究”3个层面构建实验教学内容，具体内容如图2所示。

图2 虚拟仿真实验的平台构架

（1）基础认知模块。即风洞认知，通过风洞概览、风洞原理和风洞漫游的学习探索，在虚拟风洞场景中全方位观察和了解汽车风洞的基本组成、基本原理以及关键部件的特征。

（2）实践提高模块。即气动实验，以风洞实验进行汽车空气动力学研究为切入点，融合多元教学方法，按照车辆参数测量、车辆安装、测力、测压和烟流显示实验这5个关键步骤和流程，直观高效地传授汽车空气动力学测试的基本原理和方法。

（3）综合探究模块。即造型探究，从探索研究的角度，以学生设计低风阻车身为目标，提供4类可变换参数，获得不同车身造型组合，培养学生将汽车空气动力学理论知识用来指导汽车车身设计以及分析工程实际问题的能力。

2.2 软件构架

汽车风洞空气动力学测试虚拟仿真项目的开放、运行依托开放式虚拟仿真实验教学管理平台的支撑，二者通过数据接口无缝对接，保证用户能够随时随地通过浏览器访问该项目，并通过平台提供的面向用户的智能指导、自动批改服务功能，尽可能帮助用户实现自主实验，提升开放服务效果。软件构架如图3所示。

图3 软件系统总体架构图

支撑项目运行的平台及项目运行架构共分为5层，每一层都为其上层提供服务，直到完成具体虚拟实验教学环境的构建。

（1）数据层。实现汽车风洞空气动力学测试实验对应数据的存放和管理。

（2）支撑层。负责整个基础系统的运行、维护和管理。

（3）通用服务层。提供虚拟实验教学环境的一些通用支持组件，以便用户在虚拟环境下完成实验。

（4）仿真层。基于三维建模软件solidworks、Unity3D对实验场景和设备构件进行建模与装配、仪器开发并提供通用的仿真器，为应用层提供实验结果数据的格式化输出。

（5）应用层。基于底层的服务，最终实现汽车风洞空气动力学测试仿真实验项目教学与开放共享。

软件基于HTML5构架、WebGL技术，使用solidworks进行三维建模和Unity3D工具进行渲染，在Windows Server运行环境下有着良好的兼容性，可在Windows、Android等多种操作系统下远程运行。

3 平台建成效果

3.1 课程软件内容

进入教学平台后，经过界面进入如图4所示的模块选择界面，在此可选择“风洞认知”“空气动力学实验”“探究性实验”3大模块，将鼠标移动至模块并彩色显示后，点击即可进入该模块进行试验操作。

图4 模块选择界面

模块1风洞认知。风洞认知包括“风洞概览”“功能认知”及“内部漫游”3部分。此模块主要注重风洞相关知识的了解。

前两部分如图5所示，在星空背景下呈现三维风洞模型，对风洞基本原理及功能进行概述，可分别点击风洞流道结构的组成部分，对每一个构件的功能进行详细的介绍。

图5 风洞概览与认知模块

风洞内部场景漫游部分如图6所示，学生可以通过键盘进行前、后左、右移动，通过鼠标全方位调整视角，在整个风洞流道内自由漫游。在进入该场景后，对风洞中与空气动力学课程相关的关键设施，如天平移动带、地面模拟系统、喷口、收集口及风机等关键设备还有高亮提示，点击后有进一步的详细说明供学生进行进一步的学习。

图6 内部漫游场景

模块2空气动力学试验。空气动力学试验包括“汽车参数测量及模型安装”“测力试验”“测压试验”以及“烟流试验”4部分，试验在虚仿风洞环境中进行，通过与实际风洞控制电脑内相类似并经过一定美化后的控制面板与测量面板完成操作，过程与实际风洞测试完全一致。此模块的内容主要注重风洞操作技能相关知识的学习。

测力试验场景如图7所示，可设置参数包括辅助设备、风速、偏航角及地面模拟等。测量可获得6分量力并要求学生按照提示计算相应力系数。

图7 测力实验测量界面

测压模块在车身表面中心对称轴上安装压力传感贴片进行测压，测试完成后还须对压力分布变化的原因进行分析，具体如图8所示。

图8 测压结果分析

模块3探究性试验。探究性试验让学生通过自主选择关键车身模块形成不同造型，再进行试验测量，充分发挥探索精神，通过尽可能多的方案探寻汽车造型对空气动力学的影响。

在车身基础上，正确选择车头、前风窗、后风窗、车尾底部4部分车身造型模块，组成车辆造型。参考模块2中的测试方法，点选所需的测试状态“风速”“偏航角”并获点选测量；分析相应的力系数与表面压力分布曲线。让学生自主分析各个造型之间的空气动力学性能差别，引导学生以“造型→流场→表面力→总力（系数）”这一技术路线分析造型与空气动力学表现之间的关系。具体界面如图9所示。

图9 探究试验场景

3.2 虚拟仿真要素还原程度

本实验的各要素仿真还原度如下：

（1）对汽车风洞实验环境高度还原仿真。本课程面向工程的汽车空气动力学实验进行虚拟仿真，实验场景与实际风洞场景完全一致，并真实再现实验过程。真实与虚仿的比较如图10所示。学生以第一视角进入虚拟仿真实验系统，了解实验过程，并完成实践操作和自主探究实验等任务。通过交互式仿真流程和动态画面再现一个仿真度高、体验感强和趣味性足的实际情境，使学生有身临其境的感觉。

图10 真实与虚拟仿真场景的比较

（2）基于汽车国际通用标准模型和实验数据。实验对象采用汽车标准模型DrivAer和MIRA（米拉）车型，模型还原度如图11所示。通过改变风速、侧偏角以及车模后风窗倾角等变量，观察汽车模型气动力和流场的变化；实验数据均基于风洞实验测试得到，保证虚拟仿真结果准确性。

图11 真实与虚拟仿真模型的比较

（3）对实验流程与具体操作精细真实复现。利用虚拟仿真技术模拟风洞实验测试的全流程实践操作，真实反映风洞实验状态，融合计算流体力学的流场数据，实现汽车周围流场可视化，提供交互式仿真流程，供学生在虚拟风洞场景中全方位观察流动数据，随意进行旋转、移动、缩放操作，分析探索流动机理，充分调动学生的主观能动性，激发学习兴趣。

3.3 教学使用效果

此仿真教学平台自开发完成上线后，已服务校内多个年级相关专业学生1 500余人时，通过此虚拟仿真课程学习，原本在理论课与实验观摩课中难以掌握的细节得到充分展示，提高了教学质量，获得了广泛好评。

作为国内高校唯一的汽车整车风洞设施，未来1～2年内，本课程将在开设车辆工程专业的兄弟院校间进行虚拟仿真实验项目的推广并听取持续改进意见；未来2～3年内将进一步拓展应用领域，计划优先在对口支援高校和本校其他相关专业，如航空航天与力学专业、土木工程专业作为实验教学环节进行推广。未来3～5年内，将逐步全面向社会开放，为企业研发测试工程师培训和技术工人职业技能培训以及青少年科普提供学习平台。

4 结 语

汽车风洞虚拟仿真平台可供学生在风洞场景中全方位观察丰富的流动数据，分析探索流动机理，深入理解汽车空气动力学设计原理，充分调动学生的主观能动性，激发学习兴趣。通过虚拟仿真实验，可以有效解决传统风洞实验教学中学生无法进行实际操作的不足。

此开放式虚拟仿真实验教学管理平台以计算机仿真技术、多媒体技术和网络技术为依托，采用面向服务的软件架构开发，集实物仿真、创新设计、智能指导、虚拟实验结果自动批改和教学管理于一体，具有良好的自主性、交互性和可扩展性。