高超声速风洞虚拟仿真实验教学项目设计与实现

荣 臻

（浙江大学航空航天学院，杭州 310027）

0 引 言

《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》指出：“信息技术对教育发展具有革命行动影响，必须予以高度重视”［1］。通过虚拟仿真实验教学体系的构建，不但可以实现学生自主设计实验流程、修改实验参数、进行实验配置等实物实验中不宜开放的高危险、高成本性实验功能，还可以通过虚拟实验和真实实验相结合，使学生在“虚”中了解并掌握复杂大系统的工作原理与测试方法，在“实”中亲自动手调试这一系统的部分功能单元，促进知识的转化与拓展，加深对高超声速风洞系统结构及工作原理的理解，进而有效地培养学生自主实验设计能力、实验分析能力、独立创新能力和“研学一体化”技能［2-8］。

依据教育部出台的关于虚拟仿真实验教学项目建设的相关文件精神，通过开发高超声速风洞虚拟仿真实验教学项目，结合实验空气动力学课程教学，让学生充分掌握高超声速空气动力学基本知识及原理，认识高超声速空气动力学常用的风洞实验设备设计原理及工作流程，了解高超声速典型气动外形气动力及流场随飞行高度、马赫数、模型姿态角的演化特性，推进现代信息技术融入实验教学项目、拓展实验教学内容广度和深度、延伸实验教学时间和空间、提升实验教学质量和水平的重要举措。

本项目将采用“理虚实一体化”教学法，在虚拟仿真软件的“教、练、考”功能中完成实验教学内容。组织课堂理论教学，学习高超声速风洞实验理论知识。通过实验网址链接直接启动超声速风洞虚拟仿真教学实验，通过虚拟仿真“教”的功能，使学生了解实验过程和内容；通过虚拟仿真“练”的功能，学生可进行反复学习与自主探索；通过虚拟仿真“考”的功能，完成对高超声速风洞实验的知识考核，最终完成虚拟仿真实训。在有条件的情况下学校另外组织开展高超声速风洞实验实物实训，并将实物实训照片、报告等资料作为实训内容和对实验掌握程度的判断之一。

1 高超声速风洞虚拟仿真实验教学项目建设的意义

（1）强化学生实践能力，建立了以解决工程问题为核心的创新人才培养新模式。高超声速风洞虚拟仿真实验教学项目以培养基础理论，扎实、动手能力强、创新能力突出的高素质专业型人才为根本，以适应国家航空航天总体设计、气动设计等领域人才需求为目标，以遵循学科发展规律为宗旨，进行了实验内容和管理模式的改革。虚拟仿真实验教学课程改变了传统的“一门课程、一门实验、一人管理”的非系统性实验方式，建立了新型的“基础性实验-综合性实验-研究性实验-创新性实验”的多层次化、多模块化实验教学体系，形成了适应学科特点及航空航天专业特点的系统、科学、完整的课程体系，还可将最先进最前沿的科学技术进展情况和企事业科技发展需求分析引入教学，提高了学生主动学习和实践创新的积极性。

（2）以高超声速空气动力学为教学内容，充分利用学院科研资源，丰富实验教学内容。实验空气动力学是飞行器设计专业课程培养方案中少数实验实践课程之一，受限于学分和课时，具备开设能力的16个实验项目，每个学期只能实际进行3～4个基础性实验项目，其余实验对于该届学生只能遗憾错过。如果建成高超声速风洞实验虚拟仿真教学项目，上述现象将不会继续出现，可有效地提高空气动力学、飞行器总体设计、飞行器飞行动力学等课程理论教学实践水平，让学生真正实现理论联系实际，对飞行器相关气动原理、特性及流场环境产生深刻认识；同时也能让力学、机械工程等相关学科学生扩大学术视野，培养投身航空航天事业的兴趣。空气动力学作为飞行器设计专业的骨干课程，其研究手段主要有理论分析、数值仿真和实验测试3种；该虚拟仿真项目的建设将大大促进3种研究手段的融合和相互验证，同时紧密结合相关学院教授研究团队研究方向及成果，可为航空宇航学科长足发展尤其是空气动力学专业的发展起到重要的支撑作用。

（3）注重学生创新能力培养，立足实践教学研究，实现远程终端实验教学，显著提升教学效果。通过开放性实验和多媒体远程虚拟仿真实验项目建设，可促进学生对课堂理论知识的理解；降低学生在真实实验过程中操作误差的风险；避免昂贵设备装置由于操作失误而发生的故障；弥补设备昂贵以至于学生无法全部参与操作的缺陷；解决多校区运行学生实验难以开展的困局，使得实验教学更具主动性、创新性、系统性和高效性［9］。

本项目拟设计和实现高超声速风洞虚拟仿真实验教学，开发风洞原理及结构设计、风洞及相关实验测量仪器的操作流程以及高超声速风洞气动及流场环境虚拟仿真实验3个模块内容，探索实验空气动力学教学基础实验平台新途径，以解决实际问题为导向，结合理论所学知识，开展高超声速气动及流场环境测量实验，努力培养符合时代需求的，实践能力强和独立创新思维的复合型人才。

2 高超声速风洞虚拟仿真实验教学项目的设计与实现

首先项目基于.NET技术的实验平台搭建软件框架体系结构。.NET有简易性、安全性、可管理性等优点，又能够利用Microsoft Visual Studio.Net等多种工具进行开发，使得.NET非常适合作为网络课程开发的支撑技术。利用.NET技术进行Web窗体框架的构建，在Web服务器上运行以动态生成和管理Web窗体页［10-11］。在框架的搭建过程中，基于C＃语言进行内容编写，可灵活进行网页内容调整和替换，开发出更为生动、形象的网页内容。基于.NET技术，利用数值模拟的结果文件，同时加入真实实验测试结果作比较，完成整个实验平台的开发。操作界面内能够选择压力、速度、流线3种流场的数值模拟动态显示结果，进而观察流动的整个过程。观察过程中，可以灵活调整动态显示速度，有助于对于流场细节的理解。另外，由于整个实验教学项目是基于.NET技术搭建而成的，因此可以通过局域网连接的方式搭建服务器，使得局域网内其他电脑能够随时访问，方便课程教学过程中的实施。图1所示为高超声速风洞虚拟仿真实验教学项目框架图，图2所示为项目首页。

2.1 高超声速风洞原理及结构设计

高超声速风洞总体布局和超声速风洞有很多相似之处，由机械压缩（或激波及活塞压缩）的气体储存在高压容器内，经气流压力调节系统调节进入风洞的加热器，上升到一定温度再进入风洞前室。在前室（或稳定段）中气体经整流，在收缩段加速，在喷管喉道处达到声速，后经扩散段，气流被加速到高超声速，经喷管加速的高超声速气流进入试验段，并在试验段中完成气动特性试验。由于试验后的气流速度仍然很高（即静压很低），不能直接排入大气，需要引射系统或真空系统帮助才能排入大气。通常在引射系统或真空系统前面设置超声速扩压段，把高超声速试验气流经斜激波、正激波压缩后提高试验后的气流压力，再经引射系统或真空系统排出风洞外。进入高超声速风洞原理模块后，点击简介按钮，了解高超声速风洞、激波风洞、电弧风洞、高超声速低密度风洞、弹道靶5种风洞类型等相关信息［12］。图3所示为高超声速风洞原理模块页。

2.2 常规高超声速风洞实验操作仿真

本模块主要了解常规高超声速风洞实际操作流程，掌握操作流程中关键参数设置，熟悉安全规程。图4所示为常规高超声速风洞结构组成简图。点击“高超声速风洞实验”菜单，进入操作流程界面；依次点击开启控制台电源—空压机—真空泵—模型安装—加热器—高超声速风洞实验—实验结束—数据处理。如图5所示。

2.2.1 启动阶段

（1）检查分系统状态。分系统主要有气源系统、加热系统、冷却系统、实验段、真空系统和测量系统等，在实验启动前检查各分系统、各设备部件是否有明显的损坏或不能正常工作。

（2）合上电源总开关，打开冷却水和增压泵开关，冷却水开始循环工作，保证其他系统设备正常运转。

（3）打开控制台总电源，按下高超风洞电源按钮，控制台表显区左侧显示试验系统中各处压力及温度感应器监控示数，如图6所示。

（4）打开控制台监控系统电源，启动实验室内的探头实时监控。

（5）启动压缩机。首先检查压缩机设置参数是否正常，如压力输出参数；查看压力储罐压力表显示读数；确认压缩机到储气罐的截止阀打开，储气罐的出口截止阀关闭。压缩机运行时观察是否正常，有无异常声音，同时实时观测控制台气源压力变化情况。气源压力最大可达21 MPa，一般来说储气罐压力到15 MPa左右，即可进行试验。同时关闭压缩机运行，观察气路各阀门是否有泄漏现象，如图7所示。

（6）启动真空抽吸机组。一般真空抽吸机组置于自动运行档位，只需按启动按钮即可。启动前确认冷却水管是否畅通；检查各泵润滑油是否在标准油位线上，如不足应及时加油；手动蝶阀应逐渐打开；确认实验舱下游的真空闸板阀和旁路阀已关闭；同时观察运行是否正常，有无异常响动；实时监控真空球罐真空度变化情况，如图8所示。

2.2.2 运行阶段

（1）打开实验舱舱门，进行模型安装、调整、接线等测量准备；同时更换好喷管，并安装就位；如需纹影等光学测量，则同时进行光路调节及准备。完成后，关好舱门，确认密封无泄漏，如图9所示。

（2）启动加热器按钮。启动前确认冷却水开关打开。加热器最高使用温度是500 K，功率约为10 kW。加热器加热过程中身体不要触碰加热器壳体或外围部件，以免烫伤。同时实时监控加热器温度变化情况，加热器的加热温度一般要比试验总温高50 K。加热到所需温度后，关闭加热电源，等待10 min即可运行风洞，如图10所示。

（3）真空抽吸系统已到相应真空度，一般为200 Pa左右即可，关闭真空系统手动蝶阀，打开实验舱下游真空闸板阀旁边的旁路阀1，待两边压力平衡后，再全开闸板阀。此时如真空度下降明显，还可以抽吸5 min左右。如此时需调整模型而打开实验舱，可关闭闸板阀和旁路阀1后打开旁路阀2使实验舱恢复常压，待调整结束后按步骤2重新操作。

（4）调节进气压力。打开室内外截止阀J1/J2，调节减压阀上游的旁路小减压阀，调节压力至0.6 MPa左右，该控制气路用于控制快速阀动作，然后根据实验所需总压调节大减压阀压力。

（5）正式开始试验，可通过控制柜按钮或电脑软件操作进行，一般使用工控机控制界面来运行风洞，操作界面如图11所示。同时界面中还可实时观测各监控参数变化情况。操作时先打开旁路阀K3使加热器腔内压力缓慢升高，一定时间后打开加热器上游快速阀K1，使加热器腔内压力快速升至来流压力，然后打开加热器下游快速阀K2，试验开始。经过试验设定工作时间后关闭加热器上游快速阀K1和旁路阀K3，稍后关加热器下游快速阀K2。工控机自动采集试验数据。

（6）开展总温高于500 K的实验时，待实验结束后应继续运行风洞1～2次，以快速降低加热器内温度。

2.2.3 关闭阶段

（1）关闭实验舱下游闸板阀和手动阀，打开舱门，调整模型或更换喷管等操作。

（2）进行数据分析和处理，同时开压缩机、真空抽吸系统和加热器，准备下一次试验。

（3）整个实验过程结束应先关闭气源阀门，关闭减压阀上游的旁路小减压阀及大减压阀，关闭储气罐下游截止阀，打开储气罐下游排气阀放尽剩余气体。

（4）加热器自然冷却至200℃（即475 K）方可关闭冷却水系统。

（5）关闭试验工控机及控制台总电源，最后关闭电源总开关。

2.3 典型外型模型气动力热及空间流场特性

典型外型模型气动力热及空间流场特性具有典型代表性，有助于认识了解高超声速流动的基本特征和演化机理。软件第3模块为“典型外形模型气动力热及空间流场特性”，可以学习钝锥、圆柱和钝圆柱等典型外型模型高超声速气动力热及空间流场特性。

点击所选模型类型（钝锥、圆柱以及钝圆柱）菜单，模型类型选好后选择所要显示的物理参数，如压力、速度场、温度以及密度等，如图12所示。图13所示为3类模型速度场分布特性。

3 平台特色

（1）虚拟仿真软件设计思路。软件设计思路主要有：①WebGL新技术，以此制作开发实验软件，在符合示范性项目申报需求导向的同时，增强虚拟在线学习互动体验感。②理虚实一体化，原理知识、理论公式、虚拟操作和仿真结果同时呈现，增强学习效果。

（2）教学方法创新。本软件实践采用“理虚实一体化”的教学模式，通过流程化的操作步骤，学生熟悉掌握高超声速风洞运行操作步骤和要点；同时采用提示、自动化记录的考查方式，以保证学生操作练习的可追溯性。在课堂教学应用时，将使现有的“老师讲、学生听”的“单向教学”模式升级为教学互动的“双向教学”模式。

（3）评价体系创新。本软件知识点随机考核、运行操作流程可反复学习，典型特性可多参数显示，以确保每一学生都能掌握学习目标，对理论知识与实操技能达到精熟的标准。由于软件具有模型导入和有限元分析软件接口，学有余力的学生还可自由设计导入个性化模型外型，运行数值仿真计算软件，获取绕流流场分布特性。

（4）对传统教学的延伸与拓展。①时空拓展，虚拟仿真作为理论学习和实训操作衔接的桥梁，能够显著增强学习体验感和学习效果，提高学习效率，实现人、资源、数据、功能和场景的5聚合；②技术拓展，以WebGL技术和虚拟现实技术构建高超声速风洞虚拟仿真教学实验，通过逼真的虚拟场景和标准化的步骤实现网页直达的多人在线互动学习体验。

4 结 语

通过高超声速风洞虚拟仿真实验教学项目的建设与开放共享，在力学及航空航天类课程实验教学中效果显著。该教学资源具有良好自主性、交互性和可扩展性，集创新设计、虚拟资源、教学管理和智能指导于一体。学生在短时间内通过虚拟仿真软件自主学习，掌握高超声速风洞设计原理及结构特征，并熟悉高超声速风洞操作流程，认识了典型流场特性，使专业技能和解决实际问题的能力得到显著提升。