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空气动力学试验技术论文

空气动力学试验技术论文篇一 空气动力学研究中面临的挑战与机遇 空气动力学是研究物体同气体作相对运动情况下的受力特性、气体流 动规律和伴随发生的物理化学变化,在流体力学基础上,随着航空工业和喷气推进 技术的发展而成长起来的一个学科。空气动力学的发展对于航空航天飞行器的研 制有着极为重要的意义,是航空航天最重要的科学技术基础之一,对国家安全、经 济发展、社会和谐都有着重要和用。在过去一段时间里,由于航空工业的相对成 熟,关于航空领的研究更多的集中于如何通过改进制造过程降低成本,而不再将主 要力量投入新技术的研究,但随着国际形势的日益严峻、信息化程度的提高以及 航空运输对安全性经济性的要求,航空技术研究面临着更多更新的挑战,使得全球 重新提高了对航空技术研究的关注程度。作为航空航天技术的重要基础学科之一 的空气动力学,也面临着全新的机遇和挑战。

1 空气动力学研究意义和研究现状 1.1 空气动力学研究意义 人们最早对空气动力学的研究可以追溯到人类对鸟或弹丸在飞行时 的受力和力的作用方式的种种猜测,但真正形成独立学科是在20世纪航空事业的 迅速发展之后,是在经典流体力学中发展并形成的新的分支,并且迅速成为发展航 空航天各类飞行器的重要基础科学和关键技术,推动整个人类航空航天事业的发 展,成为航空航天事业发展的基础。如今,空气动力学已经不再仅只是应用于航空 航天领域,还被应用于环境保护、公路交通、铁路交通、冶金、建筑、体育等众 多领域,对整个人类社会的发展与进步都有着极为深远的影响。

1.2 空气动力学研究现状 在20世纪90年代,随着航空工业的迅速发展,使得航空工业整体技术程 度相对于其它行业都成熟许多,基于此种原因,在较长一段时间里学界多认为航空工业已经走向成熟,尤其是空气动力技术基础技术方面,因此航空工业的研究将更 多的集中于成本费用的降低,而减少了对应用技术的研究重视程度,使得空气动力 学的研究相对缓慢。进入21世纪以后,随着计算机技术、通信技术、飞机设计技 术等的发展,人们重新重视起了空气力学的研究,使得空气动力学得到了较好的发 展。如以Euler及Navier.Stokes方程为主要数学模型的整机及部件绕流流场和气动 特性计算研究领域,在我国即得到了极大的发展,并被应用于很多重点型号的研制 中;再如飞机多外挂气动干扰特性研究、现代歼击机大攻角过失速气动持性研究 等,都取得了极大的进展,在计算空气动力学领域也取得了突出的成绩,很多研究 成果处于国际先进水平。

2 空气动力学研究所面临的挑战 传统的认为空气动力学研究已经足以满足航空航天需求的认识很明 显是错误的,随着飞机一体化设计技术、微型飞行器、行星探测飞行器的发展,必 然向空气动力学的研究提出新的挑战。

3 先进飞机器研制需求所带来的挑战 随着航空交通事业的不断发展,以及出于国家安全等方面的需要,对先 进飞行器的研制需求不断提高。如高机动性作战飞机、可重复使用高超音速飞行 器、大型民航机、大型运输机、地效飞行器、微型飞行器、智能飞行器、无人侦 察机、战略战术导弹、应用卫星、概念武器等,都对空气动力学的研究提出了更 多的挑战性课题,需要空气动力学从复杂流场预测、喷流干扰、气动隐身、微流 体力学、气动防热、高超音速边界湍流、低雷诺数流动力学、地面效应等多个方 面进行更深入的研究,而所有这些研究,都涉及高度非定常、线性,包括复杂的物理 化学变化效应的影响,难度极大。

例如,大容量运输机的研发,首先需要解决大容量运输机高燃油效率、 低噪声、常规跑道起飞着陆能力的需要。在这里,虽然高燃油效率可以通过混合 层流控制技术(HLFC)、发展新型发动机、采用高效的气动设计方面来进行满足, 但这些技术要应用到大型飞机、高Re数情况却还存在很多缺陷和不足。再如低噪 声的研究也是大型飞机所必须关注的问题,必须充分将声学研究向气动研究结合 在一起进行。同时,还必须考虑增升阻力、尾涡效应、发动机喷流和外流干扰效 应等。

3.1 自适应流动控制需要所带来的挑战传统空气动力学对绕复杂物体的流动,多集采用涡发生器、吸气、吹 气、肋条等技术进行模拟研究,但这种研究主要集中于流动的被动控制,随着近年 来电子技术、软感技术、材料技术等的发展,传统的集中于被动控制的研究存在 许多不足,必须对宏观流动和微观流动的主运控制进行更深入的研究,这对飞行器 的未来发展有着极为重要的意义。只有提高自适应流动控制研究水平,才能提高 自适应流动控制技术,为飞机结构设计提供更为全面的飞行控制函数,以有效减轻 飞机重量和飞行能力。

自适应流动控制的研究主要包括减阻流动控制、边界层分离流动控制、 高升力流动控制三个方面。具有感知能力的自适应流控制技术对于去不稳定性扰 动源的影响极为重要,是未来飞行器发展所需要解决的一项关键性技术,对于简化 吸气装置和相关系统都有着极为重要的意义。边界层流分离流动控制技术则驻地 改善飞机气动性能有着重要意义,需要进一步研究射流、湍流、目标流场、近壁 面压力分布等方面的关系。高升力流动控制技术对于飞行器增升装置的研发有着 重要意义,需要进一步研究如何在不降低飞机性能的情况下减少飞机重量提高飞 机增升能力。

3.2 噪声控制需要所带来的挑战 噪声控制是飞机设计所需要考虑的一个重要内容,尤其是随着航空对 “安全性、经济性、舒适性和环保性”的要求的不断提高,飞机噪声问题被各界所 广泛关注。根据国际航空运输噪声标准规定,飞机噪声辐射在2017年要降低 20EPNdB,而要在不影响气动性能和推力的情况下降低噪声,就必须在技术上进行 巨大的革新,实际上现有相关技术都还极不成熟,要降低噪声就必须进一步对声学、 气动、推力系统、飞机结构之关的关系进行进一步的研究。

4 空气动力学研究的机遇 在航天航空 发展需求给空气动力学研究提出更多更新的挑战的同时, 现代科学技术的发展,也给空气动力学的研究带来了更多机遇。

4.1 计算能力的提高给空气动力学研究带来的机遇 在空气动力学的研究中,要减少研究时间和风险,降低研究费用,就必 须从改进计算工具出发,提高计算速度度和计算精度。空气动力学研究所面临的 最大的难点是空间的边界问题,先进的计算工具对于提高其计算精度和速度有着极为重要的意义。目前所采用的算法,如CFD算法、多重网格方法、RANS方法等, 对 计算机性能都有着极高的要求,比如RANS方程的计算即完全受计算机内存和 速度的限制,在需要绝对精度和足够时空分辩率的情况下,以往的计算机资源很难 模拟空气流动中的相关尺度效应;再如CFD在精确预测分离点位置上所存在的缺 陷,很难在以往计算机 工作平台上得以实现,尤其是飞行Re数下分离流发生的时 刻和位置的模拟,更是极为困难。但随着计算机性能的不断提升,尤其是巨型计算 机技术的进步,使得这些问题都得到了较好的解决。

4.2 分析验证能力的提高的带来的机遇 分析验证能力是指不通过地 面试验或飞行试验,直接验证新技术、新 型号可行性的能力。要提高验证的准确性和验证速度,就要求验证工具能以最快 的速度完全预测整个飞行条件下飞行器的各项性能,验证新技术的 应用效果。这 当中,包括对各学科知识交叉的模拟验证能力,如对模拟流场的验证、对流场特征 的验证、对自适应粘性流动区域的湍流验证等。计算机技术的提高和算法的完善, 使得模拟分析验证能力有了极大的提高,对于空气动力学的研究提供了极大的便 利。

4.3 风洞试验能力的提高带来新的机遇 风洞试验能够提供高可靠的物理模型模拟数据,并能对各种流动现象 机理进行解释,并验证各类计算软件的可靠性,在空气流动学研究中有着极为重要 的价值。进行风洞试验最好的办法是采用简单的拓扑结构来模拟全模各部件间的 干扰现象、流动规律。为了得到最全面可靠的数据,需要与各类仪器合作,进行表 面测量。而随着近年来物理解释的不断成熟,使得风洞试验能力得到了极大的提 高,为获取全面可靠的风洞试验段流动特征提供了更坚实的基础。

5 结语 总之,随着航空航天发展的需要,尤其是新型飞行器发展的需要,给空 气动力学的研究带来了更大的挑战,促使空气动力学的研究更多的与其它学科进 行 联系,进一步发展流动控制理论和噪声控制理论,进一步提高微传感器技术和 激发技术。在面临巨大的挑战的同时,伴随着计算机技术的发展,也给空气动力学 的研究带来了更多机遇,为空气动力学的研究获得更多更大的成果提供了更为坚 实的基础。可以预测,在未来空气动力学的研究必将取得巨大的进步,为 经济建设、 人民生活和国家安全作出更大的贡献。空气动力学试验技术论文篇二 空气动力学虚拟实验教学的研究 [摘要]虚拟现实技术是近几年来高速发展的一项新技术。针对高校实 验室投资不足，传统实验教学模式局限性等问题，分析了虚拟实验室的优势。构 建了空气动力学虚拟实验室，探讨了虚拟实验教学的特点及空气动力学虚拟实验 在教学中的应用实践。通过将虚拟现实技术运用到实验教学中，可以为学生提供 形象、逼真的实验教学效果，充分发挥学生的主动性和创造性，有利于培养创新 意识和解决实际问题的能力。

[关键词]虚拟实验室 空气动力学 实验教学 改革 [中图分类号]G482 实验教学是高等院校教学体系中的重要组成部分，对于培养学员的创 新意识、动手操作能力、分析问题和解决问题等能力有着不可替代的作用。尤其 对于理工科专业学员来说，传统的实验教学方式已经远远不能满足培养具有高素 质及创新能力的人才需求。随着计算机技术和虚拟仿真技术的不断发展，虚拟实 验已经成为近几年国内外实验教学和远程教育研究的热点[1-2]。在这种背景下， 虚拟实验教学系统及其相关应用问题应是当前大力探讨和发展的课题。随着现代 信息技术的发展，虚拟实验教学作为传统实验教学的有效补充，已经成为实践教 学的重要手段，它不仅可以在某些程度上替代传统的实验教学，而且可以克服传 统实验教学的各种弊端，从而有效地解决传统实验教学的诸多问题[3-4]。为适应 这种需要，我们于2011年建设完成了空气动力学虚拟实验室，通过虚拟实验和网 络教学，取得了良好的教学效果。

一、传统实验教学模式的现状 以前的空气动力学实验课教学大多采用课前预习，课中操作，课后报 告的形式。

课前，教员督促学员做好预习工作，熟悉相关实验流程和实验方法。

学员在课前预习时，大多被动地通过实验指导书中图片和文字的描述，了解实验 内容及相关的实验仪器，缺乏对真实实验仪器的感性认识。课堂操作中，教员讲解实验内容和注意事项，学员按照实验指导书步 骤进行操作。但在实际教学中，由于个别元器件损坏、设备老化等原因，导致实 验中会出现各种异常问题，为此学员就要花较多时间去排故，这往往打消了学员 实验的积极性;再者，因实验室开放规模的限制，难度较大的实验只能做为验证 性实验，学员的创新能力和综合应用能力都难以得到提高。

实验课结束后，学员通过撰写实验报告对相关数据进行整理、分析和 处理。由于实验受开放时间、场地空间等条件限制，学员一般没有机会重新操作， 因此对实验结果的分析只能停留在理论层次上。

二、虚拟实验教学的特点 虚拟实验是综合运用计算机网络、多媒体技术和虚拟现实等技术而产 生和发展的一种实验模式[5-7]。虚拟实验区别于传统实验的教学方式和教学手段， 是通过软件虚拟技术来达到真实实验的效果，具有以下特点：
(一)降低实验教学成本，缓解实验经费不足 目前各个高校普遍存在实验经费不足的问题，因此造成实验设备无法 更新，损耗器材无法及时补充，严重影响了实验教学的质量。空气动力学虚拟实 验室是利用计算机模拟技术建造非常逼真的虚拟实验环境，不需要昂贵的实验设 备即可完成相应的实验，不损坏仪器设备也不消耗器材。因此，可大大降低实验 成本，缓解实验经费不足的矛盾。

(二)提高实验效率，节省大量的时间 传统空气动力学实验室中的实验受人员、场地和开放时间的限制，实 验效果不是太理想，学员在实验室里要花费很多时间用于熟悉实验设备和实验流 程，一旦在实验过程中出现元器件或设备损坏，将大大降低实验效率。如果先进 行虚拟实验，则学员基本上可掌握实验设备的使用方法，通过熟悉实验过程再进 入实验室做实验，可以起到事半功倍的作用;另外有些参数变化较缓慢的实验如 “雷诺实验”等，通过虚拟实验，可以加快参数变化过程，节约了时间提高了实验 效率。

(三)调动学员的学习兴趣，加深对实验内容的理解 在空气动力学虚拟实验室进行实验是一种形式新颖的实验教学方式。虚拟实验系统制作得形象生动，可以调动学员的学习兴趣。通过虚拟实验系统呈 现仪器设备的构造和原理，使学员对仪器设备形成直观的认识和感受。在虚拟实 验进行的过程中，学员可以根据自身特点任意加快或放慢实验进程，通过改变不 同的实验参数，加深对实验内容的理解和掌握。虚拟实验可以将学员想象力和创 造力结合起来，充分调动学员的主观能动性。

(四)开拓学员视野，培养学员创新能力 传统实验室往往受各种条件限制无法及时开设新型实验，而虚拟实验 室则可以通过计算机模拟，比较方便地开发设计出相应的实验内容，通过开展综 合性实验和创新型实验有助于开拓学员视野。空气动力学虚拟实验没有时间和空 间的限制，只要在电脑上安装虚拟实验系统，学员可以随时开展模拟实验，有利 于获得较丰富的感性认识，从而激发学员自主扩展实验内容，培养其创新思维。

三、空气动力学虚拟实验室的建设 (一)虚拟实验室的主要功能 空气动力学虚拟实验室平台可划分为公共服务、实验教学管理、实验 室管理、系统管理等四个子系统。

1.公共服务子系统 包括身份认证、实验室简介、信息发布、相关下载、网上答疑、在线 交流、系统帮助等功能模块。其中，根据院校情况，将用户身份按照教员、学员、 系统管理员划分为三类，不同的用户具有不同的功能权限。

2.实验教学管理子系统 实验教学子系统是整个网上虚拟实验室管理平台的核心之一，用于创 建、管理、学习网上的各种虚拟实验。系统根据用户登录身份，自动授予相应权 限。教员具有信息发布、实验内容编辑、实验项目管理、实验报告评阅、在线答 疑、在线交流功能;学员可以查看、下载实验大纲、实验预习资料，使用虚拟实 验软件进行虚拟实验，填写实验报告和实验作业、查询实验成绩或指导教员评阅 意见、浏览常见问题库、在线交流、在线提问等;系统管理员可审核注册用户信 息，确认用户身份并授予相应权限，负责网络安全事务。

3.系统管理子系 统系统管理子系统应为系统管理员提供对整个平台进行控制、管理的工 具，保证平台的安全和高效。

只有系统管理员可以进入系统管理子系统，并可对整个虚拟实验室平 台进行控制。系统管理子系统包括实验室管理、用户管理、系统配置管理三个功 能模块。

(二)应用对象 空气动力学虚拟实验室主要面向我院本科专业《流体力学》、《空气 动力学》、《气体动力学》、《飞行原理》等课程空气动力学方面实验教学任务。

(三)可开设的实验项目 目前“空气动力学”虚拟实验室共开设12个实验，可完全覆盖我院各专 业对空气动力学相关课程的实验需求。

开设的实验项目 四、空气动力学虚拟实验在教学中的应用实践 空气动力学虚拟实验利用飞速发展的计算机模拟技术的优势，把多媒 体技术、虚拟现实技术与实验过程相结合，形成一个不受实验场地、时间、环境 等因素影响的经济、高效、逼真的虚拟实验室，无论是学员还是教员，随时可以 进入虚拟实验室进行仪器操作，开展各种实验，也可以作为学员网上自学的一个 平台，大大增强了空气动力学的教学效果。

(一)利用虚拟实验进行实践教学，改革教学手段 在空气动力学现实实验中，由于学时、场地的限制以及仪器设备的不 足，实验的开展有一定的局限性。通过建立空气动力学虚拟实验室，可增加实验 项目及实验内容，将实验过程制作成虚拟实验供学员自学和实操，并可通过结合 虚拟实验合理地安排真实实验内容。虚拟实验与真实实验相结合，可开阔学员的 视野、拓展学员的思维想象空间，使学员实验不再受实验条件和仪器设备的限制。

如飞行器表面涡分布实验、激波和膨胀波演示实验、全机气动力系数测量实验等 因受实验设备和实验条件的限制，真实实验很难实现，而通过虚拟实验就能较容 易的了解这些实验的实验过程、实验原理和实验现象，并给出实验数据，使学员切实感受实验的最终结果。

在虚拟实验室中，教员的身份作用也发生了本质的变化。教员不在是 传统的知识传授者和信息提供者而应是学员学习任务的辅导者和设计者。虚拟实 验中的教员应主导主体教育， 先练后讲或先学再教，坚持“学员自定步调、教员 异步指导”，学员可以根据自身的进度自主学习，而不必再齐步走。通过创造宽 松、自主的实验学习环境，把学员培养成能够创造性地、能动地进行实践活动的 主体。

(二)改革教学方式，提高学员自主学习的能力 学员在实验课前预习或教员讲解时，如果对实验原理理解不透，势必 会影响到实验过程和实验效果。而虚拟实验课件可以无限量反复，学员可以根据 自己的需求，随时随地选择完成实验。通过“身临其境”地操作实验仪器、观察实 验现象，这对于充分理解实验原理、掌握实验过程和仪器设备的使用，及课后复 习巩固所学内容具有极大的好处，客观上实现了实验室时间和空间的延伸。空气 动力学虚拟实验丰富了实验内容，激发了学员的学习兴趣，利于学员进行自主探 索和协作学习，学员由被动的知识受体转变为学习的主体[8]。例如，空气动力 学虚拟实验室建有“实验室简介”、“实验项目”、“实验内容”、“趣味知识”、“个人 主页”、“论坛”等板块，学员可根据兴趣自主选择相应功能，即可完成相应的实 验，又拓展了知识面，如图1所示。

图1：空气动力学虚拟实验室 (三)利用虚拟实验优势，开展交互式教学 空气动力学虚拟实验室主要包括实验室参观、实验装置三维浏览(图 2)、实验装置介绍和虚拟实验部分(图3)。

进入实验室后，可以通过键盘上的“↑”、“↓”、“←”、“→”箭头对实验 室的实验场所、实验装置进行漫步式浏览，实验者可以自由穿梭于各种虚拟实验 装置之中，当靠近实验装置时，在其上方有此实验名称的说明，便于实验者对实 验装置的掌握和了解。通过点击实验装置上的控件，可以查看实验装置部件的功 能、组成和基本参数介绍等。这种在虚拟场景中人机的交互性，使浏览者不仅可 以在场景中随意漫步以切身感受虚拟环境，同时还可以通过自己的行为影响虚拟 环境。进行虚拟实验时，通过点击“开始实验”按钮，便可进入相应实验，进 行参数设置后，便可按实验要求和实验步骤进行操作，同时记录实验数据，进行 结果分析和实验报告的撰写。

(四)基于校园网资源，实施网络教学 随着我院军网、校园网功能的不断完善，空气动力学虚拟实验室充分 利用现有网络资源，学员可以在任何有电脑，有网络的地方做实验，也可以自由 安排自己的实验时间，在任何时候做自己想做的实验。学员的任何一个突发的思 考和想法，都可以及时通过网络进行虚拟实验室仿真、验证，为学员的创造性思 维提供了保障。网络虚拟实验全天候在网上开放，使得实验内容更加灵活、设计 更加多样，自我发挥的余地也更大。这种新型实验教学模式大大丰富了实验教学 资源，并使教学资源得到进一步优化。

例如在空气动力学网络教学的实施过程中，学员可以远程实验，遇到 问题可以在线提问，教员在线回答，也可以利用“论坛”功能，开展个别化学习和 合作学习，教员将易于出现分歧、学员反映较多或兴趣较浓的问题以公告的形式 提出，让学员在论坛中讨论，各抒己见、畅所欲言、相互提高，营造学员对学习 空气动力学课题的良好氛围。在线实验结束后，学员通过“实验报告上交”功能模 块实现在线提交。教员收到实验报告后，可在线评阅，对实验报告的内容进行分 析、评价，并给出评语及成绩。同时，该系统还包括网络试题库功能、学员自测、 课程考核功能等。通过网络教学的实施，大大改进了教学方法和教学手段，提高 了教学质量，取得了较好的教学效果。

五、虚拟实验教学应注意的问题 (一)虚拟实验只是实际实验的补充，不能取代真实的实验过程 虽然虚拟实验在实验教学中有不可替代的优势，但也有其明显的不足。

真实实验可以直接培养学员解决实际问题的能力，这种优势正是虚拟实验的不足。

因此，在整个实验设计中要注意如何虚实并存，优化整合[9]。例如，一些简单 的实验中所用到的仪器并不复杂，实验过程简单、操作容易，能够用真实实验较 好地完成实验内容并达到满意的教学效果，我们就用真实实验来完成实验教学。

而对于一些技术先进、复杂或要用元器件费用较高的“贵族仪器”才能完成的实验 内容，可采用虚拟实验来协助完成实验教学。

(二)虚拟实验室的开发应切 合实际，为教学服务开设虚拟实验室的目的是为实验教学服务，所以虚拟实验室的开发， 应该操作方便、形式简洁，能形象生动地反应整个实验的过程即可，不一定需要 多么复杂、专门的开发技术和开放工具。设计时为了保证对某一部分知识的完整 性，除实验内容外还可通过对相关背景知识的介绍，实例应用分析等扩展学员的 知识面以加深对实验的理解和掌握。

(三)结合实际情况，循序渐进 虚拟实验在高校发展迅速，各个院校应结合自身情况和自身特点，将 实验需求与专业相结合，不能原封不动地照抄照搬他人的模式，结合学院现有的 实际情况，循序渐进、逐步开展[10]。例如：可先在个别专业进行试点，从中摸 索经验和规律、逐步完善，合理安排实验内容、流程等，探索适合本校的最佳模 式后再推广。