榮 臻

（浙江大學航空航天學院，杭州 310027）

0 引 言

《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》指出：“信息技術對教育發(fā)展具有革命行動影響，必須予以高度重視”［1］。通過虛擬仿真實驗教學體系的構(gòu)建，不但可以實現(xiàn)學生自主設計實驗流程、修改實驗參數(shù)、進行實驗配置等實物實驗中不宜開放的高危險、高成本性實驗功能，還可以通過虛擬實驗和真實實驗相結(jié)合，使學生在“虛”中了解并掌握復雜大系統(tǒng)的工作原理與測試方法，在“實”中親自動手調(diào)試這一系統(tǒng)的部分功能單元，促進知識的轉(zhuǎn)化與拓展，加深對高超聲速風洞系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理的理解，進而有效地培養(yǎng)學生自主實驗設計能力、實驗分析能力、獨立創(chuàng)新能力和“研學一體化”技能［2-8］。

依據(jù)教育部出臺的關于虛擬仿真實驗教學項目建設的相關文件精神，通過開發(fā)高超聲速風洞虛擬仿真實驗教學項目，結(jié)合實驗空氣動力學課程教學，讓學生充分掌握高超聲速空氣動力學基本知識及原理，認識高超聲速空氣動力學常用的風洞實驗設備設計原理及工作流程，了解高超聲速典型氣動外形氣動力及流場隨飛行高度、馬赫數(shù)、模型姿態(tài)角的演化特性，推進現(xiàn)代信息技術融入實驗教學項目、拓展實驗教學內(nèi)容廣度和深度、延伸實驗教學時間和空間、提升實驗教學質(zhì)量和水平的重要舉措。

本項目將采用“理虛實一體化”教學法，在虛擬仿真軟件的“教、練、考”功能中完成實驗教學內(nèi)容。組織課堂理論教學，學習高超聲速風洞實驗理論知識。通過實驗網(wǎng)址鏈接直接啟動超聲速風洞虛擬仿真教學實驗，通過虛擬仿真“教”的功能，使學生了解實驗過程和內(nèi)容；通過虛擬仿真“練”的功能，學生可進行反復學習與自主探索；通過虛擬仿真“考”的功能，完成對高超聲速風洞實驗的知識考核，最終完成虛擬仿真實訓。在有條件的情況下學校另外組織開展高超聲速風洞實驗實物實訓，并將實物實訓照片、報告等資料作為實訓內(nèi)容和對實驗掌握程度的判斷之一。

1 高超聲速風洞虛擬仿真實驗教學項目建設的意義

（1）強化學生實踐能力，建立了以解決工程問題為核心的創(chuàng)新人才培養(yǎng)新模式。高超聲速風洞虛擬仿真實驗教學項目以培養(yǎng)基礎理論，扎實、動手能力強、創(chuàng)新能力突出的高素質(zhì)專業(yè)型人才為根本，以適應國家航空航天總體設計、氣動設計等領域人才需求為目標，以遵循學科發(fā)展規(guī)律為宗旨，進行了實驗內(nèi)容和管理模式的改革。虛擬仿真實驗教學課程改變了傳統(tǒng)的“一門課程、一門實驗、一人管理”的非系統(tǒng)性實驗方式，建立了新型的“基礎性實驗-綜合性實驗-研究性實驗-創(chuàng)新性實驗”的多層次化、多模塊化實驗教學體系，形成了適應學科特點及航空航天專業(yè)特點的系統(tǒng)、科學、完整的課程體系，還可將最先進最前沿的科學技術進展情況和企事業(yè)科技發(fā)展需求分析引入教學，提高了學生主動學習和實踐創(chuàng)新的積極性。

（2）以高超聲速空氣動力學為教學內(nèi)容，充分利用學院科研資源，豐富實驗教學內(nèi)容。實驗空氣動力學是飛行器設計專業(yè)課程培養(yǎng)方案中少數(shù)實驗實踐課程之一，受限于學分和課時，具備開設能力的16個實驗項目，每個學期只能實際進行3～4個基礎性實驗項目，其余實驗對于該屆學生只能遺憾錯過。如果建成高超聲速風洞實驗虛擬仿真教學項目，上述現(xiàn)象將不會繼續(xù)出現(xiàn)，可有效地提高空氣動力學、飛行器總體設計、飛行器飛行動力學等課程理論教學實踐水平，讓學生真正實現(xiàn)理論聯(lián)系實際，對飛行器相關氣動原理、特性及流場環(huán)境產(chǎn)生深刻認識；同時也能讓力學、機械工程等相關學科學生擴大學術視野，培養(yǎng)投身航空航天事業(yè)的興趣?？諝鈩恿W作為飛行器設計專業(yè)的骨干課程，其研究手段主要有理論分析、數(shù)值仿真和實驗測試3種；該虛擬仿真項目的建設將大大促進3種研究手段的融合和相互驗證，同時緊密結(jié)合相關學院教授研究團隊研究方向及成果，可為航空宇航學科長足發(fā)展尤其是空氣動力學專業(yè)的發(fā)展起到重要的支撐作用。

（3）注重學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)，立足實踐教學研究，實現(xiàn)遠程終端實驗教學，顯著提升教學效果。通過開放性實驗和多媒體遠程虛擬仿真實驗項目建設，可促進學生對課堂理論知識的理解；降低學生在真實實驗過程中操作誤差的風險；避免昂貴設備裝置由于操作失誤而發(fā)生的故障；彌補設備昂貴以至于學生無法全部參與操作的缺陷；解決多校區(qū)運行學生實驗難以開展的困局，使得實驗教學更具主動性、創(chuàng)新性、系統(tǒng)性和高效性［9］。

本項目擬設計和實現(xiàn)高超聲速風洞虛擬仿真實驗教學，開發(fā)風洞原理及結(jié)構(gòu)設計、風洞及相關實驗測量儀器的操作流程以及高超聲速風洞氣動及流場環(huán)境虛擬仿真實驗3個模塊內(nèi)容，探索實驗空氣動力學教學基礎實驗平臺新途徑，以解決實際問題為導向，結(jié)合理論所學知識，開展高超聲速氣動及流場環(huán)境測量實驗，努力培養(yǎng)符合時代需求的，實踐能力強和獨立創(chuàng)新思維的復合型人才。

2 高超聲速風洞虛擬仿真實驗教學項目的設計與實現(xiàn)

首先項目基于.NET技術的實驗平臺搭建軟件框架體系結(jié)構(gòu)。.NET有簡易性、安全性、可管理性等優(yōu)點，又能夠利用Microsoft Visual Studio.Net等多種工具進行開發(fā)，使得.NET非常適合作為網(wǎng)絡課程開發(fā)的支撐技術。利用.NET技術進行Web窗體框架的構(gòu)建，在Web服務器上運行以動態(tài)生成和管理Web窗體頁［10-11］。在框架的搭建過程中，基于C＃語言進行內(nèi)容編寫，可靈活進行網(wǎng)頁內(nèi)容調(diào)整和替換，開發(fā)出更為生動、形象的網(wǎng)頁內(nèi)容。基于.NET技術，利用數(shù)值模擬的結(jié)果文件，同時加入真實實驗測試結(jié)果作比較，完成整個實驗平臺的開發(fā)。操作界面內(nèi)能夠選擇壓力、速度、流線3種流場的數(shù)值模擬動態(tài)顯示結(jié)果，進而觀察流動的整個過程。觀察過程中，可以靈活調(diào)整動態(tài)顯示速度，有助于對于流場細節(jié)的理解。另外，由于整個實驗教學項目是基于.NET技術搭建而成的，因此可以通過局域網(wǎng)連接的方式搭建服務器，使得局域網(wǎng)內(nèi)其他電腦能夠隨時訪問，方便課程教學過程中的實施。圖1所示為高超聲速風洞虛擬仿真實驗教學項目框架圖，圖2所示為項目首頁。

2.1 高超聲速風洞原理及結(jié)構(gòu)設計

高超聲速風洞總體布局和超聲速風洞有很多相似之處，由機械壓縮（或激波及活塞壓縮）的氣體儲存在高壓容器內(nèi)，經(jīng)氣流壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)進入風洞的加熱器，上升到一定溫度再進入風洞前室。在前室（或穩(wěn)定段）中氣體經(jīng)整流，在收縮段加速，在噴管喉道處達到聲速，后經(jīng)擴散段，氣流被加速到高超聲速，經(jīng)噴管加速的高超聲速氣流進入試驗段，并在試驗段中完成氣動特性試驗。由于試驗后的氣流速度仍然很高（即靜壓很低），不能直接排入大氣，需要引射系統(tǒng)或真空系統(tǒng)幫助才能排入大氣。通常在引射系統(tǒng)或真空系統(tǒng)前面設置超聲速擴壓段，把高超聲速試驗氣流經(jīng)斜激波、正激波壓縮后提高試驗后的氣流壓力，再經(jīng)引射系統(tǒng)或真空系統(tǒng)排出風洞外。進入高超聲速風洞原理模塊后，點擊簡介按鈕，了解高超聲速風洞、激波風洞、電弧風洞、高超聲速低密度風洞、彈道靶5種風洞類型等相關信息［12］。圖3所示為高超聲速風洞原理模塊頁。

2.2 常規(guī)高超聲速風洞實驗操作仿真

本模塊主要了解常規(guī)高超聲速風洞實際操作流程，掌握操作流程中關鍵參數(shù)設置，熟悉安全規(guī)程。圖4所示為常規(guī)高超聲速風洞結(jié)構(gòu)組成簡圖。點擊“高超聲速風洞實驗”菜單，進入操作流程界面；依次點擊開啟控制臺電源—空壓機—真空泵—模型安裝—加熱器—高超聲速風洞實驗—實驗結(jié)束—數(shù)據(jù)處理。如圖5所示。

2.2.1 啟動階段

（1）檢查分系統(tǒng)狀態(tài)。分系統(tǒng)主要有氣源系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、實驗段、真空系統(tǒng)和測量系統(tǒng)等，在實驗啟動前檢查各分系統(tǒng)、各設備部件是否有明顯的損壞或不能正常工作。

（2）合上電源總開關，打開冷卻水和增壓泵開關，冷卻水開始循環(huán)工作，保證其他系統(tǒng)設備正常運轉(zhuǎn)。

（3）打開控制臺總電源，按下高超風洞電源按鈕，控制臺表顯區(qū)左側(cè)顯示試驗系統(tǒng)中各處壓力及溫度感應器監(jiān)控示數(shù)，如圖6所示。

（4）打開控制臺監(jiān)控系統(tǒng)電源，啟動實驗室內(nèi)的探頭實時監(jiān)控。

（5）啟動壓縮機。首先檢查壓縮機設置參數(shù)是否正常，如壓力輸出參數(shù)；查看壓力儲罐壓力表顯示讀數(shù)；確認壓縮機到儲氣罐的截止閥打開，儲氣罐的出口截止閥關閉。壓縮機運行時觀察是否正常，有無異常聲音，同時實時觀測控制臺氣源壓力變化情況。氣源壓力最大可達21 MPa，一般來說儲氣罐壓力到15 MPa左右，即可進行試驗。同時關閉壓縮機運行，觀察氣路各閥門是否有泄漏現(xiàn)象，如圖7所示。

（6）啟動真空抽吸機組。一般真空抽吸機組置于自動運行檔位，只需按啟動按鈕即可。啟動前確認冷卻水管是否暢通；檢查各泵潤滑油是否在標準油位線上，如不足應及時加油；手動蝶閥應逐漸打開；確認實驗艙下游的真空閘板閥和旁路閥已關閉；同時觀察運行是否正常，有無異常響動；實時監(jiān)控真空球罐真空度變化情況，如圖8所示。

2.2.2 運行階段

（1）打開實驗艙艙門，進行模型安裝、調(diào)整、接線等測量準備；同時更換好噴管，并安裝就位；如需紋影等光學測量，則同時進行光路調(diào)節(jié)及準備。完成后，關好艙門，確認密封無泄漏，如圖9所示。

（2）啟動加熱器按鈕。啟動前確認冷卻水開關打開。加熱器最高使用溫度是500 K，功率約為10 kW。加熱器加熱過程中身體不要觸碰加熱器殼體或外圍部件，以免燙傷。同時實時監(jiān)控加熱器溫度變化情況，加熱器的加熱溫度一般要比試驗總溫高50 K。加熱到所需溫度后，關閉加熱電源，等待10 min即可運行風洞，如圖10所示。

（3）真空抽吸系統(tǒng)已到相應真空度，一般為200 Pa左右即可，關閉真空系統(tǒng)手動蝶閥，打開實驗艙下游真空閘板閥旁邊的旁路閥1，待兩邊壓力平衡后，再全開閘板閥。此時如真空度下降明顯，還可以抽吸5 min左右。如此時需調(diào)整模型而打開實驗艙，可關閉閘板閥和旁路閥1后打開旁路閥2使實驗艙恢復常壓，待調(diào)整結(jié)束后按步驟2重新操作。

（4）調(diào)節(jié)進氣壓力。打開室內(nèi)外截止閥J1/J2，調(diào)節(jié)減壓閥上游的旁路小減壓閥，調(diào)節(jié)壓力至0.6 MPa左右，該控制氣路用于控制快速閥動作，然后根據(jù)實驗所需總壓調(diào)節(jié)大減壓閥壓力。

（5）正式開始試驗，可通過控制柜按鈕或電腦軟件操作進行，一般使用工控機控制界面來運行風洞，操作界面如圖11所示。同時界面中還可實時觀測各監(jiān)控參數(shù)變化情況。操作時先打開旁路閥K3使加熱器腔內(nèi)壓力緩慢升高，一定時間后打開加熱器上游快速閥K1，使加熱器腔內(nèi)壓力快速升至來流壓力，然后打開加熱器下游快速閥K2，試驗開始。經(jīng)過試驗設定工作時間后關閉加熱器上游快速閥K1和旁路閥K3，稍后關加熱器下游快速閥K2。工控機自動采集試驗數(shù)據(jù)。

（6）開展總溫高于500 K的實驗時，待實驗結(jié)束后應繼續(xù)運行風洞1～2次，以快速降低加熱器內(nèi)溫度。

2.2.3 關閉階段

（1）關閉實驗艙下游閘板閥和手動閥，打開艙門，調(diào)整模型或更換噴管等操作。

（2）進行數(shù)據(jù)分析和處理，同時開壓縮機、真空抽吸系統(tǒng)和加熱器，準備下一次試驗。

（3）整個實驗過程結(jié)束應先關閉氣源閥門，關閉減壓閥上游的旁路小減壓閥及大減壓閥，關閉儲氣罐下游截止閥，打開儲氣罐下游排氣閥放盡剩余氣體。

（4）加熱器自然冷卻至200℃（即475 K）方可關閉冷卻水系統(tǒng)。

（5）關閉試驗工控機及控制臺總電源，最后關閉電源總開關。

2.3 典型外型模型氣動力熱及空間流場特性

典型外型模型氣動力熱及空間流場特性具有典型代表性，有助于認識了解高超聲速流動的基本特征和演化機理。軟件第3模塊為“典型外形模型氣動力熱及空間流場特性”，可以學習鈍錐、圓柱和鈍圓柱等典型外型模型高超聲速氣動力熱及空間流場特性。

點擊所選模型類型（鈍錐、圓柱以及鈍圓柱）菜單，模型類型選好后選擇所要顯示的物理參數(shù)，如壓力、速度場、溫度以及密度等，如圖12所示。圖13所示為3類模型速度場分布特性。

3 平臺特色

（1）虛擬仿真軟件設計思路。軟件設計思路主要有：①WebGL新技術，以此制作開發(fā)實驗軟件，在符合示范性項目申報需求導向的同時，增強虛擬在線學習互動體驗感。②理虛實一體化，原理知識、理論公式、虛擬操作和仿真結(jié)果同時呈現(xiàn)，增強學習效果。

（2）教學方法創(chuàng)新。本軟件實踐采用“理虛實一體化”的教學模式，通過流程化的操作步驟，學生熟悉掌握高超聲速風洞運行操作步驟和要點；同時采用提示、自動化記錄的考查方式，以保證學生操作練習的可追溯性。在課堂教學應用時，將使現(xiàn)有的“老師講、學生聽”的“單向教學”模式升級為教學互動的“雙向教學”模式。

（3）評價體系創(chuàng)新。本軟件知識點隨機考核、運行操作流程可反復學習，典型特性可多參數(shù)顯示，以確保每一學生都能掌握學習目標，對理論知識與實操技能達到精熟的標準。由于軟件具有模型導入和有限元分析軟件接口，學有余力的學生還可自由設計導入個性化模型外型，運行數(shù)值仿真計算軟件，獲取繞流流場分布特性。

（4）對傳統(tǒng)教學的延伸與拓展。①時空拓展，虛擬仿真作為理論學習和實訓操作銜接的橋梁，能夠顯著增強學習體驗感和學習效果，提高學習效率，實現(xiàn)人、資源、數(shù)據(jù)、功能和場景的5聚合；②技術拓展，以WebGL技術和虛擬現(xiàn)實技術構(gòu)建高超聲速風洞虛擬仿真教學實驗，通過逼真的虛擬場景和標準化的步驟實現(xiàn)網(wǎng)頁直達的多人在線互動學習體驗。

4 結(jié) 語

通過高超聲速風洞虛擬仿真實驗教學項目的建設與開放共享，在力學及航空航天類課程實驗教學中效果顯著。該教學資源具有良好自主性、交互性和可擴展性，集創(chuàng)新設計、虛擬資源、教學管理和智能指導于一體。學生在短時間內(nèi)通過虛擬仿真軟件自主學習，掌握高超聲速風洞設計原理及結(jié)構(gòu)特征，并熟悉高超聲速風洞操作流程，認識了典型流場特性，使專業(yè)技能和解決實際問題的能力得到顯著提升。