張 魏，李廣超

（沈陽(yáng)航空航天大學(xué)航空發(fā)動(dòng)機(jī)學(xué)院 遼寧 沈陽(yáng) 110136）

實(shí)踐教學(xué)在工科專業(yè)教學(xué)中具有重要地位，是鍛煉學(xué)生運(yùn)用基礎(chǔ)理論知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題和培養(yǎng)創(chuàng)新人才的重要手段[1-5]。將多學(xué)科交融內(nèi)容融入一個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，進(jìn)行多學(xué)科交叉一體化的綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，可以培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力[6]。目前的動(dòng)力類專業(yè)實(shí)踐教學(xué)除了開(kāi)設(shè)PVT實(shí)驗(yàn)、噴管特性實(shí)驗(yàn)、橫掠平板換熱實(shí)驗(yàn)外，在一些高校還開(kāi)設(shè)了先進(jìn)的PIV實(shí)驗(yàn)、液晶測(cè)溫實(shí)驗(yàn)等[7]。這些實(shí)驗(yàn)通常是驗(yàn)證性的，學(xué)生被動(dòng)理解課本中相關(guān)的基礎(chǔ)理論，不利于創(chuàng)造性思維能力的開(kāi)發(fā)。在“工程教育專業(yè)認(rèn)證”背景下，教師需要設(shè)計(jì)行之有效的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)來(lái)激發(fā)學(xué)生對(duì)主動(dòng)學(xué)習(xí)知識(shí)的興趣。

我國(guó)著名的熱流科學(xué)教育家何雅玲和陶文銓院士提出有所側(cè)重地將工程熱力學(xué)和傳熱學(xué)融為一體的教學(xué)思想[8]。而將熱流基礎(chǔ)課和專業(yè)課融合卻是一種新的想法。燃?xì)廨啓C(jī)原理是能源動(dòng)力類和航空航天類專業(yè)的主要專業(yè)課之一。燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片典型冷卻方式為內(nèi)部強(qiáng)化換熱和外部氣膜冷卻相結(jié)合的復(fù)合冷卻[9]，將這種冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化后，利用相似原理設(shè)計(jì)成帶擾流肋的內(nèi)通道與氣膜孔冷氣出流的復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)，應(yīng)用于本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)。冷卻特性設(shè)計(jì)涉及流阻、對(duì)流換熱和氣體狀態(tài)變化等熱流學(xué)科基礎(chǔ)知識(shí)?；诖?，課程組針對(duì)飛行器動(dòng)力工程專業(yè)和能源與動(dòng)力工程專業(yè)開(kāi)設(shè)了“熱工流體綜合實(shí)驗(yàn)”獨(dú)立課程，將流體力學(xué)、傳熱學(xué)和工程熱力學(xué)以及燃?xì)廨啓C(jī)原理相關(guān)知識(shí)交融結(jié)合在一起，設(shè)計(jì)、搭建了應(yīng)用于本科教學(xué)的開(kāi)放性熱工流體綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)，實(shí)驗(yàn)裝置和測(cè)量方法允許學(xué)生動(dòng)手改造，使實(shí)驗(yàn)具有設(shè)計(jì)性特點(diǎn)，將多門課程的知識(shí)融合到一個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)課中，學(xué)生不僅能夠在專業(yè)氛圍中學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識(shí)，還可以在專業(yè)實(shí)踐中鍛煉運(yùn)用基礎(chǔ)知識(shí)的能力。培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立主動(dòng)分析和解決問(wèn)題的能力，

1 熱工流體綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

熱工流體綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)是以燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)為參考，結(jié)合相關(guān)教學(xué)科研工作，將流體力學(xué)、傳熱學(xué)和工程熱力學(xué)涉及的部分基礎(chǔ)知識(shí)融入其中，由本文作者等相關(guān)教師開(kāi)發(fā)研制的一套教學(xué)設(shè)備。如圖1 所示，渦輪葉片內(nèi)部冷氣通道具有復(fù)雜的擾流肋和氣膜孔結(jié)構(gòu)，是流阻和傳熱設(shè)計(jì)重點(diǎn)考慮的部位，氣膜孔噴出冷氣在外壁面形成氣膜冷卻。熱工流體綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)示意圖如圖2 所示，由兩個(gè)交錯(cuò)直通道組成，氣源分別由鼓風(fēng)機(jī)提供。上通道模擬葉片外部燃?xì)饬鲃?dòng)，下通道模擬葉片內(nèi)部冷氣流動(dòng)，內(nèi)壁可以布置不同尺寸和結(jié)構(gòu)的肋條來(lái)實(shí)現(xiàn)粗糙壁面。沿著流動(dòng)方向布置8 個(gè)壓力點(diǎn)，測(cè)量沿程壓力變化，通過(guò)水排進(jìn)行壓力測(cè)量。通道內(nèi)表面布置鋼帶加熱膜，通過(guò)直流電源產(chǎn)生等熱流密度邊界條件。在鋼帶壁面沿流動(dòng)方向布置10 個(gè)熱電偶測(cè)量壁面溫度。采用速度探針測(cè)量速度，利用微壓計(jì)讀取壓差。圖3 為熱工流體綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)照片。

圖1 燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)

圖2 熱工流體綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)示意圖

圖3 熱工流體綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)照片

2 教學(xué)改革內(nèi)容及特色

熱工流體綜合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括基礎(chǔ)性對(duì)比驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)、發(fā)動(dòng)機(jī)葉片氣膜冷卻設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、先進(jìn)的壁面抽吸強(qiáng)化換熱實(shí)驗(yàn)、流動(dòng)傳熱數(shù)值仿真，以及開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)，如圖4 所示（p76）。進(jìn)行通道內(nèi)流動(dòng)阻力、換熱系數(shù)測(cè)量以及流動(dòng)傳熱顯示，外部氣膜冷卻效率測(cè)量等。

圖4 熱工流體綜合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

基礎(chǔ)性對(duì)比驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)：①自然對(duì)流傳熱實(shí)驗(yàn)；②光滑管內(nèi)強(qiáng)迫對(duì)流換熱實(shí)驗(yàn)；③粗糙管內(nèi)強(qiáng)迫對(duì)流換熱實(shí)驗(yàn)；④光滑管流阻實(shí)驗(yàn)；⑤粗糙管流阻實(shí)驗(yàn)；⑥氣體狀態(tài)參數(shù)計(jì)算和應(yīng)用。

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)，鞏固學(xué)生對(duì)流體力學(xué)、傳熱學(xué)和工程熱力學(xué)基本定律的理解。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)揮主動(dòng)性和創(chuàng)造性設(shè)計(jì)粗糙肋位置，而后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并利用課本相關(guān)知識(shí)進(jìn)行驗(yàn)證（見(jiàn)圖4，p76）。

2.1 氣膜冷卻設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

氣膜孔的出流使得燃?xì)夂腿~片表面之間增加了傳熱熱阻，可以減少燃?xì)庀蛉~片表面的傳熱量，從而達(dá)到熱防護(hù)的目的。通過(guò)實(shí)驗(yàn)以及前期相關(guān)資料的準(zhǔn)備，讓學(xué)生了解和掌握氣膜冷卻的原理，了解實(shí)際工程中氣膜效率測(cè)量過(guò)程和方法以及數(shù)據(jù)的處理，加深對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件冷卻的認(rèn)識(shí)。

2.2 壁面抽吸情況下流阻換熱實(shí)驗(yàn)

壁面抽吸可以改變通道內(nèi)的流量、破壞邊界層，改變通道流阻特性和換熱特性。通過(guò)對(duì)比通道壁面有無(wú)抽吸的流阻和換熱特性，加深對(duì)換熱強(qiáng)化和減阻物理機(jī)制的理解，并且提高學(xué)生設(shè)計(jì)和分析的能力。

2.3 流動(dòng)傳熱數(shù)值仿真

學(xué)生利用計(jì)算流體力學(xué)軟件，針對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行簡(jiǎn)單數(shù)值仿真或虛擬實(shí)驗(yàn)[10]，獲得詳細(xì)的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)。計(jì)算模型可以簡(jiǎn)化為二維結(jié)構(gòu)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，觀察壁面附近速度和溫度變化規(guī)律，理解肋和氣膜孔對(duì)流動(dòng)和傳熱的影響。

2.4 開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

該實(shí)驗(yàn)為選擇性內(nèi)容，學(xué)有余力的學(xué)生根據(jù)興趣愛(ài)好，依托已有設(shè)備，提出實(shí)驗(yàn)設(shè)想，在教師指導(dǎo)下設(shè)計(jì)內(nèi)部強(qiáng)化換熱以及外部氣膜冷卻實(shí)驗(yàn)并實(shí)施，達(dá)到鍛煉思維創(chuàng)造力的目的。

3 熱工流體綜合實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展

目前學(xué)生運(yùn)用理論知識(shí)能力較弱的一個(gè)原因是理論沒(méi)有很好地在實(shí)踐中體現(xiàn)。沈陽(yáng)航空航天大學(xué)熱工流體綜合實(shí)驗(yàn)課是在熱工課和專業(yè)課基礎(chǔ)上，以專業(yè)特色和工程應(yīng)用為背景開(kāi)設(shè)的一門基礎(chǔ)性、開(kāi)放式、綜合型實(shí)踐教學(xué)課程。教學(xué)環(huán)節(jié)包括實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)儀器原理和使用方法講解、實(shí)驗(yàn)過(guò)程操作及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理等。每組實(shí)驗(yàn)人數(shù)5―6 人，本著人人參與的原則，學(xué)生自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)任務(wù)分解和分工。課程持續(xù)一周：最初三天讓學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、操作，數(shù)據(jù)處理和分析，之后利用一天時(shí)間針對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行簡(jiǎn)單的二維數(shù)值仿真，最后一天撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告。學(xué)有余力的學(xué)生在處理分析完實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后，往往喜歡跟老師探討實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并且來(lái)實(shí)驗(yàn)室反復(fù)做該實(shí)驗(yàn)，或者做一些自己設(shè)計(jì)的開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)。整個(gè)過(guò)程極大地鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力，調(diào)動(dòng)了學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了創(chuàng)新意識(shí)。

預(yù)習(xí)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。在實(shí)驗(yàn)周開(kāi)始前一周左右給學(xué)生布置任務(wù)，讓學(xué)生復(fù)習(xí)相關(guān)知識(shí)，理解實(shí)驗(yàn)測(cè)量目的，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)和操作過(guò)程預(yù)演等。掌握需要測(cè)量參數(shù)的物理意義，充分了解測(cè)量參數(shù)所需要的實(shí)驗(yàn)儀器，以及這些儀器的測(cè)量原理和操作方法，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可能產(chǎn)生的誤差等等，并寫(xiě)出預(yù)習(xí)報(bào)告。比如測(cè)量通道壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，讓他們根據(jù)傳熱系數(shù)計(jì)算公式反推整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中學(xué)生就會(huì)發(fā)現(xiàn)需要測(cè)量熱流密度，而熱流密度需要通過(guò)電源加熱產(chǎn)生，學(xué)生就要考慮用什么方法產(chǎn)生均勻的熱流密度。給定多大的電流和電壓。壁面溫度用什么來(lái)測(cè)量？如果用熱電偶，那么熱電偶的測(cè)溫原理、測(cè)量方法、熱電偶的布置以及熱電偶測(cè)量精度與什么有關(guān)等都需要掌握。測(cè)量傳熱系數(shù)用的是穩(wěn)態(tài)測(cè)量方法，那么加熱量會(huì)不會(huì)損失，測(cè)量結(jié)果是否需要進(jìn)行修正，怎么修正？等等。讓學(xué)生在充分預(yù)習(xí)并且撰寫(xiě)預(yù)習(xí)報(bào)告的基礎(chǔ)上再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作和后續(xù)數(shù)據(jù)處理，可以讓他們更好地理解基礎(chǔ)知識(shí)，更好地操作實(shí)驗(yàn)過(guò)程，最終夯實(shí)學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)、拓寬的學(xué)生思路、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。

內(nèi)部通道換熱實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)室提供用于粗糙壁面設(shè)計(jì)的方形肋條、梯形肋條、半圓柱肋條以及三角形肋條等多種粗糙元結(jié)構(gòu)。學(xué)生設(shè)計(jì)粗糙元結(jié)構(gòu)以及它們?cè)谕ǖ纼?nèi)的排布方式。處理數(shù)據(jù)時(shí)，壁面熱流邊界需要考慮固體導(dǎo)熱和壁面與環(huán)境之間的輻射換熱，即將三種傳熱方式統(tǒng)一體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)中，分析不同傳熱方式的傳熱量比例。氣膜冷卻實(shí)驗(yàn)中給定合適的電源加熱量，使主流和二次流產(chǎn)生一定的溫差，讓學(xué)生測(cè)量?jī)赏ǖ罋怏w流速以及氣膜孔下游不同距離處的壁面溫度。以實(shí)驗(yàn)件與主流溫差和冷氣用量?jī)身?xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)優(yōu)劣。

以往課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)通常由不同教師承擔(dān)，流體力學(xué)、傳熱學(xué)、工程熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)的授課老師也可能不同，傳授的知識(shí)點(diǎn)相對(duì)獨(dú)立，不利于課堂教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的融合。熱工流體綜合實(shí)驗(yàn)由相關(guān)課堂授課老師聯(lián)合進(jìn)行指導(dǎo)，部分課堂內(nèi)容在實(shí)踐教學(xué)中體現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)的結(jié)合。利用流體力學(xué)計(jì)算軟件讓學(xué)生開(kāi)展簡(jiǎn)單的仿真計(jì)算，并與相應(yīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，從直觀上加深對(duì)流動(dòng)傳熱物理現(xiàn)象的理解。直觀的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的顯示，可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性以及對(duì)熱流學(xué)科學(xué)習(xí)的興趣。圖5 和圖6 為學(xué)生自主設(shè)計(jì)布置并且計(jì)算出的粗糙矩形肋通道內(nèi)部流場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布圖。

圖5 通道內(nèi)流場(chǎng)

圖6 通道內(nèi)溫度場(chǎng)

4 結(jié)束語(yǔ)

教學(xué)效果表明，通過(guò)一周的實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)處理，簡(jiǎn)單的數(shù)值仿真計(jì)算，以及一周的課前預(yù)習(xí)，熱工流體綜合實(shí)驗(yàn)課強(qiáng)化了學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)理論知識(shí)的理解，培養(yǎng)了學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)的興趣，提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力、動(dòng)手操作能力和創(chuàng)新思維能力。實(shí)現(xiàn)了專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課教學(xué)的結(jié)合，理論教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)和工程應(yīng)用的統(tǒng)一。