馬超　沙金濤

摘要：結(jié)合中國民航大學(xué)飛行器制造工程專業(yè)本科培養(yǎng)方案，基于ASP.NET技術(shù)開發(fā)適合民航機務(wù)類專業(yè)的數(shù)值風(fēng)洞實驗平臺，包括復(fù)雜管道流動、流體邊界層流動、常見翼型流動以及超音速流動四大類實驗內(nèi)容，實驗平臺具有良好的局域網(wǎng)操作環(huán)境與功能擴展能力，具有一定的教學(xué)實踐應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：ASP.NET技術(shù)；數(shù)值風(fēng)洞；數(shù)值模擬；流體力學(xué)

中圖分類號：G642.423 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）35-0277-02

一、引言

風(fēng)洞實驗是高等教育工科培養(yǎng)過程中流體力學(xué)與空氣動力學(xué)等課程的重要實驗內(nèi)容之一，在學(xué)生對流體力學(xué)和空氣動力學(xué)原理理解方面有著重要的作用。但是，昂貴的實驗設(shè)備與復(fù)雜的實驗過程也是限制風(fēng)洞實驗發(fā)展的重要因素，因此數(shù)值風(fēng)洞實驗是解決此矛盾的良好途徑之一。在中國民航大學(xué)飛行器制造工程專業(yè)本科生培養(yǎng)過程中，流體力學(xué)和空氣動力學(xué)都是專業(yè)課程，兩門課程都安排有相應(yīng)的實驗內(nèi)容，包括雷諾實驗、伯努利方程實驗、沿程阻力損失實驗以及風(fēng)洞演示實驗等內(nèi)容。由于專業(yè)的培養(yǎng)定位不同，機務(wù)類本科專業(yè)許多流體力學(xué)知識也需要了解，比如超音速流動、邊界層分離現(xiàn)象等。另外，由于專業(yè)涉及知識廣泛，在例如復(fù)雜管道流動特征等方面也需要了解。因此，通過搭建數(shù)值風(fēng)洞實驗平臺的方法，能夠很好的解決這個問題，實現(xiàn)良好的教學(xué)效果。

二、數(shù)值風(fēng)洞實驗大綱構(gòu)建

數(shù)值風(fēng)洞技術(shù)是基于計算流體力學(xué)方法發(fā)展而產(chǎn)生的一種數(shù)值模擬方法，將實際繞流或者內(nèi)流的流體力學(xué)與空氣動力學(xué)問題在計算機上進行有效地模擬，以確定其流動過程中速度、壓力與載荷等參數(shù)的變化情況，進而了解整個過程的發(fā)展機理[1]。數(shù)值風(fēng)洞技術(shù)有著低成本、低耗能、高可視性、模擬結(jié)果準確等特點，非常適合用于教學(xué)實驗領(lǐng)域的應(yīng)用。

基于數(shù)值風(fēng)洞技術(shù)，結(jié)合中國民航大學(xué)飛行器制造工程專業(yè)的培養(yǎng)方案，在現(xiàn)有流體力學(xué)與空氣動力學(xué)實驗的基礎(chǔ)上，總結(jié)了四大類可行性較高并且具有較為典型的流體力學(xué)和空氣動力學(xué)的實驗項目，包括復(fù)雜管道流動、流體邊界層流動、常見翼型流動以及亞跨超音速流動。其中，每一大類又包含了更為具體的實驗內(nèi)容，具體描述如下。

復(fù)雜管道流動是飛行器液壓與燃油過程中常見的流動現(xiàn)象，平臺針對90度彎管、收縮管道、擴張管道、分/匯流管道等開發(fā)實驗內(nèi)容，能夠有利于學(xué)生對飛行器液壓與燃油教學(xué)內(nèi)容的理解。邊界層理論是近現(xiàn)代流體力學(xué)與空氣動力學(xué)的理論基礎(chǔ)，不同形狀的物體在流體繞其流動過程中由于受到流體黏性與逆壓梯度的共同作用會引起邊界層分離，形成交替脫落的漩渦，產(chǎn)生“卡門渦街”的現(xiàn)象。翼型在大迎角情況下也會出現(xiàn)邊界層分離的現(xiàn)象。平臺針對圓柱繞流、楔形繞流、正方形繞流、翼型繞流四類型的繞流開發(fā)實驗內(nèi)容，使學(xué)生能夠更加清晰地觀察與邊界層相關(guān)的流體力學(xué)現(xiàn)象，加深對邊界層知識的理解。常見的翼型根據(jù)使用情況的不同有著不同的外形特征，如彎度、厚度、前緣半徑等，民航領(lǐng)域常用的有低速翼型、層流翼型和超臨界翼型等，平臺對對稱翼型與帶有彎度的翼型的繞流開發(fā)實驗內(nèi)容，使學(xué)生們了解了不同特征翼型的流場特性，理解了空氣動力學(xué)實際應(yīng)用的原理。亞跨超音速流動是空氣動力學(xué)知識內(nèi)容之一，通過數(shù)值風(fēng)洞能夠觀察超音速過程中激波等現(xiàn)象的特征，平臺針對超臨界翼型在不同馬赫數(shù)時的繞流開發(fā)實驗項目，使學(xué)生能夠觀察超音速過程中激波等現(xiàn)象的特征，擴寬學(xué)生的知識領(lǐng)域。

三、數(shù)值風(fēng)洞實驗內(nèi)容設(shè)計與實現(xiàn)

在已經(jīng)構(gòu)建好的實驗大綱的基礎(chǔ)上，開發(fā)的實驗項目內(nèi)容利用計算流體力學(xué)軟件FLUENT來完成。實驗內(nèi)容的設(shè)計與實現(xiàn)過程主要包括以下幾個步驟。

1.實驗?zāi)Ｐ偷臉?gòu)建。利用計算機輔助設(shè)計軟件，完成實驗?zāi)Ｐ偷臉?gòu)建，例如管道流動中的各種形狀的管道模型，翼型流動過程中不同的翼型模型，等等。實驗?zāi)Ｐ蜆?gòu)建過程中需要盡可能的與真實的實驗環(huán)境保持一致。

2.計算模型網(wǎng)格劃分。利用計算流體力學(xué)中的ICEM軟件進行計算模型的網(wǎng)格劃分，在整個計算域中進行網(wǎng)格的加密操作，滿足一定的精度要求。

3.求解器數(shù)值模擬。構(gòu)建好相應(yīng)的網(wǎng)格之后，將網(wǎng)格文件放入求解器FLUENT軟件中進行計算，數(shù)值模擬出流場情況，得到相應(yīng)的速度、壓力、流線等分布，進而輔助觀察流場情況。

4.可視化后處理。將計算完成的文件利用FLUENT軟件中的可視化功能完成流場的動態(tài)顯示，便于流場過程的觀察。

通過上述四個步驟的操作，最終形成了對應(yīng)實驗大綱內(nèi)容的數(shù)值模擬結(jié)果文件，其后續(xù)可以作為實驗平臺的開發(fā)過程中的相應(yīng)素材。

四、基于ASP.NET技術(shù)的實驗平臺開發(fā)

ASP.NET技術(shù)是.NET Framework框架體系結(jié)構(gòu)的一部分，常用于Web平臺開發(fā)。ASP.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ASP.NET非常適合作為網(wǎng)絡(luò)課程開發(fā)的支撐技術(shù)[2]。利用ASP.NET技術(shù)進行Web窗體框架的構(gòu)建，在Web服務(wù)器上運行以動態(tài)地生成和管理Web窗體頁。在框架的搭建過程中，基于C#語言進行內(nèi)容的編寫，可以靈活的進行網(wǎng)頁內(nèi)容的調(diào)整和替換，開發(fā)出更為生動、形象的網(wǎng)頁內(nèi)容?；贏SP.NET技術(shù)，在已經(jīng)構(gòu)建完成的數(shù)值風(fēng)洞實驗大綱的基礎(chǔ)上，利用數(shù)值模擬的結(jié)果文件，完成整個實驗平臺的開發(fā)，登陸界面如圖1所示。

打開平臺登錄界面之后，點擊右上角“進入平臺”，即可進入平臺的主頁面內(nèi)容中，如圖2所示。

由操作界面中可以看到，左側(cè)的操作菜單中可以選擇實驗大綱中對應(yīng)的各個實驗內(nèi)容，點擊后能夠選擇壓力、速度、流線三種流場的數(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，由于整個實驗平臺是基于ASP.NET技術(shù)搭建而成的，因此可以通過局域網(wǎng)連接的方式搭建服務(wù)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(xué)過程中的實施。

五、結(jié)論

數(shù)值風(fēng)洞實驗平臺基于計算流體力學(xué)方法，利用ASP.NET技術(shù)搭建，既能夠較為真實的模擬流場的流動狀態(tài)，又能夠借助于搭建的Web平臺實現(xiàn)良好的局域網(wǎng)操作環(huán)境與多樣化的功能擴展能力。實驗平臺的低成本、可視化效果好，有效地彌補了專業(yè)培養(yǎng)過程中實驗內(nèi)容涉及廣度不足的情況，具有一定的課程開發(fā)教學(xué)實踐應(yīng)用價值。

參考文獻：

[1]陸德龍.數(shù)值風(fēng)洞在我國的研究與進展[A].天津大學(xué).第十二屆全國現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)研討會暨第二屆全國索結(jié)構(gòu)技術(shù)交流會論文集[C].天津大學(xué)，2012：7.

[2]張奇.基于ASP.NET的網(wǎng)絡(luò)課程開發(fā)技術(shù)應(yīng)用研究[D].重慶大學(xué)，2005.