论文部分内容阅读
摘要：结合中国民航大学飞行器制造工程专业本科培养方案，基于ASP.NET技术开发适合民航机务类专业的数值风洞实验平台，包括复杂管道流动、流体边界层流动、常见翼型流动以及超音速流動四大类实验内容，实验平台具有良好的局域网操作环境与功能扩展能力，具有一定的教学实践应用价值。
关键词：ASP.NET技术；数值风洞；数值模拟；流体力学
中图分类号：G642.423 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）35-0277-02
一、引言
风洞实验是高等教育工科培养过程中流体力学与空气动力学等课程的重要实验内容之一，在学生对流体力学和空气动力学原理理解方面有着重要的作用。但是，昂贵的实验设备与复杂的实验过程也是限制风洞实验发展的重要因素，因此数值风洞实验是解决此矛盾的良好途径之一。在中国民航大学飞行器制造工程专业本科生培养过程中，流体力学和空气动力学都是专业课程，两门课程都安排有相应的实验内容，包括雷诺实验、伯努利方程实验、沿程阻力损失实验以及风洞演示实验等内容。由于专业的培养定位不同，机务类本科专业许多流体力学知识也需要了解，比如超音速流动、边界层分离现象等。另外，由于专业涉及知识广泛，在例如复杂管道流动特征等方面也需要了解。因此，通过搭建数值风洞实验平台的方法，能够很好的解决这个问题，实现良好的教学效果。
二、数值风洞实验大纲构建
数值风洞技术是基于计算流体力学方法发展而产生的一种数值模拟方法，将实际绕流或者内流的流体力学与空气动力学问题在计算机上进行有效地模拟，以确定其流动过程中速度、压力与载荷等参数的变化情况，进而了解整个过程的发展机理[1]。数值风洞技术有着低成本、低耗能、高可视性、模拟结果准确等特点，非常适合用于教学实验领域的应用。
基于数值风洞技术，结合中国民航大学飞行器制造工程专业的培养方案，在现有流体力学与空气动力学实验的基础上，总结了四大类可行性较高并且具有较为典型的流体力学和空气动力学的实验项目，包括复杂管道流动、流体边界层流动、常见翼型流动以及亚跨超音速流动。其中，每一大类又包含了更为具体的实验内容，具体描述如下。
复杂管道流动是飞行器液压与燃油过程中常见的流动现象，平台针对90度弯管、收缩管道、扩张管道、分/汇流管道等开发实验内容，能够有利于学生对飞行器液压与燃油教学内容的理解。边界层理论是近现代流体力学与空气动力学的理论基础，不同形状的物体在流体绕其流动过程中由于受到流体黏性与逆压梯度的共同作用会引起边界层分离，形成交替脱落的漩涡，产生“卡门涡街”的现象。翼型在大迎角情况下也会出现边界层分离的现象。平台针对圆柱绕流、楔形绕流、正方形绕流、翼型绕流四类型的绕流开发实验内容，使学生能够更加清晰地观察与边界层相关的流体力学现象，加深对边界层知识的理解。常见的翼型根据使用情况的不同有着不同的外形特征，如弯度、厚度、前缘半径等，民航领域常用的有低速翼型、层流翼型和超临界翼型等，平台对对称翼型与带有弯度的翼型的绕流开发实验内容，使学生们了解了不同特征翼型的流场特性，理解了空气动力学实际应用的原理。亚跨超音速流动是空气动力学知识内容之一，通过数值风洞能够观察超音速过程中激波等现象的特征，平台针对超临界翼型在不同马赫数时的绕流开发实验项目，使学生能够观察超音速过程中激波等现象的特征，扩宽学生的知识领域。
三、数值风洞实验内容设计与实现
在已经构建好的实验大纲的基础上，开发的实验项目内容利用计算流体力学软件FLUENT来完成。实验内容的设计与实现过程主要包括以下几个步骤。
1.实验模型的构建。利用计算机辅助设计软件，完成实验模型的构建，例如管道流动中的各种形状的管道模型，翼型流动过程中不同的翼型模型，等等。实验模型构建过程中需要尽可能的与真实的实验环境保持一致。
2.计算模型网格划分。利用计算流体力学中的ICEM软件进行计算模型的网格划分，在整个计算域中进行网格的加密操作，满足一定的精度要求。
3.求解器数值模拟。构建好相应的网格之后，将网格文件放入求解器FLUENT软件中进行计算，数值模拟出流场情况，得到相应的速度、压力、流线等分布，进而辅助观察流场情况。
4.可视化后处理。将计算完成的文件利用FLUENT软件中的可视化功能完成流场的动态显示，便于流场过程的观察。
通过上述四个步骤的操作，最终形成了对应实验大纲内容的数值模拟结果文件，其后续可以作为实验平台的开发过程中的相应素材。
四、基于ASP.NET技术的实验平台开发
ASP.NET技术是.NET Framework框架体系结构的一部分，常用于Web平台开发。ASP.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ASP.NET非常适合作为网络课程开发的支撑技术[2]。利用ASP.NET技术进行Web窗体框架的构建，在Web服务器上运行以动态地生成和管理Web窗体页。在框架的搭建过程中，基于C#语言进行内容的编写，可以灵活的进行网页内容的调整和替换，开发出更为生动、形象的网页内容。基于ASP.NET技术，在已经构建完成的数值风洞实验大纲的基础上，利用数值模拟的结果文件，完成整个实验平台的开发，登陆界面如图1所示。
打开平台登录界面之后，点击右上角“进入平台”，即可进入平台的主页面内容中，如图2所示。
由操作界面中可以看到，左侧的操作菜单中可以选择实验大纲中对应的各个实验内容，点击后能够选择压力、速度、流线三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，由于整个实验平台是基于ASP.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。
五、结论
数值风洞实验平台基于计算流体力学方法，利用ASP.NET技术搭建，既能够较为真实的模拟流场的流动状态，又能够借助于搭建的Web平台实现良好的局域网操作环境与多样化的功能扩展能力。实验平台的低成本、可视化效果好，有效地弥补了专业培养过程中实验内容涉及广度不足的情况，具有一定的课程开发教学实践应用价值。
参考文献：
[1]陆德龙.数值风洞在我国的研究与进展[A].天津大学.第十二届全国现代结构工程学术研讨会暨第二届全国索结构技术交流会论文集[C].天津大学，2012：7.
[2]张奇.基于ASP.NET的网络课程开发技术应用研究[D].重庆大学，2005.
关键词：ASP.NET技术；数值风洞；数值模拟；流体力学
中图分类号：G642.423 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）35-0277-02
一、引言
风洞实验是高等教育工科培养过程中流体力学与空气动力学等课程的重要实验内容之一，在学生对流体力学和空气动力学原理理解方面有着重要的作用。但是，昂贵的实验设备与复杂的实验过程也是限制风洞实验发展的重要因素，因此数值风洞实验是解决此矛盾的良好途径之一。在中国民航大学飞行器制造工程专业本科生培养过程中，流体力学和空气动力学都是专业课程，两门课程都安排有相应的实验内容，包括雷诺实验、伯努利方程实验、沿程阻力损失实验以及风洞演示实验等内容。由于专业的培养定位不同，机务类本科专业许多流体力学知识也需要了解，比如超音速流动、边界层分离现象等。另外，由于专业涉及知识广泛，在例如复杂管道流动特征等方面也需要了解。因此，通过搭建数值风洞实验平台的方法，能够很好的解决这个问题，实现良好的教学效果。
二、数值风洞实验大纲构建
数值风洞技术是基于计算流体力学方法发展而产生的一种数值模拟方法，将实际绕流或者内流的流体力学与空气动力学问题在计算机上进行有效地模拟，以确定其流动过程中速度、压力与载荷等参数的变化情况，进而了解整个过程的发展机理[1]。数值风洞技术有着低成本、低耗能、高可视性、模拟结果准确等特点，非常适合用于教学实验领域的应用。
基于数值风洞技术，结合中国民航大学飞行器制造工程专业的培养方案，在现有流体力学与空气动力学实验的基础上，总结了四大类可行性较高并且具有较为典型的流体力学和空气动力学的实验项目，包括复杂管道流动、流体边界层流动、常见翼型流动以及亚跨超音速流动。其中，每一大类又包含了更为具体的实验内容，具体描述如下。
复杂管道流动是飞行器液压与燃油过程中常见的流动现象，平台针对90度弯管、收缩管道、扩张管道、分/汇流管道等开发实验内容，能够有利于学生对飞行器液压与燃油教学内容的理解。边界层理论是近现代流体力学与空气动力学的理论基础，不同形状的物体在流体绕其流动过程中由于受到流体黏性与逆压梯度的共同作用会引起边界层分离，形成交替脱落的漩涡，产生“卡门涡街”的现象。翼型在大迎角情况下也会出现边界层分离的现象。平台针对圆柱绕流、楔形绕流、正方形绕流、翼型绕流四类型的绕流开发实验内容，使学生能够更加清晰地观察与边界层相关的流体力学现象，加深对边界层知识的理解。常见的翼型根据使用情况的不同有着不同的外形特征，如弯度、厚度、前缘半径等，民航领域常用的有低速翼型、层流翼型和超临界翼型等，平台对对称翼型与带有弯度的翼型的绕流开发实验内容，使学生们了解了不同特征翼型的流场特性，理解了空气动力学实际应用的原理。亚跨超音速流动是空气动力学知识内容之一，通过数值风洞能够观察超音速过程中激波等现象的特征，平台针对超临界翼型在不同马赫数时的绕流开发实验项目，使学生能够观察超音速过程中激波等现象的特征，扩宽学生的知识领域。
三、数值风洞实验内容设计与实现
在已经构建好的实验大纲的基础上，开发的实验项目内容利用计算流体力学软件FLUENT来完成。实验内容的设计与实现过程主要包括以下几个步骤。
1.实验模型的构建。利用计算机辅助设计软件，完成实验模型的构建，例如管道流动中的各种形状的管道模型，翼型流动过程中不同的翼型模型，等等。实验模型构建过程中需要尽可能的与真实的实验环境保持一致。
2.计算模型网格划分。利用计算流体力学中的ICEM软件进行计算模型的网格划分，在整个计算域中进行网格的加密操作，满足一定的精度要求。
3.求解器数值模拟。构建好相应的网格之后，将网格文件放入求解器FLUENT软件中进行计算，数值模拟出流场情况，得到相应的速度、压力、流线等分布，进而辅助观察流场情况。
4.可视化后处理。将计算完成的文件利用FLUENT软件中的可视化功能完成流场的动态显示，便于流场过程的观察。
通过上述四个步骤的操作，最终形成了对应实验大纲内容的数值模拟结果文件，其后续可以作为实验平台的开发过程中的相应素材。
四、基于ASP.NET技术的实验平台开发
ASP.NET技术是.NET Framework框架体系结构的一部分，常用于Web平台开发。ASP.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ASP.NET非常适合作为网络课程开发的支撑技术[2]。利用ASP.NET技术进行Web窗体框架的构建，在Web服务器上运行以动态地生成和管理Web窗体页。在框架的搭建过程中，基于C#语言进行内容的编写，可以灵活的进行网页内容的调整和替换，开发出更为生动、形象的网页内容。基于ASP.NET技术，在已经构建完成的数值风洞实验大纲的基础上，利用数值模拟的结果文件，完成整个实验平台的开发，登陆界面如图1所示。
打开平台登录界面之后，点击右上角“进入平台”，即可进入平台的主页面内容中，如图2所示。
由操作界面中可以看到，左侧的操作菜单中可以选择实验大纲中对应的各个实验内容，点击后能够选择压力、速度、流线三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，由于整个实验平台是基于ASP.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。
五、结论
数值风洞实验平台基于计算流体力学方法，利用ASP.NET技术搭建，既能够较为真实的模拟流场的流动状态，又能够借助于搭建的Web平台实现良好的局域网操作环境与多样化的功能扩展能力。实验平台的低成本、可视化效果好，有效地弥补了专业培养过程中实验内容涉及广度不足的情况，具有一定的课程开发教学实践应用价值。
参考文献：
[1]陆德龙.数值风洞在我国的研究与进展[A].天津大学.第十二届全国现代结构工程学术研讨会暨第二届全国索结构技术交流会论文集[C].天津大学，2012：7.
[2]张奇.基于ASP.NET的网络课程开发技术应用研究[D].重庆大学，2005.