飞机气动性能辅助计算演示系统设计

褚双磊, 温瑞英, 王 玉, 任 强, 魏志强

(1. 中国民航大学 空中交通管理学院, 天津 300300；2. 中国民航大学 天津市空管运行规划与安全技术重点实验室, 天津 300300)

飞机气动性能辅助计算演示系统设计

褚双磊1,2, 温瑞英1,2, 王 玉1,2, 任 强1,2, 魏志强1,2

(1. 中国民航大学 空中交通管理学院, 天津 300300；2. 中国民航大学 天津市空管运行规划与安全技术重点实验室, 天津 300300)

为帮助学生学好空气动力学课程,提高有关空气动力学的计算能力,达到卓越工程师教育培养计划的要求,设计了一款飞机气动性能辅助计算演示系统。该系统采用可视化编程语言,包括飞行力学基础计算、初级空气动力学计算和高级空气动力学计算等3个功能模块。可以设置不同计算参数和计算条件,实现快速输入、快速输出、实时显示计算结果,达到课上演示气动性能计算辅助教学的目的。

空气动力学； 飞机气动性能计算； 教学演示； 软件开发

中国民航大学多个二级学院设置有空气动力学课程,它们各有侧重和特点。例如:航空工程学院的空气动力学课程偏重于空气动力学基本理论知识以及流动方程、流体流动定律等基本原理；飞行技术学院的空气动力学课程偏重于飞行操纵和飞行原理中空气动力学知识的应用；而空中交通管理学院交通运输专业的空气动力学课程偏重于空气动力学基础知识在性能工程师和飞行签派员日常工作的实际应用[1],例如气压高度、各种空速、非标准大气、飞机稳定性、尾流等。

1 空气动力学课程的教学特点

空中交通管理学院交通运输专业空气动力学课程有以下教学特点:

(1) 空气动力学课程是后续课程的基础。空气动力学课程是飞机性能工程、飞机性能课程设计、飞行计划等课程的基础,对空气动力学知识掌握的程度,直接关系到学生后续专业课的学习。因此,必须把空气动力学的基本原理讲解清楚,培养学生具有坚实的知识基础和勇于担当的责任意识。

(2) 空气动力学课程要兼顾理论与实践的配合。空气动力学课程的前半部分主要是流动基本定理、飞机飞行中空气的流动规律(特别是高速流动的特点)、流体在飞机高速飞行中的特征和应用、飞机的空气动力学性能(升力特性、阻力特性、升阻比)；后半部分是空气动力学应用,主要是二维翼面、三维机翼空气流动规律，诱导阻力的产生，标准大气与实际大气参数，气压高度和几何高度，各种空速转换,民航飞机的三轴稳定性。其中某些理论知识比较抽象、公式推导比较复杂,不易被理解。随着计算机科学技术的发展,计算机可视化教学成为一种普遍的教学方式,可以达到理论知识和航空公司实际工作相结合的目的。

空中交通管理学院交通运输专业的空气动力学课程是飞机性能工程课程的基础[2]。空气动力学课程涉及很多与基本流动规律、流动特性和流动参数相关的计算内容,而且都是飞机性能工程师和飞行签派员必须掌握的内容,特别是飞机性能工程师的日常工作涉及大量空气动力学方面知识和计算。这就要求学生在课程学习中完成大量练习题,从而得到计算能力的锻炼和提高。因此,在空气动力学课程教学中需要一套飞机气动性能辅助计算演示系统,以便于进行教学演示和辅助训练。

2 飞机气动性能辅助计算演示系统总体结构

飞机气动性能辅助计算演示系统主要是为了培养学生对空气动力学基本知识的应用能力和对基本方程求解的能力,提高学生快速计算能力。该系统采用可视化编程语言,主要包括飞行力学基础计算、初级空气动力学计算和高级空气动力学计算等3个功能模块。

(1) 飞行力学基础计算模块。飞行力学基础计算模块主要辅助航空材料力学方面的常用计算,包括轴向拉压、扭转变形、弯曲变形等3种主要变形方式的计算和校核,以最终确定轴直径。

(2) 初级空气动力学计算模块。初级空气动力学计算模块主要是为帮助学生掌握空气动力学的基本概念、对应公式和基本计算原理,是空气动力学课程的简单计算内容。初级空气动力学计算模块的实验内容如图1所示。

图1 初级空气动力学计算模块

(3) 高级空气动力学计算模块。高级空气动力学计算模块是航空公司飞机性能工程师的复杂计算模块,首先要判断低速流动或者高速流动,分别进行低速/高速伯努利方程计算；进而实现总参数和静参数转换、激波和膨胀波判断；然后根据飞机实际运行数据进行飞行成本指数、燃油里程和航程计算[3]。高级空气动力学计算模块的实验内容如图2所示。

图2 高级空气动力学计算模块

3 课堂演示教学的应用

在空气动力学理论课教学中,一般只对理论公式进行简单介绍,没有更好地解释公式的内在含义、各个参数之间的联系和公式应用；而空气动力学的练习题也比较抽象难懂,习题课上的练习题单一,很难达到训练效果[4]。

鉴于此,课程组开发了空气动力学辅助计算演示系统。任课教师可以借助该系统让学生更加直观地理解空气动力学公式的含义,将计算原理简单、形象地展现出来,帮助学生深入掌握理论公式中各参数的联系,加深对公式应用的理解。通过输入不同的计算条件,学生可以绘制出输出参数的变化曲线,了解输出参数的变化规律。

3.1 课堂实践教学

以飞行雷诺数、展弦比、诱导阻力系数计算作为课堂演示实践教学案例(见图3)。

飞行雷诺数、展弦比和诱导阻力系数是空气动力学课程的基本概念,三者之间的关系如图4所示。

飞行雷诺数计算主要是根据飞机飞行速度、空气特性和机翼弦长计算雷诺数大小,判断层流或者紊流的流动状态。

图3 飞行雷诺数、展弦比、诱导阻力系数计算

图4 飞行雷诺数、展弦比、诱导阻力系数的关系

展弦比是三维机翼的一个参数,为翼展和机翼弦长之比。展弦比的大小直接影响诱导阻力的大小,展弦比越大,机翼的翼展越大,可以有效延缓上下翼面的压力差,减少诱导阻力。

诱导阻力系数主要是根据升力系数、机翼展弦比计算,进而计算诱导阻力大小。诱导阻力系数反映展弦比和诱导阻力的关系。

3.2 课上练习内容多样化

为了解决空气动力学课程练习内容单一的问题,设置了不同的计算条件,使每个学生的计算内容各不相同,提高了学生完成计算练习的独立性,但是也增加了教师批改作业的难度和工作量。

飞机气动性能辅助计算演示系统可以按照为学生设置的不同计算条件而进行计算,提前生成计算结果的数据列表(见图5),与学生计算的结果进行对比,判断学生的计算结果是否正确。计算结果数据列表也可以检查教师设置的计算条件是否超出民用飞机空气动力学性能的计算范围,提前掌控出题的方向和思路,避免出题错误。

图5 不同计算条件的输出计算结果

3.3 计算结果快速显示

课堂练习内容和练习项目设计[5]是帮助本科学生学好空气动力学课程的关键。一个既符合航空公司运行实践需求,又能满足空气动力学理论知识讲解要求的课堂练习项目,可以大大提高学生的学习积极性[6]和主动性。以前,传统的空气动力学课堂练习题目千篇一律,计算项目单一,计算条件相同,学生计算的结果也大致相同,教师很难对学生的真实水平进行量化评价。

针对以上问题开发的飞机气动性能辅助计算演示系统,能够结合航空公司实际运行要求,设计每个学生独立完成的空气动力学计算练习项目。由于给每个学生的计算条件不同,不会出现重复,形成了学生独立完成计算练习的氛围。通过空气动力学辅助计算演示系统,可以进行不同输入条件的计算并输出计算结果,使教师能够快速地对每名学生的计算内容进行判断和评分。

飞机气动性能辅助计算演示系统集合了飞行力学基础计算模块、初级空气动力学计算模块、高级空气动力学计算模块。本文以低速/高速伯努利方程为例,着重分析高级空气动力学计算模块如何实现计算机可视化教学的演示[7]。

伯努利方程是伯努利定理的公式表达,是空气动力学的基本方程,也是计算飞机飞行空速的基本定理。伯努利方程的应用分为低速伯努利方程和高速伯努利方程。低速伯努利方程适用于低速流动的流体,而高速伯努利方程适用于高速流动的流体,低速流动和高速流动的分界线为Ma=0.3,低速流动为Ma<0.3,高速流动为Ma>0.3。

关于伯努利方程的计算流程是:课前给每位学生不同的已知条件,分别是无穷远来流压强p∞、无穷远来流密度ρ∞、来流速度v∞。首先根据气体状态方程得出大气温度,进而计算音速和飞行马赫数,判断气体流动状态为低速流动还是高速流动,最终确定使用对应的伯努利方程。低速伯努利方程可以进行飞行表速的计算；高速伯努方程可以进行总参数和静参数转换、激波和膨胀波判断以及马赫角计算。伯努利方程计算流程见图6。

图6 伯努利方程求解计算流程

4 教学实施效果分析

飞机气动性能辅助计算演示系统从2013—2014学年开始试用,期间根据教学内容和课后习题的变化,对系统进行了多次功能模块的补充和完善,又经过2014—2015、2015—2016学年的空气动力学课程教学使用,学生的及格率和平均成绩逐年提高(见表1)。

表1 空气动力学近3年成绩统计情况

学生通过飞机性能辅助计算演示系统，可以直观地认识参数变化对计算结果的影响[8],提高了学习主动性,避免了学习上的懈怠。

5 结语

飞机气动性能辅助计算演示系统是一个针对空气动力学基本原理和计算方法的可视化教学演示系统,其特点是综合考虑了所有与航空公司飞行签派员[9]和飞机性能工程师所需要的空气动力学基本原理知识,集成了飞行力学基础计算、初级空气动力学计算和高级空气动力学计算3个主要功能模块。该系统阐释了空气动力学计算方法、计算原理和基本概念,提供了计算公式,并对相应计算结果进行直观显示。将空气动力学辅助计算演示系统引入空气动力学的课堂演示性教学和实践教学,可以增强学生对空气动力学理论知识的深入理解,提高学生解决实际问题的能力,为学生学习交通运输专业的空气动力学课程提供了一个良好的交互式学习平台,使学生可以切身地体会到航空公司性能工程师的实际工作内容[10],同时该系统可以为每个学生设定不同的计算条件,锻炼每个学生的动手能力,培养更多的卓越工程师。

References)

[1] 刘菲.本科专业课全英文授课教学改革实践与分析:以空管专业《空气动力学》为例[J].课程教育研究,2015(13):238.

[2] 褚双磊,温瑞英,李旭.基于工作视角的性能放行在《飞机性能工程》课程中的实践化改革探索[J].中国民航飞行学院学报,2015,27(2):73-76.

[3] 褚双磊,魏志强,谷润平,等.面向卓越工程师的飞机性能辅助计算演示系统开发与应用[J].实验技术与管理,2016,33(2):171-174.

[4] 张立栋,薛琳.CFD软件在计算空气动力学课程中的应用[J].教育教学论坛,2015(31):248-249.

[5] 杜巧连.液压课程实验仿真软件的开发与实践[J].实验室研究与探索,2007,26(1):55-58.

[6] 李纲,邱荣祖,林宇洪,等.基于VBA技术的交通调查实习软件的研制[J].实验室研究与探索,2008,27(5):59-62.

[7] 宋海珍,张鸿军,卢成.基于Maple软件的理论力学可视化教学探索[J].实验技术与管理,2012,29(1):93-95,133.

[8] 赵韩,杨文胜,韩春明,等.应力分析的计算机辅助可视化教学系统[J].合肥工业大学学报(自然科学版),2000,23(5):631-635.

[9] 褚双磊,韩红蓉.MEL放行在飞机系统教学中的应用研究[J].中国民航大学学报,2012,30(5):56-59.

[10] 褚双磊,韩红蓉,刘菲.MEL辅助放行中的性能修正应用研究[J].航空科学技术,2015,26(2):74-78.

Design of aerodynamics performance aided calculation demonstration system

Chu Shuanglei1,2, Wen Ruiying1,2, Wang Yu1,2, Ren Qiang1,2, Wei Zhiqiang1,2

(1. College of Air Traffic Management, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300,China; 2. Tianjin Key Laboratory of Operation Programming and Safety Technology of Air Traffic Management, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300,China)

In order to help students learn aerodynamics course, improve the aerodynamics computational ability, and meet the training requirements of excellent engineer, this paper introduces an aerodynamic aided calculation demonstration system. The system uses visual programming language and consists of three functional modules,including the basic module of flight mechanics, primary calculation of aerodynamics and advanced calculation of aerodynamics. Different calculation parameters and calculation conditions can be set up by this system. The aided calculation demonstration system achieves fast input and fast output, real-time calculation results which can be displayed. The teaching purpose of demonstration aerodynamics performance calculation teaching can be obtained.

aerodynamics; aerodynamics performance calculation; teaching display; software development

10.16791/j.cnki.sjg.2017.02.036

2016-09-12

中国民航大学实验技术创新基金项目(2016SYCX13)；中央高校基本科研业务费项目(3122014C021)；天津市教育科学“十三五”规划课题(HEYP5025)

褚双磊(1982—),男,天津,博士,讲师,主要研究方向为民用飞机飞行性能、飞行运行控制.

E-mail：chushuanglei@163.com

TP311

A

1002-4956(2017)2-0140-04