飞机空气动力学课程的实验教学

郭卫刚 王强

【摘要】在飞机空气动力学课程的教学实施过程中，必须要及时地开展相关的实验教学。阐述实验教学的特点，明确实验教学对培养学生动手能力、协作精神、创新思维能力及提高综合素质方面的重要作用。通过对实验教学在飞机空气动力学课程中的应用研究，表明实验教学能够激发学生学习飞机空气动力学课程的兴趣，可提高教学效果和学生的学习成绩。

【关键词】飞机空气动力学  实验  教学改革

【中图分类号】V221         【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2021）41-0115-02

一、课程基本情况

《飞机空气动力学》课程是我校飞行学生必修的一门核心航空理论课程，在人才培养方案中属于专业背景课程模块。通过该课程的学习，使学生掌握空气动力学的基本概念和基本理论，可为后续的其他专业背景课程提供理论基础，具有奠基作用。

学生通过课程学习，了解空气动力学的发展趋势及其在飞行实践活动中的意义和价值，理解空气动力学的基本概念，掌握空气动力学的基本原理和计算分析方法，做到能够理论联系实际，掌握运用理论指导实践的方法，培养分析和解决飞行实践活动实际问题的能力，养成科学的思维习惯和勇于实践的创新精神[1]。

二、实验教学的特点

飞机空气动力学课程主要介绍气流的流动以及空气与飞机相对运动时的气动特性。气流的流动在现实生活中不是很容易观察，而空气动力学中又有很多的公式原理等，这就造成了空气动力学理论比较抽象，理解起来有困难。而通过实验观察流动现象、验证基本定理和基本概念就容易让学生接受。因此，实验教学在飞机空气动力学课程中的地位就显得尤为重要，不可或缺[2-4]。

1.实验教学可帮助学生加深对所学内容的理解。学生可通过实验观察分析空气的流动状况，如果在实验中给空气加入颜色，并在激光发生器的配合下，空气的流动状态便一目了然。可能不需更多的讲解，学生一看就能明白空气的流动情况。同时，通过数据采集系统，可将测量的气动力以数据的形式显示在屏幕上，学生可直观的感受到气动力的大小和变化规律。

2.实验教学可培养学生的动手能力和协助精神。实验过程需要学生自己动手设计实验环节，改变模型飞机的姿态，调整风速大小等。对于课堂上的理论可自己改变条件进行验证，增强其动手能力，并提高学生对课程的兴趣。同时，有些实验需要几个同学一起协作进行才能完成实验数据的测量和采集，这就需求同学之间密切配合，分工明确。只有配合得好，实验结果才能更准确。

3.实验教学可培养学生分析思考能力，提高其综合素质。学生通过实验，能够积极参与到整个研究过程中，对于出现的问题，可引发其积极思考，热烈讨论。通过分析，查阅资料等主动寻找问题的答案和解决方法。在分析思考的过程中，无形中将理论与工程实际结合起来，从而将被动的学习变为主动探索的思考过程。这有利于学生发现问题，提出问题并主动的解决问题，加强其对知识的综合运用能力，其自身的综合素质也在思考探索的过程中得到提高。

三、实验教学在飞机空气动力学课程中的应用

飞机空气动力学实验的目的是通过模型，研究飞机上的空气动力的变化规律。它对学生理解飞机空气动力的现象以物理本质具有较大的帮助作用。因此，在课程中通过演示实验、综合性实验等可提供给学生直观的感受，有助于其对内容的理解和掌握[5-6]。

在飞机空气动力学课程的教学过程中，主要开展雷诺实验、翼型表面压力分布实验、全机气动力系数测量实验等，如表1所示。为了帮助学生更好地掌握实验的测量方法，在课程的教材中加入空气动力学实验原理和方法一章的内容，介绍常用的实验设备、测量原理及典型实验的实验方法[7-8]。在实验环节的设计上，尽量增加实验的趣味性、设计性、探索性，培养其主动思考、勇于探索的能力。

伯努利方程验证实验通过调节风扇的风速，从而改变流经伯努利实验模块的气流速度。伯努利实验模块是一个半透明的方形管道，内部组成包括一个收缩—扩张流道和一个可沿流道轴向移动的皮托管（用以测量气流的总压和静压），通过出口联接器连接至基本实验台上，另一端连接到多管压力计上，从而验证伯努利方程。如图1所示。

全机气动力系数测量实验采用的是开口回流低速风洞（如图2）。风洞由洞体、动力系统和测控系统组成。实验模型采用尾撑形式，测力元件采用杆式六分力应变天平，测压采用皮托管压力传感器，测速采用热线分析仪，流场流态显示采用激光片光系统。

翼型表面压力分布测量实验采用是直流低速风洞。该风洞采用开口吸入式设计，排气口安装有轴流风扇，最大风速36m/s。在机翼表面不同位置开设小孔，并由导管连接到多管压力计，通过调节不同迎角的大小，由液面高度差可测量不同迎角下的压力分布。除此之外，该风洞还可研究气流流过不同模型时的升阻特性、力矩变化、失速机理、襟翼影响等。学生可根据需要，拓展实验范围，加深对所学知识的研究深度和广度。

此外，学生还可以通过飞行演示风洞，研究固定翼飞机的飞行原理。通过操纵装置改变飞机的姿态、位置，从而演示飞机起飞、巡航、降落、失速等过程及现象。模型的机翼上覆盖有塔夫特丝线，也可观察气流在通过机翼时的流动状态和方向。

在实验教学的实施过程中，始终秉承“教为主导，学为主体”的教学理念展开。以学生为中心，就是从学生的需求出发，通过实验，提高学生的兴趣，发挥其主观能动性，锻炼其实践操作能力和综合运用知识的能力。学生可通过实验原理、实验方法、实验过程，得出实验结果，并通过分析验证所学空气动力学理论。此外，有兴趣和能力的学生还可以做深入的研究，探索发现一些未知领域，从而提高飞机空气动力学的教学实践效果。

六、结束语

通过飞机空气动力学课程的实验教学，学生学习的积极性提高了，学习效果也增强了。学生运用所学知识分析、解决实际问题的能力也得到提高。动手能力、创新思维能力、个人的综合素质及团队协作能力均得到加强。空气动力学实验是航空航天发展的基础，对其教学也必须得到高度重视。因此，在课程的实施过程中，实时地引入实验教学，可大大提高教学效果。

参考文献：

[1]郭卫刚，贾忠湖.飞行原理课程教学改革研究[J].课程教育研究，2014（15）：55-56

[2]张涛，张宪国.依托重点实验室培养本硕一体创新型人才探索[J].教育教学论坛，2020（51）：386-388.

[3]朱玉华，杨正宏.改革实验教学管理模式的实践[J]. 实验室研究与探索，2007（11）：117-120.

[4]徐荻秋，张铁.实验教学质量监控体系的构建与思考[J].机型教育研究，2019（3）：95-99

[5]华欣，任广旭，姜振国.基于“理实一体”教学模式的《空气动力学》有效教学改革研究[J].教育教学论坛，2016（18）：77-78.

[6]白亚磊，顾蕴松.空气动力学实验课程的研究型教学探索[J]. 课程教学，2013（12）：81-82.

[7]贾忠湖.飞行原理基础[M] .北京：国防工业出版社，2015

[8]方振平，陈万春，张曙光.航空飞行器飞行动力学[M].北京：北京航空航天大学出版社，2021

作者简介：

郭卫刚（1976年-），男，山东烟台人，副教授，研究方向：空氣动力学，飞行力学。