GSP软件在航空发动机特性教学中的探索与实践

张华磊 王平 吕雪燕 罗艳春 崔连柱 邓俊 陈宇

摘  要：针对目前教学中存在的教学方法单一、重理论和轻实践的现实问题，为了进一步提高航空发动机特性的教学效果，我校积极探索将成熟的航空发动机特性专业仿真软件GSP融入到课程教学中。介绍了GSP软件的主要功能，并通过课前布置软件预习作业、课中边学边练、课后开展虚拟实验等方式将GSP软件融入到教学全过程，结果表明，该教学方法能够极大的激发学生的学习兴趣，提升学生自主探索的能力，使得学生的独创性和自主学习得到充分发挥，对于激发学生的运用、分析、综合、评价高阶思维能力起到了重要作用，获得了较好的教学效果。

关键词：航空发动机特性；GSP软件；教学改革；数值仿真中图分类号：G642   文献标志码：A

Exploration and Practice of Integrating GSP Software into Aeroengine Characteristics Teaching

Zhang Hualei    Wang Ping   Lv Xueyan  Luo Yanchun  Cui Lianzhu  Deng Jun  Chen Yu

Aviation University of Air Force   JilinChangchun  130022

Abstract： In order to improve the teaching effect of aeroengine characteristics， our school explores the integration of GSP software of aeroengine characteristics into the course as the current teaching methods is unitary， emphasize theory and neglect practice. This paper introduces the main functions of GSP software， and integrates GSP software into the whole teaching process through software preview before class， practices in class， and virtual experiments after class. The results show that this teaching method can greatly stimulate students' learning interest， improve students' ability of independent exploration， give full play to students' originality and independent learning， and stimulate students' application， analysis， synthesis This method has played an important role in training the students higher-order thinking ability and achieves good teaching effects.

Keywords： aeroengine characteristics；GSP software；teaching reform；numerical simulation

航空發动机特性是指同一台发动机在不同飞行条件下和不同调节规律下发动机主要性能参数的变化情况。发动机特性常常利用高空试验台通过实验的方法获得。随着计算机技术的发展，采用数值仿真的方法计算航空发动机特性逐渐得到广泛应用。由于航空发动机特性试验常常需要非常复杂、庞大、昂贵的设备，测量的参数相对较少，危险系数高，因此这就导致在通过实验的方法讲授航空发动机特性很难实现，为了解决这个问题，我们将发动机性能计算软件GSP引入到课堂教学中来辅助教学，通过数值计算的方式将抽象的理论直观地验证、讲授，课后学生可以利用软件开展虚拟仿真实验，进而提高了教学效果，培养了学生的高阶思维能力。

一、航空发动机特性教学现状

（一）航空发动机特性教学内容

航空发动机特性是航空发动机相关课程中学生必须要掌握的知识点，建立在各部件工作原理及特性的基础之上，是对发动机部件特性的综合性高阶应用，因此掌握航空发动机特性对于理解航空发动机原理至关重要。该部分主要讲授航空发动机各部件之间的相互匹配关系、三大特性、过渡工作特性、发动机使用特性以及控制规律等内容，涉及到涡喷、涡扇、涡轴、涡桨发动机4种类型的多种型号的发动机[1]。

（二）航空发动机特性教学特点

根据航空发动机特性的教学内容，我们总结出了发动机教学中的教学特点。

1.教学内容抽象

航空发动机特性教学的最大特点是教学内容抽象。航空发动机特性主要关注发动机各部件的匹配工作以及匹配工作下的总体性能，而不关注各部件的内部流动情况，这是与部件教学内容的最大区别。在部件教学内容中，虽然空气流动和发动机内部结构不可见，但是可以通过动画、三维模型[2]等展示部件的原理、结构等来提高教学效果，但是对于发动机特性教学，由于研究的是各部件相互影响、相互约束、协同工作，影响因素众多，而且各种影响因素相互耦合在一起，很难通过动画展示各部件的相互关联。

2.涵盖知识面广、内容系统性强

发动机特性教学内容融合了工程热力学、发动机部件工作原理及特性等大量的前期知识基础，又涉及到涡喷、涡扇、涡桨和涡轴多类型的动力装置，每种类型发动机又可以细分不同类型发动机，每种类型发动机又涉及到各部件的共同工作、稳态和动态特性、发动机的控制规律以及发动机的使用等。各个类型发动机之间既有联系，又有差别，甚至同一影响因素对于不同类型的发动机的影响结果是相反的，这导致这部分内容的知识多维、立体，涉及的专业知识点多、概念多、容易混淆。

（三）存在的主要问题

基于航空发动机特性的教学特点，结合近些年的教学情况，发现航空发动机特性教学中存在两个典型问题。

1.教学方法单一

目前对于航空发动机特性教学内容，主要是采用讲授法。比如在发动机匹配工作中，教学内容主要基于一定的模型假设和航空发动机各部件相互约束关系，结合复杂的各部件热力学关系公式推导得出共同工作线方程，并分析飞行条件、几何变化等对发动机工作点的影响。经过多年的教学，这种教学方法已经发展的比较完善，但是从教学效果来看，并不太理想，学生在上课过程中面对复杂的公式推导，容易产生厌烦情绪，学习积极性较差。学生学完相关知识之后，往往抓不住重点，对知识的理解、消化、吸收不彻底，看似明白，然而针对实际问题分析时又无从下手，捉襟见肘。

2.教学重理论、轻实践

航空发动机特性实验需要在高空试车台上完成，具有以下特点：实验成本高，难以对大批学生开放教学；实验风险大，发动机工作时转速高、排气温度高。实验采集到的数据有限，有些工况在实验中难以实现。因此这也导致目前航空发动机特性的教学主要通过简化的理论公式推导来进行讲授，而无法通过教学实践将理论公式和特性变化情况真正落地，导致学生很难深入理解发动机特性的关键影响因素及其变化规律和掌握发动机特性的分析方法，学生的学习体验感和获得感不强，分析问题、解决问题的能力没有得到提高，与课程教学目标还有不少的差距。

为了进一步提高航空发动机特性的教学效果，我校积极探索将成熟的航空发动机特性专业仿真软件GSP融入到课程教学中，国外也有类似做法[3]。通过课前布置软件预习作业、课中边学边练、课后开展虚拟实验等方式将GSP软件融入到教学全过程。

二、GSP软件介绍

GSP软件（gas turbine simulation program）是欧洲国家航天实验室开发的面向对象燃气涡轮发动机总体性能分析软件。GSP软件是基于部件模型开发的零维发动机性能计算程序，采用面向对象的程序设计方法，用户界面友好。用户可以在集成环境窗口中，通过拖拽部件图标以搭积木的方式构造任意结构形式的燃气涡轮发动机，能够比较准确地实现飞行包线内发动机的稳态和动态性能仿真，并能输出发动机的性能数据和各部件的热力学数据，计算结果可以直接导出或者借助GSP软件完善的数据处理功能来直观地进行展示[4]。GSP还配备有标准控制工具条，可以实现发动机的燃油控制、喷管面积控制、导向叶片控制等。

三、GSP软件在航空发动机特性教学中的应用与实践

（一）总体思路

为了更好地发挥GSP软件在发动机特性中的作用，课程组首先将教学内容的知识点进行了梳理，确认哪些知识点可以结合GSP软件进行展开，其次将GSP软件的具体实施过程融入到课前、课中、课后三个教学阶段。GSP软件融入课堂的具体形式可以结合具体采用的教学方法来确定。此外还可以结合GSP软件虚拟仿真实验开展翻转教学、混合式教学等。

（二）教学内容梳理

根据航空发动机特性教学内容，根据教学目标，结合GSP軟件的主要功能，课题组确定了课程内容知识点与GSP软件辅助教学内容的对应关系，如表1所示。

（三）实施步骤

1.课前

课前关于GSP软件运用主要基于以下两方面考虑。一是让学生结合教学内容熟悉GSP软件的相关操作。为了尽快地让学生熟悉软件操作和使用以及软件背后计算的基本原理，课题组录制了软件使用视频教程，制作了简易版软件使用手册，并利用课余时间来辅导学生学习GSP软件。教程涵盖了软件的基本使用、不同类型发动机性能仿真模型的建立和求解、稳态和瞬态计算等，软件使用的学习根据课程进度安排，遵循循序渐进的原则，从最简单的单转子涡喷发动机逐渐过渡到双转子涡喷发动机、涡扇发动机以及涡桨、涡轴发动机等。二是利用预先设置的思考题，通过让学生开展部分发动机特性计算，引导学生在发动机性能计算中发现问题、思考问题。比如在发动机各部件的共同工作中，在课前预设的其中两个问题是：①发动机各部件匹配工作时，需要满足哪些条件，并根据仿真结果举例说明。②利用GSP软件构建的单转子涡喷发动机模型计算发动机的共同工作线，飞行马赫数和飞行高度变化时发动机的工作点和共同工作线会如何移动？共同工作线是靠近喘振边界还是远离喘振边界，为什么？这些问题的提出有利于激发学生的学习兴趣，也发挥了学生学习的主体作用，提高学生分析问题的能力。

2.课中

课中是GSP软件发挥作用的主战场。目前教学中的主要做法是将其穿插到课堂教学之中，让学生亲自动手计算发动机特性。这使得学生能够很方便地观察发动机推力和耗油率的变化以及发动机各部件匹配时工作点的变化情况，且当修改飞行条件和油门杆位置等参数时，可以实时、直观地观察到参数变化对发动机性能和各部件工作点的影响。获得计算结果后，通过与书上的特性曲线、理论解释进行对比分析，一方面对发动机特性来进行验证，另外一方面学生可以尝试根据计算结果对发动机特性的变化趋势做理论分析，找出变化趋势变化的内在逻辑，加深学生对知识的理解、消化和吸收。在这个过程中学生在老师的引导下能够主动建构知识，这种方式获得的知识学生印象才能够更深刻，也培养了学生的学习能力以及高阶思维。同时学生亲自实践获得结果会使学生有较大的成就感，也就激发了他们的学习兴趣。相对于传统的理论讲授，这种方式使得枯燥的理论知识变得形象、具体，使得教学过程有了具体的抓手，还可以使学生不受时间、空间和物质条件的限制验证所学理论知识的正确性。另外，书上的理论讲解往往只从一个角度进行解释，而通过虚拟仿真实验中学生的自主探索，很有可能给出另外一种解释，这无疑具有很强的创新性。这种教学方式也正是“做中学、学中做”的教学理念地体现，即在教学过程中老师和学生双方边教、边学、边做，它充分发挥了教师的主导作用和突出了学生的主体地位，这一理念的实施，也必将直接的改变学生的学习方式。

GSP在课堂上的具体融入形式，老师可以根据教学内容自行设计，课题组主要采用了如下两种方法。（1）翻转课堂：学生将预习过程中分析不明白的问题带入课堂，在课堂上采用讨论的方式，结合教师讲授开展学习，然后开展相应的发动机特性计算，进一步巩固知识，破解疑惑；（2）对比学习。比如在讲解不同类型发动机特性、控制规律对发动机特性影响的教学中就利用GSP计算来对比分析发动机特性。

3.课后

课后主要是让学生在课余时间利用GSP软件开展航空发动机特性虚拟仿真自主性实验。学生可以根据研究的兴趣，自主地选择实验的发动机类型、设置发动机参数，独立完成发动机性能实验，分析选定的分析参数对发动机工作特性的影响。让学生自主探索不同类型航空发动机的部件参数、特性、使用条件、燃油控制对发动机性能的影响，学生既可以开展限定性实验，也可以开展设计性、自主性、开放性实验，即由老师给定的实验题目、实验要求及可供学生选择的实验条件，由学生自己提出设计思想、拟定实验方案，确定虚拟实验条件、实验参数，并基本独立完成实验的全过程。

通过将GSP软件融入到课前、课中、课后的教学环节中，解决了发动机教学过程中教学方法单一、教学重理论轻实践的教学难题，使得学生能够课下根据自己的实践随时、随地利用软件开展发动机特性仿真。在上课之前，学生已具备对发动机特性初步认知，老师可以根据学生预习情况开展更深入的研讨式教学活动，以及教师对于重点、难点、反馈的共性问题进行针对性讲授。实现了从验证式教学模式向探究式教学模式过渡，由灌输式教学模式向引导式再到自主式学习模式的转变。

结语

航空发动机特性教学内容抽象，涵盖知识面广、内容系统性强，涉及到4种不同类型的发动机，知识多维、立体，教学过程中学生容易产生厌烦情绪，学习积极性差，对知识的理解、消化、吸收不彻底，与教学目标还存在不少差距。在此背景下，课题组积极将航空发动机特性专业仿真软件GSP引入到课堂教学全过程，实践表明，利用GSP软件能够加深学生对知识的掌握，激发了学生的学习兴趣，对于培养了学生自主学习能力起到了重要作用。

参考文献：

[1]魏思东.航空动力装置[M]. 北京：航空工业出版社，2019.

[2]袁忠大，李航，张勇. 航空发动机课程计算机仿真教学研究[J]. 装备制造技术，2020（7）：3.

[3]Byerley A R，Rouser K P，DO ODowd. Exploring GasTurb 12 for Supplementary Use on an Introductory Propulsion Design Project[C]. Asme Turbo Expo： Turbomachinery Technical Conference & Exposition，2017.

[4]苏三买，聂乾鑫. 燃气涡轮发动机数值仿真软件GSP综述[C]. 中國航空学会第三届航空发动机可靠性学术交流会，2005.

作者简介：张华磊（1991—  ），男，汉族，河南周口人，博士，讲师，研究方向：航空发动机。