虚拟风洞仿真实验

责任编辑：系统管理员 2020-2-18 0:56:00 浏览：49205

一、项目名称

虚拟风洞仿真实验

二、教学目标

风洞是空气动力学教学的重要实验设备，通过风洞学生可以观察、了解典型流动现象，树立正确的流场认知，小型风洞、水洞等演示实验已在实际教学活动中得到广泛应用。风洞成本高、数量少，难以保障所有学生的实际操作。而且风洞实验设备操作、模型制作、传感器安装等对操作者要求很高，某些风洞设备涉及高压电、高压气罐、高温气体等，实验风险大，因此高校的常规教学中学生难以完成风洞的全流程实验操作，通常以参观和演示实验为主。

本项目采用虚拟现实技术，构建可操作的虚拟风洞仿真实验场景，帮助学生了解真实风洞的关键部件，掌握真实风洞的操作步骤，加深对气动现象的理解，巩固空气动力学系列课程的教学效果。

本项目包括三个虚拟仿真实验模块，其实验目的分别为：

1.    低速风洞翼型测压实验

通过构建低速风洞模型和仿真实验模块，可开展低速翼型表面压强分布的测量实验，帮助学生掌握低速风洞实验操作基本流程，认识低速风洞关键部件和设计原理，加深对翼型表面压力分布气动原理的理解。

2.    常规高超风洞双椭球测压实验

通过构建高超风洞模型和仿真实验模块，可开展高超声速双椭球表面压强分布的测量实验，帮助学生掌握高超声速风洞实验操作基本流程，认识高超风洞关键部件和设计原理，加深对高超声速再入类外形表面压力分布气动原理的理解。

3.    数值风洞流场认知实验

通过低速圆柱绕流、翼型绕流、三角翼分离流、超声速混合层和高超声速双椭球流动等典型流动计算流体力学（CFD）仿真结果3D展示，帮助学生在流动现象观察中理解雷诺数和流体粘性对圆柱绕流流场的影响，理解迎角和马赫数等因素对翼型流场的影响，理解三角翼涡破裂现象，理解超声速混合层从层流、转捩到湍流的发展过程等。。

三、实验内容

1、低速风洞翼型测压实验

基于低速风洞虚拟仿真模块，开展实验场景漫游、翼型模型安装、风洞启动、翼型多迎角状态压力测量和随堂测验。

图1 低速翼型测压实验

2、高超风洞双椭球模型测压实验

基于高超声速风洞虚拟仿真模块，开展实验场景漫游、模型安装、喷管更换、风洞操作和随堂测验等。

图2 常规高超风洞双椭球测压实验

3、数值风洞流场认知实验

数值风洞场景中主要交互对象有CFD数据、会议平板、交互面板、数据探针等。CFD数据是交互的核心，学生可抓取CFD数据，随手柄旋转、移动，也可放大观察细节；通过交互面板可调出不同状态的CFD数据进行观察；可以同时调出多个状态的CFD数据，将其抓起放置在场景的任意位置，也可以在同一位置替换显示不同状态的数据；通过数据探针功能，可定量查看CFD结果数值。

图3数值风洞流场认识实验