CFD技术在航空燃气涡轮发动机原理教学中的应用探讨
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作者:张恒铭
摘 要 针对“航空燃气涡轮发动机原理”课程知识点深奥、应用情况多变的特点，为加深学生对相关理论的理解，培养学生的实践创新能力，探讨CFD技术在课程应用中存在的问题，并提出问题的改进途径，给出CFD技术在教学过程中的应用方法和流程。
关键词 航空燃气涡轮发动机原理;CFD;飞行器动力工程;数值仿真
中图分类号：G642 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2019）23-0038-02
1 引言
近几年，随着我国民航事业的飞速发展，航空公司规模不断壮大，越来越多先进的机型陆续投入运营市场，对航空发動机的相关工作人员提出更高的专业素质要求。因此，相关院校需提高飞行器动力工程专业学生的培养质量以满足民航市场的需求[1]。作为飞行器动力工程专业的核心课程之一，“航空燃气涡轮发动机原理”对于提高学生对航空发动机的认知水平，深化学生的专业知识，培养学生的实践与创新意识有着十分重要的作用。
“航空燃气涡轮发动机原理”是一门理论与工程相结合的综合性课程，涉及较为深奥的理论知识和复杂多变的工程应用场景[2]，要求学生具有很强的抽象思维能力，课程难度较大。而通过CFD技术可将抽象的理论或者难以理解的工程经验具体化[3]，更易于学生对问题的理解，帮助学生加深对相关规律的记忆。如压气机特性的相关知识，可让学生自行通过CFD技术模拟仿真，并自己动手绘制出压气机的特性以及压气机的喘振边界等，以达到掌握相关知识的目的。
2 CFD技术应用于课程中存在的问题
CFD是一门复杂的学问，需要在掌握数值分析、偏微分数值解等相关课程以后，才能对CFD技术有一个初步的理解，属于本科高年级甚至研究生才能掌握的学科。而在“航空燃气涡轮发动机原理”之前，学生显然不具备这方面的知识。在这样的前提下，如何让学生应用CFD技术进行“航空燃气涡轮发动机原理”课程的学习，是一个需要解决的问题。
此外，通过CFD技术数值仿真得到的数据，一方面需要进行数据的后处理，另一方面需要数据的可视化，而学生不具备这方面的技能，因此，这也是CFD应用于教学时需要考虑的问题。
3 CFD技术在课程教学中的应用方法
针对上述问题，在应用CFD技术进行“航空燃气涡轮发动机原理”课程学习之前，需要让学生进行CFD技术的简要入门学习，应让学生知道CFD技术是什么、CFD技术的基本原理、CFD技术的应用等。由于CFD技术是以“流体力学”（飞行器动力工程的专业基础课之一）为基础发展而来的一门学问，可将这部分CFD的相关知识学习放到“流体力学”课程中去，使学生更易于接受。
另一方面，教师需要对传统的CFD数值仿真过程进行简化，以适应教学的需要。通常，在利用CFD技术进行数值仿真时的流程如图1所示。
利用CFD技术进行数值仿真的流程比较复杂，首先需要建立模型，然后将模型导入网格生成软件，进行计算域和网格拓扑的划分，进而进行网格参数设置。完成这些步骤，需要对网格生成的相关理论有所了解，还需要掌握网格生成软件的使用方法。更为复杂的是相关的计算设定，主要包含边界条件、计算模型、计算方法、计算参数和初始化的设置。合理对这些参数进行设置，需要具有相关的计算流体力学知识。比如边界条件，要完成正确设置，就必须知道什么是边界条件，边界条件包含哪些类型，每一种类型的边界条件具有什么样的物理含义，实际使用时应该采用哪些边界条件来使得数值解唯一。显然，由于学生没有接受过专门的计算流体力学学习，很难通过简单的教学让学生理解这些知识。
因此，在实际应用时不能直接照搬数值仿真的整个流程，需要对这些过程进行打包。而将CFD技术应用于教学时，对于数值模拟的精确度要求并不那么高，因此可以采用默认的参数来完成网格和计算的相关参数设置。而对于某些特定的参数，尤其是边界条件的一些参数，可以交由学生来进行设置。如将CFD技术用于叶栅攻角特性的教学时，可以将原始的进口边界条件（给定进口总温、总压和气流方向）进行调整，进口总温、总压给定默认值，而将进口的气流方向转变为进口的气流攻角。这样一来，在进行CFD仿真时，学生只需给定进口的攻角，再启动CFD求解器，就可以完成整个数值计算。
此外，对于数值仿真计算后，数据的后处理也要进行专门的打包处理。还是以叶栅攻角特性为例，在进行教学时需要得到叶栅的进出口的总压。而学生进行数值仿真以后，计算得到的是整个进口平面和出口平面的总温总压分布，因此需要对进出口面的数据进行面积平均或流量平均，进而得到进出口的平均总压。所以，在进行CFD技术的实验教学时，需要编制后自动化处理程序或者脚本，使学生方便地得到这些所需的参数。学生利用这些后处理结果来计算叶栅的损失系数等，进而对相关知识进行掌握和学习。
通过将整个数值仿真过程进行简化、打包处理，让学生能够利用已学的知识完成数值仿真的所有过程。此外，求解器在数值求解时会反复迭代，直至收敛到一个合理的解上，这可能会耗费不少时间。在进行教学时，这个计算迭代耗费的时间不宜太长，以免影响教学效果。因此，根据具体情况，还需要对CFD数值仿真求解器进行适当的修改和简化，以保证学生能够快速获得仿真计算的结果。例如，可将默认的网格设置得较为稀疏以减少计算量，降低收敛的标准，在求解器中使用低精度的格式，对湍流模型进行简化处理等。因此，总结起来，需要从以下三个方面完成CFD仿真过程改进，以适应教学需要：
1）简化数值求解的模型和计算方法;
2）打包网格和计算设置，大部分设置固定为默认设置，减少设置的参数数量，并将部分网格和计算参数分别转化为几何模型参数和物理条件参数;
3）自动化后处理，自动将求解后的数据转化相关的总体参数或者性能参数。
4 CFD技术在课程教学中的实施流程
通过上一节讨论的CFD在教学中的改进方法，CFD数值仿真在“航空燃气涡轮发动机原理”教学中的实施流程如图2所示。由图2可知，学生只需要完成几何模型和物理条件参数的输入，即可完成数值求解前的网格和计算设置。
这里的几何模型参数指的是跟模型相关的尺寸和角度参数等，如压气机的安装角、喷管的进出口面积等;而物理条件参数是指跟具体的模型工作状态等相关的参数，如压气机进口的总压、飞机飞行的速度、喷管出口的反压等。这些几何和物理参数都是“航空燃气涡轮发动机原理”课程中需要掌握的知识点，学生对这些参数有更为直观的认识。完成这些设置以后，就可启动求解器进行求解，并最终自动完成计算结果的后处理。学生只需要记录这些数据，如记录压气机进出口的总压、总温，喷管出口的速度和总压。有了这些参数以后，学生可进一步利用“航空燃气涡轮发动机原理”中的知识进行相关的理论分析、计算，并对书中的相关理论知识、公式等进行验证，进而加深对课程知识的理解和记忆，提升课程的学习质量。
5 结语
相对于其他教学手段，CFD技术具有更直观、易实现的特点。学生通过CFD技术对课程中的理论进行分析、复现和验证，以更主动的方式进行学习。这样一方面可以提升课程教学的效率，帮助学生加深对知识点的记忆和理解;另一方面可以引导学生自主思考，更好地激发学生的实践创新兴趣。
参考文献
[1]秦凤姣，赵欣，魏麟.民航应用型高层次人才能力需求及培养模式探索[J].教育教学论坛，2018（48）：128-130.
[2]孙振生，胡宇，华明军，等.“理论-实践-创新”三位一体教学方法在《航空发动机原理》课程教学中的探索与实践[J].教育教学论坛，2019（18）：177-178.
[3]周大庆，钟淋涓，刘卫东，等.CFD数值试验在流体力学课程教学中的应用[J].教育教学论坛，2018（30）：194-196.
作者：张恒铭，中国民航飞行学院，讲师，研究方向为空气动力学、航空发动机原理理论教学（618307）。
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