葉輪機械中的非定常流動教學改革論文
葉輪機械中的非定常流動教學改革論文
摘要：《葉輪機械中的非定常流動》課程是南京航空航天大學能源與動力學院開設的一門面向工程熱物理、航空宇航推進理論與工程等學科方向碩士研究生的專業課程，是葉輪機械氣動熱力學研究方向的必學課程。文章針對《葉輪機械中的非定常流動》的教學現狀，採用啟發式教學、編制程式和壓氣機實驗相結合的授課模式，以團隊形式進行課程考核，增強了學生的學習興趣，提高了學生的團隊合作能力，授課效果得到有效改善。
關鍵詞：葉輪機械；非定常流；啟發式教學；程式設計；實驗
一、緒論
《葉輪機械中的非定常流動》課程是南京航空航天大學能源與動力學院開設的一門面向工程熱物理、航空宇航推進理論與工程等學科方向碩士研究生的專業課程，是葉輪機械氣動熱力學研究方向的必學課程。學生透過該課程的學習，對於葉輪機內部非定常氣體流動的物理過程和性質、常用簡化方法和思路，以及描述各種流動過程的物理模型有深入的瞭解和認識，掌握相關知識，並能利用所學知識解決實際工程應用中的有關葉輪機非定常流動方面的問題。課程要求學生對於葉輪機械動、靜結構特點決定的動、靜兩類座標系上的一系列流動特點有深刻的認識，掌握葉輪機械中經典的旋轉失速、喘振和進氣畸變等非定常流動的現象和物理特性，以及描述其物理過程的理論分析模型，並瞭解最新的有關旋轉失速和喘振起始過程和特性，以及在此基礎上發展的旋轉失速和喘振主動控制概念和技術。葉輪機械作為航空發動機的重要組成部件[1]，其設計的好壞在很大程度上決定了航空發動機效能的優劣。由於葉輪機械結構的特殊性，非定常流動是其固有的屬性，因此，必須從非定常的角度出發，開展葉輪機械課程的教學、研究和分析。本科生課程《葉輪機原理與設計》以基礎理論及定常流動相關知識為主，在講課的過程中學生接受本身就較為困難[2]，葉輪機械非定常流以本科生課程《葉輪機原理與設計》為基礎，但是又有很大的區別，其以非定常理論為基礎，內容不直觀，有些需要學生想象才能理解，因此如何讓學生感興趣、容易接受相關知識點是本課程教學的難點。《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020年）》明確指出改革創新是教育發展的強大動力，需要深化教學改革，改革教學內容和方法，提高學生的學習能力、實踐能力、創新能力[3]；教育部、國家發展改革委、財政部等部門聯合釋出的《關於深化研究生教育改革的意見》也提出要創新人才培養模式，重視課程教學在研究生培養中的作用[4]。因此，教師有必要在講授研究生課程過程中學習借鑑先進教育理念，積極深化研究生課程教學模式的改革。為提高授課效果，增強學生的學習興趣，作者對該課程教學進行了探索性的教學改革，採用了啟發式教學、編制程式和壓氣機實驗相結合的授課模式，增強了學生的學習興趣；課程考核以團隊形式進行，提高了學生的團隊合作能力。
二、啟發式教學培養興趣
啟發式教學能夠有效調動學生的思維，激發學習熱情，培養獨立思考的能力[5]。啟發式教學作為一種教學方法，在本質上和其他教學方法不存在優劣的問題。但啟發式教學若運用不當，僅有“啟”之名，而無“發”之實，反而會大幅降低教學效果。啟發式教學的關鍵之處在於創設問題的情境，對教師提出了更高的要求。只有在學習那些“似懂非懂、似會非會”的東西時，學生才感興趣，而且迫切希望瞭解、掌握它。心理學研究證明，在教學過程中要儘量地引導學生主動地學習，教師的講解無法代替學生主動地思考問題，教師的作用主要體現在能夠因勢利導，在恰當的時候啟發、指點、引導。啟發式教學最根本的就是調動學生學習的主動性和積極性。《葉輪機械中的非定常流動》涉及的內容很多，有些甚至是目前國內外研究的熱點，屬於學術研討的內容，尚未有定論，還有待於廣大研究人員深入挖掘。因此，從研究生教學的角度看，透過以知識點的形式進行啟發式教學，培養學生對於葉輪機械非定常流動的興趣。比如葉輪機械中研究非常火熱的轉靜干涉問題，在授課時首先給出高精度CFD數值模擬的轉靜干涉流動動畫，展示轉子尾跡週期性掃掠靜子葉片，影響靜子葉片表面的靜壓分佈，同時，尾跡在靜子的作用下被不斷割裂，並向下遊傳播。動畫的演示非常直觀、形象。同學們透過細緻觀察，可以很容易理解該特殊的流動現象。然後，基於這幅動畫，作者提出若干個問題，引導學生進行主動思考：（1）轉子尾跡如何形成，在實驗中如何測量尾跡？（2）尾跡經過激波時，其流動特徵會如何變化？（3）如何測量葉片表面的動態靜壓，轉子葉片和靜子葉片上測量有何差異？（4）轉靜干涉在實際工程上會帶來什麼樣的影響？好處是什麼？壞處是什麼？透過對上述四個問題進行廣泛、深入的課堂討論和分析，很多同學對於葉輪機械轉靜干涉問題產生了很大的興趣，從數值計算和實驗的方法獲得啟發，並與自己的研究生課題進行有機結合，極大地提高了該門研究生課程的教學效果。
三、程式設計環節加深對理論和計算模型的認識
葉輪機械中有兩類特殊的非定常流動，分別是旋轉失速和喘振。旋轉失速是一種極為重要的非定常流動現象。實驗已證實葉輪機械中存在兩種型別的失速。一種是簡單的葉片失速，亦即葉片表面的附面層分離；另一種是旋轉失速。當整個葉片排同時失速時，即為簡單的葉片失速，這種失速與外流中孤立葉型的失速類似。如果所有葉片是完全相同的，而且同時感受到相同的失速進氣角，那麼整個環形通道的葉片排應同時失速。葉輪機械在正常工作狀態下葉片表面出現的.區域性分離應屬於這一類失速。旋轉失速這種失速由覆蓋少許葉片的若干個失速團組成，而且失速團以部分轉子轉速沿轉子旋轉方向旋轉。旋轉失速可以發生在轉子或靜子葉片排內，也可以發生在整個軸流或離心式葉輪機械中。喘振是由葉輪機械及其進、出口管道和下游節流裝置等構成的整個壓縮系統的一種不穩定流態。當壓縮系統進入喘振時，透過系統的面平均流量以及葉輪機械出口的面平均壓力等引數都隨時間作低頻振盪。通常將這種面平均流量隨時間的波動形象地稱作為流量的軸向振盪。此時，在壓縮系統的特性圖上，壓縮系統瞬時工作點的軌跡形成一個封閉的環，並且部分與右支穩態特性重合。在這種高強度的振盪過程中，透過葉輪機械的瞬時流量可以是負的，即出現倒流現象。喘振與旋轉失速不同。對於完全發展的旋轉失速來說，流過葉輪機械的面平均流量是穩定的，不隨時間變化，只是區域性失速團的出現破壞了葉輪機械中原有的軸對稱流態，而且失速團繞軸旋轉使得向區域性位置的流動具有非定常特性，葉輪機械仍能實現與下游部件的穩定匹配，從而整個壓縮系統仍能穩定於某一個工作點。只是流量、壓升（或壓比）和效率都有較大的下降，系統的氣動效能惡化。喘振時葉輪機械則不能實現與下游部件的穩定匹配，從而使得整個壓縮系統進入不穩定狀態。以深度喘振為例，在喘振的一個振盪週期內，部分週期透過葉輪機械的流量小於葉輪機械的穩定邊界流量，而另外部分週期的流量大於葉輪機械的穩定邊界流量。因而在喘振的一個振盪週期內就有可能伴隨著流量進入和退出失速流量而呈現出旋轉失速的產生、發展和消失。這兩種葉輪機械中的典型非定常流動在課程的講解過程中如何讓學生理解較為困難，主要原因是現有的CFD數值計算和實驗還無法直觀地展示葉輪機械旋轉失速和喘振的形成和發展過程。美國MIT的Greitzer教授在20世紀70年代發展了一個計算模型，可以模擬葉輪機械旋轉失速和喘振的發展過程。該模型把壓縮系統簡化成由壓氣機及其上、下游管道，大容腔（氣壓室）以及節流閥和排氣管道組成。壓氣機的作用由一個壓氣機激盤來代表；而下游排氣管道中的節流閥的作用則由一個節流閥激盤代表。激盤外的流動假定為一元、無粘和非定常的。透過四個控制方程，運用計算機程式設計，可以較為方便地獲得葉輪機械旋轉失速和喘振的發展過程及各自的特點和區別。透過該程式的編制，不僅能夠了解重要的一階時間滯後方程，理解其在葉輪機械非定常流動中的所起的特殊作用，同時還能夠熟悉Greitzer提出的重要的B引數，該引數直接會影響壓氣機失穩後是進入旋轉失速還是喘振，對於葉輪機械的設計和研究有重要的參考價值。
四、實驗環節提高直觀認識
雖然，透過計算模型開發計算程式，可以模擬旋轉失速和喘振的形成和發展特徵，有助於理解旋轉失速和喘振。為進一步加強學生對旋轉失速這一現象的認識，作者利用學校擁有的一臺雙級低速軸流壓氣機實驗臺，透過穩態和動態測量相結合的方法，幫助學生加深理解葉輪機械的典型非定常流動。實驗時在壓氣機進出口均佈置了動態壓力感測器，檢測動態總壓的變化情況。動態壓力感測器在周向的位置是固定的，其感受到的壓力呈現週期性變化的原因是氣流中的引數發生了改變，表現明顯的週期性的非定常特徵，因此旋轉失速是一種強烈的非定常流動。流量係數等於0.52時，失速團在進口只佔據了約37%的周向範圍，當流量係數降至0.32時，已經佔據了約61%的周向範圍。在流量係數等於0.52和0.32時，進出口的總壓波形比較相似，但是在零流量係數點時，兩者的波形相差較大。可以認為在零流量時，出口失速團佔據了整個周向範圍，但是總壓的分佈還是不均勻的，這主要和壓氣機的進口總壓分佈不均勻有關。
五、考核環節強調團隊合作
為了鍛鍊研究生的團隊合作能力，在制定本門課程的考核環節時進行了特殊的安排。首先，根據國內外在葉輪機械非定常流動領域的研究熱點和本門課程的教學內容，在課程的開始之初就丟擲了以下幾個主題：（1）葉輪機械中的沉寂效應（2）葉輪機械中的轉靜干涉問題（3）葉輪機械中的進氣畸變問題（4）葉輪機械中的旋轉失速和喘振問題（5）葉輪機械中的失速先兆問題（6）葉輪機械中的穩定性主動控制方法（7）葉輪機械中的穩定性被動控制方法圍繞以上7個題目，研究生可以自行組建2-4人小團隊，用大概2個月左右的時間開展相關的研究。學生除了需要閱讀大量的文獻，給出國內外的研究現狀，還可以在此基礎上，用適當的方法比如CFD數值模擬，做一些更為細緻的分析工作。最後撰寫一份報告，並在課堂上用PPT介紹團隊的工作開展過程以及得到的主要結論，同時回答老師和同學們提出的問題。透過這種考核方式，學生可以選擇自己感興趣的內容，透過廣泛閱讀國內外的相關文獻，提高對該問題的認識，同時透過自己的研究，瞭解相關的技術手段和方法，另外，還可以加強與其他同學之間的團隊合作能力，為今後的科研工作提供一定的幫助。
六、結束語
《葉輪機械中的非定常流動》課程進行的探索性教學改革，採用啟發式教學、編制程式和壓氣機實驗相結合的授課模式，極大地提高了研究生的學習興趣，開拓了研究生的視野、提高了對於科研工作中數值計算和實驗兩種重要手段的認識，能夠為研究生後續的碩士論文研究提供了一些有益參考和幫助。課程考核以團隊形式進行，提高學生的團隊合作能力，為今後的科研、工作提供幫助。透過與學生的交流，認為這種探索性教學改革能夠有效提高研究生課程的授課效果。
參考文獻：
[1]胡駿.航空葉片機原理[M].北京:國防工業出版社,2014.
[2]王志強.葉片機原理與設計教學改革的探索[J].課程教育研究,2013,10(4):71-73.
[3]國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010—2020年)[Z].2010.
[4]教育部國家發展改革委財政部關於深化研究生教育改革的意見[Z].2013.
[5]瞿紅春,陳智強.民航院校《航空發動機原理》教學改革的研究[J].科技創新導報,2012,(2):163.
作者:屠寶鋒 胡駿 王志強 單位:南京航空航天大學能源與動力學院 江蘇省航空動力系統重點實驗室