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(yè)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(xiàn)狀，采用啟發(fā)式教學、編制程序和壓氣機實驗相結(jié)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(guān)鍵詞：葉輪機械；非定常流；啟發(fā)式教學；編程；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(yè)課程，是葉輪機械氣動熱力學研究方向的必學課程。學生通過該課程的學習，對于葉輪機內(nèi)部非定常氣體流動的物理過程和性質(zhì)、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了解和認識，掌握相關(guān)知識，并能利用所學知識解決實際工程應用中的有關(guān)葉輪機非定常流動方面的問題。課程要求學生對于葉輪機械動、靜結(jié)構(gòu)特點決定的動、靜兩類坐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(jīng)典的旋轉(zhuǎn)失速、喘振和進氣畸變等非定常流動的現(xiàn)象和物理特性，以及描述其物理過程的理論分析模型，并了解最新的有關(guān)旋轉(zhuǎn)失速和喘振起始過程和特性，以及在此基礎(chǔ)上發(fā)展的旋轉(zhuǎn)失速和喘振主動控制概念和技術(shù)。葉輪機械作為航空發(fā)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(fā)動機性能的優(yōu)劣。由于葉輪機械結(jié)構(gòu)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(fā)，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(chǔ)理論及定常流動相關(guān)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(chǔ)，但是又有很大的區(qū)別，其以非定常理論為基礎(chǔ)，內(nèi)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(guān)知識點是本課程教學的難點�！秶抑虚L期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》明確指出改革創(chuàng)新是教育發(fā)展的強大動力，需要深化教學改革，改革教學內(nèi)容和方法，提高學生的學習能力、實踐能力、創(chuàng)新能力[3]；教育部、國家發(fā)展改革委、財政部等部門聯(lián)合發(fā)布的《關(guān)于深化研究生教育改革的意見》也提出要創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，重視課程教學在研究生培養(yǎng)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鑒先進教育理念，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，采用了啟發(fā)式教學、編制程序和壓氣機實驗相結(jié)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(fā)式教學培養(yǎng)興趣
啟發(fā)式教學能夠有效調(diào)動學生的思維，激發(fā)學習熱情，培養(yǎng)獨立思考的能力[5]。啟發(fā)式教學作為一種教學方法，在本質(zhì)上和其他教學方法不存在優(yōu)劣的問題。但啟發(fā)式教學若運用不當，僅有“啟”之名，而無“發(fā)”之實，反而會大幅降低教學效果。啟發(fā)式教學的關(guān)鍵之處在于創(chuàng)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，而且迫切希望了解、掌握它。心理學研究證明，在教學過程中要盡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(xiàn)在能夠因勢利導，在恰當?shù)臅r候啟發(fā)、指點、引導。啟發(fā)式教學最根本的就是調(diào)動學生學習的主動性和積極性�！度~輪機械中的非定常流動》涉及的內(nèi)容很多，有些甚至是目前國內(nèi)外研究的熱點，屬于學術(shù)研討的內(nèi)容，尚未有定論，還有待于廣大研究人員深入挖掘。因此，從研究生教學的角度看，通過以知識點的形式進行啟發(fā)式教學，培養(yǎng)學生對于葉輪機械非定常流動的興趣。比如葉輪機械中研究非�；馃岬霓D(zhuǎn)靜干涉問題，在授課時首先給出高精度CFD數(shù)值模擬的轉(zhuǎn)靜干涉流動動畫，展示轉(zhuǎn)子尾跡周期性掃掠靜子葉片，影響靜子葉片表面的靜壓分布，同時，尾跡在靜子的作用下被不斷割裂，并向下游傳播。動畫的演示非常直觀、形象。同學們通過細致觀察，可以很容易理解該特殊的流動現(xiàn)象。然后，基于這幅動畫，作者提出若干個問題，引導學生進行主動思考：（1）轉(zhuǎn)子尾跡如何形成，在實驗中如何測量尾跡？（2）尾跡經(jīng)過激波時，其流動特征會如何變化？（3）如何測量葉片表面的動態(tài)靜壓，轉(zhuǎn)子葉片和靜子葉片上測量有何差異？（4）轉(zhuǎn)靜干涉在實際工程上會帶來什么樣的影響？好處是什么？壞處是什么？通過對上述四個問題進行廣泛、深入的課堂討論和分析，很多同學對于葉輪機械轉(zhuǎn)靜干涉問題產(chǎn)生了很大的興趣，從數(shù)值計算和實驗的方法獲得啟發(fā)，并與自己的研究生課題進行有機結(jié)合，極大地提高了該門研究生課程的教學效果。
三、編程環(huán)節(jié)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(zhuǎn)失速和喘振。旋轉(zhuǎn)失速是一種極為重要的非定常流動現(xiàn)象。實驗已證實葉輪機械中存在兩種類型的失速。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(zhuǎn)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，那么整個環(huán)形通道的葉片排應同時失速。葉輪機械在正常工作狀態(tài)下葉片表面出現(xiàn)的.局部分離應屬于這一類失速。旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速沿轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)失速可以發(fā)生在轉(zhuǎn)子或靜子葉片排內(nèi)，也可以發(fā)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(jié)流裝置等構(gòu)成的整個壓縮系統(tǒng)的一種不穩(wěn)定流態(tài)。當壓縮系統(tǒng)進入喘振時，通過系統(tǒng)的面平均流量以及葉輪機械出口的面平均壓力等參數(shù)都隨時間作低頻振蕩。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蕩。此時，在壓縮系統(tǒng)的特性圖上，壓縮系統(tǒng)瞬時工作點的軌跡形成一個封閉的環(huán)，并且部分與右支穩(wěn)態(tài)特性重合。在這種高強度的振蕩過程中，通過葉輪機械的瞬時流量可以是負的，即出現(xiàn)倒流現(xiàn)象。喘振與旋轉(zhuǎn)失速不同。對于完全發(fā)展的旋轉(zhuǎn)失速來說，流過葉輪機械的面平均流量是穩(wěn)定的，不隨時間變化，只是局部失速團的出現(xiàn)破壞了葉輪機械中原有的軸對稱流態(tài)，而且失速團繞軸旋轉(zhuǎn)使得向局部位置的流動具有非定常特性，葉輪機械仍能實現(xiàn)與下游部件的穩(wěn)定匹配，從而整個壓縮系統(tǒng)仍能穩(wěn)定于某一個工作點。只是流量、壓升（或壓比）和效率都有較大的下降，系統(tǒng)的氣動性能惡化。喘振時葉輪機械則不能實現(xiàn)與下游部件的穩(wěn)定匹配，從而使得整個壓縮系統(tǒng)進入不穩(wěn)定狀態(tài)。以深度喘振為例，在喘振的一個振蕩周期內(nèi)，部分周期通過葉輪機械的流量小于葉輪機械的穩(wěn)定邊界流量，而另外部分周期的流量大于葉輪機械的穩(wěn)定邊界流量。因而在喘振的一個振蕩周期內(nèi)就有可能伴隨著流量進入和退出失速流量而呈現(xiàn)出旋轉(zhuǎn)失速的產(chǎn)生、發(fā)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(xiàn)有的CFD數(shù)值計算和實驗還無法直觀地展示葉輪機械旋轉(zhuǎn)失速和喘振的形成和發(fā)展過程。美國MIT的Greitzer教授在20世紀70年代發(fā)展了一個計算模型，可以模擬葉輪機械旋轉(zhuǎn)失速和喘振的發(fā)展過程。該模型把壓縮系統(tǒng)簡化成由壓氣機及其上、下游管道，大容腔（氣壓室）以及節(jié)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(jié)流閥的作用則由一個節(jié)流閥激盤代表。激盤外的流動假定為一元、無粘和非定常的。通過四個控制方程，運用計算機編程，可以較為方便地獲得葉輪機械旋轉(zhuǎn)失速和喘振的發(fā)展過程及各自的特點和區(qū)別。通過該程序的編制，不僅能夠了解重要的一階時間滯后方程，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參數(shù)，該參數(shù)直接會影響壓氣機失穩(wěn)后是進入旋轉(zhuǎn)失速還是喘振，對于葉輪機械的設計和研究有重要的參考價值。
四、實驗環(huán)節(jié)提高直觀認識
雖然，通過計算模型開發(fā)計算程序，可以模擬旋轉(zhuǎn)失速和喘振的形成和發(fā)展特征，有助于理解旋轉(zhuǎn)失速和喘振。為進一步加強學生對旋轉(zhuǎn)失速這一現(xiàn)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，通過穩(wěn)態(tài)和動態(tài)測量相結(jié)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布置了動態(tài)壓力傳感器，檢測動態(tài)總壓的變化情況。動態(tài)壓力傳感器在周向的位置是固定的，其感受到的壓力呈現(xiàn)周期性變化的原因是氣流中的參數(shù)發(fā)生了改變，表現(xiàn)明顯的周期性的非定常特征，因此旋轉(zhuǎn)失速是一種強烈的非定常流動。流量系數(shù)等于0.52時，失速團在進口只占據(jù)了約37%的周向范圍，當流量系數(shù)降至0.32時，已經(jīng)占據(jù)了約61%的周向范圍。在流量系數(shù)等于0.52和0.32時，進出口的總壓波形比較相似，但是在零流量系數(shù)點時，兩者的波形相差較大�？梢哉J為在零流量時，出口失速團占據(jù)了整個周向范圍，但是總壓的分布還是不均勻的，這主要和壓氣機的進口總壓分布不均勻有關(guān)。
五、考核環(huán)節(jié)強調(diào)團隊合作
為了鍛煉研究生的團隊合作能力，在制定本門課程的考核環(huán)節(jié)時進行了特殊的安排。首先，根據(jù)國內(nèi)外在葉輪機械非定常流動領(lǐng)域的研究熱點和本門課程的教學內(nèi)容，在課程的開始之初就拋出了以下幾個主題：（1）葉輪機械中的沉寂效應（2）葉輪機械中的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(wěn)定性主動控制方法（7）葉輪機械中的穩(wěn)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(guān)的研究。學生除了需要閱讀大量的文獻，給出國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，還可以在此基礎(chǔ)上，用適當?shù)姆椒ū热鏑FD數(shù)值模擬，做一些更為細致的分析工作。最后撰寫一份報告，并在課堂上用PPT介紹團隊的工作開展過程以及得到的主要結(jié)論，同時回答老師和同學們提出的問題。通過這種考核方式，學生可以選擇自己感興趣的內(nèi)容，通過廣泛閱讀國內(nèi)外的相關(guān)文獻，提高對該問題的認識，同時通過自己的研究，了解相關(guān)的技術(shù)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，為今后的科研工作提供一定的幫助。
六、結(jié)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，采用啟發(fā)式教學、編制程序和壓氣機實驗相結(jié)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、提高了對于科研工作中數(shù)值計算和實驗兩種重要手段的認識，能夠為研究生后續(xù)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，為今后的科研、工作提供幫助。通過與學生的交流，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：
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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(tǒng)重點實驗室
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