葉輪機械中的非定常流動教學(xué)改革

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摘要：《葉輪機械中的非定常流動》課程是南京航空航天大學(xué)能源與動力學(xué)院開設(shè)的一門面向工程熱物理、航空宇航推進理論與工程等學(xué)科方向碩士研究生的專業(yè)課程，是葉輪機械氣動熱力學(xué)研究方向的必學(xué)課程。文章針對《葉輪機械中的非定常流動》的教學(xué)現(xiàn)狀，采用啟發(fā)式教學(xué)、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(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)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(xué)；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(xué)能源與動力學(xué)院開設(shè)的一門面向工程熱物理、航空宇航推進理論與工程等學(xué)科方向碩士研究生的專業(yè)課程，是葉輪機械氣動熱力學(xué)研究方向的必學(xué)課程。學(xué)生通過該課程的學(xué)習(xí)，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(xué)知識解決實際工程應(yīng)用中的有關(guān)葉輪機非定常流動方面的問題。課程要求學(xué)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(shè)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(xué)、研究和分析。本科生課程《葉輪機原理與設(shè)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(xué)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(shè)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(xué)生想象才能理解，因此如何讓學(xué)生感興趣、容易接受相關(guān)知識點是本課程教學(xué)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(xué)改革，改革教學(xué)內(nèi)容和方法，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)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(xué)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(xué)習(xí)借鑒先進教育理念，積極深化研究生課程教學(xué)模式的改革。為提高授課效果，增強學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，作者對該課程教學(xué)進行了探索性的教學(xué)改革，采用了啟發(fā)式教學(xué)、編制程序和壓氣機實驗相結(jié)合的授課模式，增強了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；課程考核以團隊形式進行，提高了學(xué)生的團隊合作能力。

二、啟發(fā)式教學(xué)培養(yǎng)興趣

啟發(fā)式教學(xué)能夠有效調(diào)動學(xué)生的思維，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)獨立思考的能力[5]。啟發(fā)式教學(xué)作為一種教學(xué)方法，在本質(zhì)上和其他教學(xué)方法不存在優(yōu)劣的問題。但啟發(fā)式教學(xué)若運用不當(dāng)，僅有“啟”之名，而無“發(fā)”之實，反而會大幅降低教學(xué)效果。啟發(fā)式教學(xué)的關(guān)鍵之處在于創(chuàng)設(shè)問題的情境，對教師提出了更高的要求。只有在學(xué)習(xí)那些“似懂非懂、似會非會”的東西時，學(xué)生才感興趣，而且迫切希望了解、掌握它。心理學(xué)研究證明，在教學(xué)過程中要盡量地引導(dǎo)學(xué)生主動地學(xué)習(xí)，教師的講解無法代替學(xué)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(dǎo)，在恰當(dāng)?shù)臅r候啟發(fā)、指點、引導(dǎo)。啟發(fā)式教學(xué)最根本的就是調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性。《葉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(xué)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(xué)的角度看，通過以知識點的形式進行啟發(fā)式教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)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(xué)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(dǎo)學(xué)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(xué)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(xué)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(dāng)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(yīng)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(yīng)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(dāng)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(xué)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(shè)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(xué)生對旋轉(zhuǎn)失速這一現(xiàn)象的認識，作者利用學(xué)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(xué)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(dāng)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(xué)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(yīng)（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(xué)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(dāng)?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(xué)們提出的問題。通過這種考核方式，學(xué)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(xué)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(xué)改革，采用啟發(fā)式教學(xué)、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(xué)習(xí)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(xué)生的團隊合作能力，為今后的科研、工作提供幫助。通過與學(xué)生的交流，認為這種探索性教學(xué)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(yè)出版社,2014.

[2]王志強.葉片機原理與設(shè)計教學(xué)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(fā)展規(guī)劃綱要(2010—2020年)[Z].2010.

[4]教育部國家發(fā)展改革委財政部關(guān)于深化研究生教育改革的意見[Z].2013.

[5]瞿紅春,陳智強.民航院?！逗娇瞻l(fā)動機原理》教學(xué)改革的研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報,2012,(2):163.

作者:屠寶鋒 胡駿 王志強 單位:南京航空航天大學(xué)能源與動力學(xué)院 江蘇省航空動力系統(tǒng)重點實驗室