葉輪機(jī)械中的非定常流動(dòng)教學(xué)改革
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摘要：《葉輪機(jī)械中的非定常流動(dòng)》課程是南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院開(kāi)設(shè)的一門(mén)面向工程熱物理、航空宇航推進(jìn)理論與工程等學(xué)科方向碩士研究生的專(zhuān)業(yè)課程，是葉輪機(jī)械氣動(dòng)熱力學(xué)研究方向的必學(xué)課程。文章針對(duì)《葉輪機(jī)械中的非定常流動(dòng)》的教學(xué)現(xiàn)狀，采用啟發(fā)式教學(xué)、編制程序和壓氣機(jī)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的授課模式，以團(tuán)隊(duì)形式進(jìn)行課程考核，增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作能力，授課效果得到有效改善。
關(guān)鍵詞：葉輪機(jī)械；非定常流；啟發(fā)式教學(xué)；編程；實(shí)驗(yàn)
一、緒論
《葉輪機(jī)械中的非定常流動(dòng)》課程是南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院開(kāi)設(shè)的一門(mén)面向工程熱物理、航空宇航推進(jìn)理論與工程等學(xué)科方向碩士研究生的專(zhuān)業(yè)課程，是葉輪機(jī)械氣動(dòng)熱力學(xué)研究方向的必學(xué)課程。學(xué)生通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)，對(duì)于葉輪機(jī)內(nèi)部非定常氣體流動(dòng)的物理過(guò)程和性質(zhì)、常用簡(jiǎn)化方法和思路，以及描述各種流動(dòng)過(guò)程的物理模型有深入的了解和認(rèn)識(shí)，掌握相關(guān)知識(shí)，并能利用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際工程應(yīng)用中的有關(guān)葉輪機(jī)非定常流動(dòng)方面的問(wèn)題。課程要求學(xué)生對(duì)于葉輪機(jī)械動(dòng)、靜結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定的動(dòng)、靜兩類(lèi)坐標(biāo)系上的一系列流動(dòng)特點(diǎn)有深刻的認(rèn)識(shí)，掌握葉輪機(jī)械中經(jīng)典的旋轉(zhuǎn)失速、喘振和進(jìn)氣畸變等非定常流動(dòng)的現(xiàn)象和物理特性，以及描述其物理過(guò)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(guò)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(dòng)控制概念和技術(shù)。葉輪機(jī)械作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部件[1]，其設(shè)計(jì)的好壞在很大程度上決定了航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的優(yōu)劣。由于葉輪機(jī)械結(jié)構(gòu)的特殊性，非定常流動(dòng)是其固有的屬性，因此，必須從非定常的角度出發(fā)，開(kāi)展葉輪機(jī)械課程的教學(xué)、研究和分析。本科生課程《葉輪機(jī)原理與設(shè)計(jì)》以基礎(chǔ)理論及定常流動(dòng)相關(guān)知識(shí)為主，在講課的過(guò)程中學(xué)生接受本身就較為困難[2]，葉輪機(jī)械非定常流以本科生課程《葉輪機(jī)原理與設(shè)計(jì)》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(shí)點(diǎn)是本課程教學(xué)的難點(diǎn)。《國(guó)家中長(zhǎng)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(qiáng)大動(dòng)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(shí)踐能力、創(chuàng)新能力[3]；教育部、國(guó)家發(fā)展改革委、財(cái)政部等部門(mén)聯(lián)合的《關(guān)于深化研究生教育改革的意見(jiàn)》也提出要?jiǎng)?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(guò)程中學(xué)習(xí)借鑒先進(jìn)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(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，作者對(duì)該課程教學(xué)進(jìn)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(jī)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的授課模式，增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；課程考核以團(tuán)隊(duì)形式進(jìn)行，提高了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)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(dòng)學(xué)生的思維，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)獨(dú)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(wèn)題。但啟發(fā)式教學(xué)若運(yùn)用不當(dāng)，僅有“啟”之名，而無(wú)“發(fā)”之實(shí)，反而會(huì)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(wèn)題的情境，對(duì)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(huì)非會(huì)”的東西時(shí)，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(guò)程中要盡量地引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)地學(xué)習(xí)，教師的講解無(wú)法代替學(xué)生主動(dòng)地思考問(wèn)題，教師的作用主要體現(xiàn)在能夠因勢(shì)利導(dǎo)，在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)候啟發(fā)、指點(diǎn)、引導(dǎo)。啟發(fā)式教學(xué)最根本的就是調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性?！度~輪機(jī)械中的非定常流動(dòng)》涉及的內(nèi)容很多，有些甚至是目前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，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(guò)以知識(shí)點(diǎn)的形式進(jìn)行啟發(fā)式教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)于葉輪機(jī)械非定常流動(dòng)的興趣。比如葉輪機(jī)械中研究非?；馃岬霓D(zhuǎn)靜干涉問(wèn)題，在授課時(shí)首先給出高精度CFD數(shù)值模擬的轉(zhuǎn)靜干涉流動(dòng)動(dòng)畫(huà)，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(shí)，尾跡在靜子的作用下被不斷割裂，并向下游傳播。動(dòng)畫(huà)的演示非常直觀、形象。同學(xué)們通過(guò)細(xì)致觀察，可以很容易理解該特殊的流動(dòng)現(xiàn)象。然后，基于這幅動(dòng)畫(huà)，作者提出若干個(gè)問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行主動(dòng)思考：（1）轉(zhuǎn)子尾跡如何形成，在實(shí)驗(yàn)中如何測(cè)量尾跡？（2）尾跡經(jīng)過(guò)激波時(shí)，其流動(dòng)特征會(huì)如何變化？（3）如何測(cè)量葉片表面的動(dòng)態(tài)靜壓，轉(zhuǎn)子葉片和靜子葉片上測(cè)量有何差異？（4）轉(zhuǎn)靜干涉在實(shí)際工程上會(huì)帶來(lái)什么樣的影響？好處是什么？壞處是什么？通過(guò)對(duì)上述四個(gè)問(wèn)題進(jìn)行廣泛、深入的課堂討論和分析，很多同學(xué)對(duì)于葉輪機(jī)械轉(zhuǎn)靜干涉問(wèn)題產(chǎn)生了很大的興趣，從數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)的方法獲得啟發(fā)，并與自己的研究生課題進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，極大地提高了該門(mén)研究生課程的教學(xué)效果。
三、編程環(huán)節(jié)加深對(duì)理論和計(jì)算模型的認(rèn)識(shí)
葉輪機(jī)械中有兩類(lèi)特殊的非定常流動(dòng)，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(dòng)現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)已證實(shí)葉輪機(jī)械中存在兩種類(lèi)型的失速。一種是簡(jiǎn)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(gè)葉片排同時(shí)失速時(shí)，即為簡(jiǎn)單的葉片失速，這種失速與外流中孤立葉型的失速類(lèi)似。如果所有葉片是完全相同的，而且同時(shí)感受到相同的失速進(jìn)氣角，那么整個(gè)環(huán)形通道的葉片排應(yīng)同時(shí)失速。葉輪機(jī)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(lèi)失速。旋轉(zhuǎn)失速這種失速由覆蓋少許葉片的若干個(gè)失速團(tuán)組成，而且失速團(tuán)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(gè)軸流或離心式葉輪機(jī)械中。喘振是由葉輪機(jī)械及其進(jìn)、出口管道和下游節(jié)流裝置等構(gòu)成的整個(gè)壓縮系統(tǒng)的一種不穩(wěn)定流態(tài)。當(dāng)壓縮系統(tǒng)進(jìn)入喘振時(shí)，通過(guò)系統(tǒng)的面平均流量以及葉輪機(jī)械出口的面平均壓力等參數(shù)都隨時(shí)間作低頻振蕩。通常將這種面平均流量隨時(shí)間的波動(dòng)形象地稱(chēng)作為流量的軸向振蕩。此時(shí)，在壓縮系統(tǒng)的特性圖上，壓縮系統(tǒng)瞬時(shí)工作點(diǎn)的軌跡形成一個(gè)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(qiáng)度的振蕩過(guò)程中，通過(guò)葉輪機(jī)械的瞬時(shí)流量可以是負(fù)的，即出現(xiàn)倒流現(xiàn)象。喘振與旋轉(zhuǎn)失速不同。對(duì)于完全發(fā)展的旋轉(zhuǎn)失速來(lái)說(shuō)，流過(guò)葉輪機(jī)械的面平均流量是穩(wěn)定的，不隨時(shí)間變化，只是局部失速團(tuán)的出現(xiàn)破壞了葉輪機(jī)械中原有的軸對(duì)稱(chēng)流態(tài)，而且失速團(tuán)繞軸旋轉(zhuǎn)使得向局部位置的流動(dòng)具有非定常特性，葉輪機(jī)械仍能實(shí)現(xiàn)與下游部件的穩(wěn)定匹配，從而整個(gè)壓縮系統(tǒng)仍能穩(wěn)定于某一個(gè)工作點(diǎn)。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(dòng)性能惡化。喘振時(shí)葉輪機(jī)械則不能實(shí)現(xiàn)與下游部件的穩(wěn)定匹配，從而使得整個(gè)壓縮系統(tǒng)進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài)。以深度喘振為例，在喘振的一個(gè)振蕩周期內(nèi)，部分周期通過(guò)葉輪機(jī)械的流量小于葉輪機(jī)械的穩(wěn)定邊界流量，而另外部分周期的流量大于葉輪機(jī)械的穩(wěn)定邊界流量。因而在喘振的一個(gè)振蕩周期內(nèi)就有可能伴隨著流量進(jìn)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(jī)械中的典型非定常流動(dòng)在課程的講解過(guò)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(jì)算和實(shí)驗(yàn)還無(wú)法直觀地展示葉輪機(jī)械旋轉(zhuǎn)失速和喘振的形成和發(fā)展過(guò)程。美國(guó)MIT的Greitzer教授在20世紀(jì)70年展了一個(gè)計(jì)算模型，可以模擬葉輪機(jī)械旋轉(zhuǎn)失速和喘振的發(fā)展過(guò)程。該模型把壓縮系統(tǒng)簡(jiǎn)化成由壓氣機(jī)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(jī)的作用由一個(gè)壓氣機(jī)激盤(pán)來(lái)代表；而下游排氣管道中的節(jié)流閥的作用則由一個(gè)節(jié)流閥激盤(pán)代表。激盤(pán)外的流動(dòng)假定為一元、無(wú)粘和非定常的。通過(guò)四個(gè)控制方程，運(yùn)用計(jì)算機(jī)編程，可以較為方便地獲得葉輪機(jī)械旋轉(zhuǎn)失速和喘振的發(fā)展過(guò)程及各自的特點(diǎn)和區(qū)別。通過(guò)該程序的編制，不僅能夠了解重要的一階時(shí)間滯后方程，理解其在葉輪機(jī)械非定常流動(dòng)中的所起的特殊作用，同時(shí)還能夠熟悉Greitzer提出的重要的B參數(shù)，該參數(shù)直接會(huì)影響壓氣機(jī)失穩(wěn)后是進(jìn)入旋轉(zhuǎn)失速還是喘振，對(duì)于葉輪機(jī)械的設(shè)計(jì)和研究有重要的參考價(jià)值。
四、實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)提高直觀認(rèn)識(shí)
雖然，通過(guò)計(jì)算模型開(kāi)發(fā)計(jì)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(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生對(duì)旋轉(zhuǎn)失速這一現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)，作者利用學(xué)校擁有的一臺(tái)雙級(jí)低速軸流壓氣機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，通過(guò)穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)量相結(jié)合的方法，幫助學(xué)生加深理解葉輪機(jī)械的典型非定常流動(dòng)。實(shí)驗(yàn)時(shí)在壓氣機(jī)進(jìn)出口均布置了動(dòng)態(tài)壓力傳感器，檢測(cè)動(dòng)態(tài)總壓的變化情況。動(dòng)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(qiáng)烈的非定常流動(dòng)。流量系數(shù)等于0.52時(shí)，失速團(tuán)在進(jìn)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(shí)，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(shí)，進(jìn)出口的總壓波形比較相似，但是在零流量系數(shù)點(diǎn)時(shí)，兩者的波形相差較大。可以認(rèn)為在零流量時(shí)，出口失速團(tuán)占據(jù)了整個(gè)周向范圍，但是總壓的分布還是不均勻的，這主要和壓氣機(jī)的進(jìn)口總壓分布不均勻有關(guān)。
五、考核環(huán)節(jié)強(qiáng)調(diào)團(tuán)隊(duì)合作
為了鍛煉研究生的團(tuán)隊(duì)合作能力，在制定本門(mén)課程的考核環(huán)節(jié)時(shí)進(jìn)行了特殊的安排。首先，根據(jù)國(guó)內(nèi)外在葉輪機(jī)械非定常流動(dòng)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和本門(mén)課程的教學(xué)內(nèi)容，在課程的開(kāi)始之初就拋出了以下幾個(gè)主題：（1）葉輪機(jī)械中的沉寂效應(yīng)（2）葉輪機(jī)械中的轉(zhuǎn)靜干涉問(wèn)題（3）葉輪機(jī)械中的進(jìn)氣畸變問(wèn)題（4）葉輪機(jī)械中的旋轉(zhuǎn)失速和喘振問(wèn)題（5）葉輪機(jī)械中的失速先兆問(wèn)題（6）葉輪機(jī)械中的穩(wěn)定性主動(dòng)控制方法（7）葉輪機(jī)械中的穩(wěn)定性被動(dòng)控制方法圍繞以上7個(gè)題目，研究生可以自行組建2-4人小團(tuán)隊(duì)，用大概2個(gè)月左右的時(shí)間開(kāi)展相關(guān)的研究。學(xué)生除了需要閱讀大量的文獻(xiàn)，給出國(guó)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(xì)致的分析工作。最后撰寫(xiě)一份報(bào)告，并在課堂上用PPT介紹團(tuán)隊(duì)的工作開(kāi)展過(guò)程以及得到的主要結(jié)論，同時(shí)回答老師和同學(xué)們提出的問(wèn)題。通過(guò)這種考核方式，學(xué)生可以選擇自己感興趣的內(nèi)容，通過(guò)廣泛閱讀國(guó)內(nèi)外的相關(guān)文獻(xiàn)，提高對(duì)該問(wèn)題的認(rèn)識(shí)，同時(shí)通過(guò)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(qiáng)與其他同學(xué)之間的團(tuán)隊(duì)合作能力，為今后的科研工作提供一定的幫助。
六、結(jié)束語(yǔ)
《葉輪機(jī)械中的非定常流動(dòng)》課程進(jìn)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(jī)實(shí)驗(yàn)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(kāi)拓了研究生的視野、提高了對(duì)于科研工作中數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)兩種重要手段的認(rèn)識(shí)，能夠?yàn)檠芯可罄m(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(tuán)隊(duì)形式進(jìn)行，提高學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作能力，為今后的科研、工作提供幫助。通過(guò)與學(xué)生的交流，認(rèn)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。
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作者:屠寶鋒 胡駿 王志強(qiáng) 單位:南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院 江蘇省航空動(dòng)力系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室