傅文广 孙鹏
摘要近年来，在国家的大力支持之下，我国民航工业飞速发展。为使我国的民航工业得到持续稳定发展，各高校积极开设航空专业课程，为航空业培养了大量专业人才。鉴于计算流体力学（CFD）在航空工业中的重要作用，在中国民航大学开设CFD仿真相关课程的重要性不言而喻。文章对该课程的培养目标、课程性质、教学内容建设与考核方式进行了详细阐述，为国内相关高校将数值仿真课作为通识课程提供有益参考，为数值仿真课程建设提供支持。
关键词 数值模拟；民用航空；计算流体力学；课程建设
中图分类号：G642文献标识码：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.13.019
航空发动机被誉为“现代工业皇冠上的明珠”，该部件的发展水平是一个国家科技和整体实力的集中体现，已成为我国实现制造强国的十大重点领域之一[1]。在航空发动机以及燃气轮机的研制过程中，CFD数值仿真技术在提高研制效率和质量，减少实物实验次数，降低研制风险和成本，加快研制进程等方面发挥着重要作用。我国一直高度重视CFD数值仿真技术的发展，目前已经具备了集仿真建模与工程应用为一体的航空发动机研制能力。
计算流体力学（CFD）是一门通过数值方法求解流体力学控制方程，并预测流体运动规律的学科[2]。目前，在现代工业的发展进程中运用到大量CFD数值仿真相关知识与软件：如高楼、桥梁的设计；高速列车、汽车以及飞行器的设计；航空发动机的内部流动；燃烧室的燃烧等。在现代航空航天领域中，CFD数值仿真技术已逐渐成为与理论分析、风洞实验并列的流体力学三大主要研究方法之一，CFD数值仿真技术的发展对于国家工业与科技发展的重要程度不言而喻。然而，当前CFD数值仿真技术相关专业人才多以技术研究、系统设计为主，对仿真学科领域的研究较为匮乏，导致仿真学科理论教学与研究“短板”现象十分严重。基于此，探索如何高效地让仿真学科系统且深入地被学生所认识成为当今仿真学科建设与研究的重点问题[3]。在中国民航大学开设CFD数值仿真课程，旨在将民用航空业与数值仿真学科相结合，培养未来航空工业所需的专业型高质量人才。
1培养目标
中国民航大学设有与民航业息息相关的特色专业，如安全工程、飞行器制造工程、飞行器动力工程等，开设这些专业最主要目的就是为民航业不断提供对口的高层次人才。在这些特色学科的建设和发展过程中，CFD数值仿真相关知识与软件发挥着重要作用。因此，培养具备CFD数值仿真技术的高层次人才可以更好地适应目前我国航空工业的发展需求。
目前，我们正面临着百年未有之大变局，民航业外部发展环境的复杂性和不确定性日益增加。美国及其他发达国家对中国航空产业采取遏制态度[4]。对于航空发动机而言，由于我国的航空工业起步较晚，其自主研发技术与发达国家还存在较大差距，虽然国产大飞机C919的自主研发取得了成功，但对于关键技术的突破与发动机的自主研制仍有很长的路要走。为了提高我国航空工业的自主研发能力，我国民航领域相关单位均在不断提出新的发展目标、制订完善的发展路线，不断提升自身专业技术水平，以期尽快补齐短板解决“卡脖子”问题。例如，中国航发集团于2023年初发布了未来五年的总体要求：加快自主创新、自主保障、自立自强的步伐，打造一流产品、形成一流研发能力、争创一流经营绩效，完成好重点科研和重大工程任务，加快代表性军民用航空动力和燃气轮机研制，支撑建军百年奋斗目标如期实现，奋力谱写全面建设社会主义现代化国家的航发新篇章[5]。未来，在航空器自主研发的进程中，将会需要大量对航空发动机等有深入了解且具备一定CFD数值仿真技术的专业型人才。因此，为了确保我国航空业未来的持续性发展，将“走进CFD数值仿真世界”课程纳入中国民航大学相关专业的培养计划之中，可满足未来我国发动机与民航产业将面临的发展需求，促进特色学科的建设与完善。
2课程性质
CFD数值仿真主要以计算机为硬件基础，通过求解纳维尔―斯托克斯方程和图像显示，达到对工程和物理问题乃至自然界各类流动现象深入剖析的目的，可将其理解为用计算机计算来代替物理实验。CFD数值仿真的适应性强、应用面广，目前已经被广泛应用于国民经济的各个领域，CFD数值仿真是进入更深层次工程探索和物理理论学习的基石，因此有必要将该课程作为通识课程进行讲授。CFD数值仿真建立在高等数学、微积分、空气动力学、流体力学等基础学科之上，需要足够的理论基础才能理解其中的原理，同时还需要学生具备一定的计算机操作与模型建立的能力。因此，该数值仿真课程适用于安全工程、飞行器制造工程、飞行器动力工程等工程类专业大二/大三的学生。
3教学内容建设
本课程属于工程与信息技术类通识课，主要面向安全工程、飞行器工程、飞行器动力工程、土木工程等与流体力学、气体动力学相关的工科类专业的本科生，课程选用《ANSYSFluent流体计算从入门到精通》作为教学参考书，该教材由易到难，由浅入深，符合教学大纲要求。课程以商用数值软件ANSYS Fluent为主要操作对象，以生活和工程中的实例为内容，讲授流动问题的建模、仿真和分析等过程，目的是将看似高深的工程技术简单化、通俗化，让学生更加轻松地了解、理解、运用课堂上所学的基础理论知识，能熟练地使用CFD数值仿真软件研究和分析流体问题，例如，通过数值仿真解释机翼失速的成因和影响、发动机失速问题、高层建筑设计时为什幺一定要进行风洞模型试验，等等。通过本课程，学生可以初步掌握一种借助数值仿真解释物理现象和解决工程问题的手段，熟悉CFD仿真软件的使用，增加对CFD数值仿真的兴趣，为未来专业课的学习和进一步深造奠定基础。课程讲授时，主要采用ANSYS Fluent软件进行CFD数值仿真，内容包括几何建模、网格划分、边界条件、求解计算、数据处理和图形输出、结果分析等，以及其中涉及的流体力学、数学和工程方面的基础知识。选取生活实例和工程实例进行实践教学，从生活现象到工程应用，有利于激发学生主动学习科学知识的兴趣，锻炼学生思考问题、解决问题的能力。
CFD数值仿真类课程在众多工科院校均有开设，但大多是针对特定专业开设的专业基础课。本课程的定位是通识课，因此在案例的选取上更贴近生活中常见的物理现象。根据课程性质与培养目标，本门课程的教学内容一共划分为四大部分，具体教学内容叙述如下：
3.1 CFD数值仿真知识的入门引导
CFD数值仿真课程建设的第一部分计划2个课程学时，第一个课程学时着重介绍CFD数值仿真的发展及特点，ANSYS旗下商用软件的特点、配置需求、工程优势及其在安全工程、飞行器制造工程、飞行器动力工程等专业领域的应用。第二个课程学时主要讲解CFD数值仿真未来的发展趋势，以及它对学生今后学习和工作的助益等，让学生明确学习目标，同时对本门课程有一个宏观的认识。
3.2数值仿真基础理论的专业教学
CFD数值仿真课程建设的第二部分同样计划用时2个课程学时，主要包含基础流体知识讲解，讲授数值仿真的过程，每个阶段的基本知识，如数值计算域的概念和划定规则、网格的概念和用途、边界条件的意义和作用等。在理论知识的授课中，主要设置了一些与生活密切联系的流体力学问题，如美国塔科马大桥垮塌的原因，虎门大桥为何抖动等问题，从而激发学生的探索兴趣。其中涉及的高数和线性代数知识学生都已学过，对未学过而涉及的知识教师将会进行补充。
3.3数值仿真实例讲授与演练
CFD数值仿真课程建设第三部分作为该课程建设的主体内容，共计划用时26个课程学时，拟选取2个生活实例与3个工程实例进行讲解，主要是对ANSYS Fluent软件的使用和仿真过程以不同实例进行详细的讲授，包括ANSYS Fluent的使用方法、模型的建立、计算域的选取规则，网格的类型、结构化和非结构化网格的划分方法、边界条件的设定、求解器类型及选取规则、结果分析以及非定常问题的求解。通过对这些生活和工程实例的讲解与演练，有利于学生熟练掌握ANSYS Fluent软件的使用以及仿真流程，带领学生从理论学习过渡到实际操作。
3.4数值仿真相关理论的衍生探讨
CFD数值仿真课程建设的结尾部分计划2个学时，主要和学生探讨与本课程相关的理论知识，讲授近年火热的新概念——数字孪生与其在航空、能源、建筑等领域中的应用，数值仿真在数字孪生体构建时的作用等，激发学生更深层次的学习兴趣。
4教学与考核
CFD的计算理论比较复杂，到目前为止，理论体系并未发展完善，严格的证明并不多，很多方法的性质并未完全得到证明，实际上计算流体力学的很多方法都是用“后验”的方法逐步验证的，这给CFD课堂教学带来了困难[6]。因此，在教学方法上，除了介绍基本的理论知识，还会让学生通过数值仿真去验证一些抽象的知识。例如，在讲解湍流模型的相关知识时，便会用到“后验”方法。在CFD数值仿真当中，湍流模型数量众多且抽象，单一的理论知识讲解很难让学生理解其中的关键内容，因此在讲授案例分析时，教师可选取一个生活案例，并让学生选择不同的湍流模型去求解问题，最后让学生比较不同湍流模型所得到的结果，并用数值仿真所得到的结果去验证理论知识，这样的授课方法有助于学生更好地理解抽象知识，提高学习效率。在整门课程的讲授中，都会贯穿这种灵活且高效的授课方法。
本课程内容丰富，采用多媒体教学结合电脑实操的教学方法，教学方式主要包含理论、实例和相关训练三种类型，并以1∶1∶2的比例占比。在实例教学时，学生需自备笔记本电脑，随教师同时操作。教学研究要关注实践、研究实践、走向实践，要持续跟踪教学模式在实践中的应用效果[7]。综合评价学生学习情况，离不开成绩考核。作为学科通识课程，故不单一采用期末考试形式，而应更多关注学生的实际掌握情况。
本课程采用随堂实操考核，将学生每一次的实操作业作为期末成绩的一部分，这是对传统考核方式的一种改革，能在一定程度上提高学生对随堂作业的重视程度，同时，检验学生对知识的吸收能力，锻炼学生的思考能力、动手能力与实践能力。随堂考核内容包括数值建模、仿真求解和简单的结果分析，且需提交全部过程文件和分析结果供查验，期末总成绩的组成为：出勤20%，课堂表现30%，实操50%。最后，定时查阅学生所提交的作业，从学生的作业反馈中不断改进教学方法，并征求学生意见，形成一种能让学生更快、更好地吸收新知识的教学模式。
5结语
本文通过将民用航空工业与中国民航大学的学科特色相结合，从而说明开设CFD数值仿真课程的重要性，并详细阐述了该数值仿真课程的培养目标、课程性质、教学内容与考核方式，为中国民航大学的特色专业建设提供参考。
*通讯作者：孙鹏
基金项目：中国民航大学2022年教育教学改革与研究项目（CAUC-2022-B2-001）。
参考文献
[1]崔传勇，吴彬.勇攀高温合金高峰摘取“皇冠上的明珠”——高温合金分论坛侧记[J].中国材料进展，2018，37（9）：724-725.
[2]曹建国.数字化转型下航空发动机仿真技术发展机遇及应用展望[J].系统仿真学报，2023，35（1）：1-10.
[3]邱晓刚，段红，谢旭，等.我国仿真学科研究的发展历程与展望[J].系统仿真学报，2021，33（5）：1008-1018.
[4]彭科，熊浩，何沙，等.对比民航发展规划分析判断民航发展趋势[J].管理工程师，2022，27（4）：21-28.
[5]本刊编辑部.中国航发集团奋进新征程建功新时代以党的二十大精神引领航空发动机事业高质量发展[J].国防科技工业，2023，（2）：20.
[6]田正雨，谢文佳，王圣业，等.对流体力学数值仿真类课程中理论教学的思考[C].第三届全国高等学校航空航天类专业教育教学研讨会论文集，2022：298-302.
[7]陈效飞，何星，任春华.我国教学模式研究的历史回顾与时代走向[J].安庆师范大学学报（社会科学版），2022，41（5）：96-101.
