叶轮机械中的非定常流动教学改革

摘要：《叶轮机械中的非定常流动》课程是南京航空航天大学能源与动力学院开设的一门面向工程热物理、航空宇航推进理论与工程等学科方向硕士研究生的专业课程，是叶轮机械气动热力学研究方向的必学课程。文章针对《叶轮机械中的非定常流动》的教学现状，采用启发式教学、编制程序和压气机实验相结合的授课模式，以团队形式进行课程考核，增强了学生的学习兴趣，提高了学生的团队合作能力，授课效果得到有效改善。

关键词：叶轮机械；非定常流；启发式教学；编程；实验

一、绪论

《叶轮机械中的非定常流动》课程是南京航空航天大学能源与动力学院开设的一门面向工程热物理、航空宇航推进理论与工程等学科方向硕士研究生的专业课程，是叶轮机械气动热力学研究方向的必学课程。学生通过该课程的学习，对于叶轮机内部非定常气体流动的物理过程和性质、常用简化方法和思路，以及描述各种流动过程的物理模型有深入的了解和认识，掌握相关知识，并能利用所学知识解决实际工程应用中的有关叶轮机非定常流动方面的问题。课程要求学生对于叶轮机械动、静结构特点决定的动、静两类坐标系上的一系列流动特点有深刻的认识，掌握叶轮机械中经典的旋转失速、喘振和进气畸变等非定常流动的现象和物理特性，以及描述其物理过程的理论分析模型，并了解最新的有关旋转失速和喘振起始过程和特性，以及在此基础上发展的旋转失速和喘振主动控制概念和技术。叶轮机械作为航空发动机的重要组成部件[1]，其设计的好坏在很大程度上决定了航空发动机性能的优劣。由于叶轮机械结构的特殊性，非定常流动是其固有的属性，因此，必须从非定常的角度出发，开展叶轮机械课程的教学、研究和分析。本科生课程《叶轮机原理与设计》以基础理论及定常流动相关知识为主，在讲课的过程中学生接受本身就较为困难[2]，叶轮机械非定常流以本科生课程《叶轮机原理与设计》为基础，但是又有很大的区别，其以非定常理论为基础，内容不直观，有些需要学生想象才能理解，因此如何让学生感兴趣、容易接受相关知识点是本课程教学的难点。《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》明确指出改革创新是教育发展的强大动力，需要深化教学改革，改革教学内容和方法，提高学生的学习能力、实践能力、创新能力[3]；教育部、国家发展改革委、财政部等部门联合的《关于深化研究生教育改革的意见》也提出要创新人才培养模式，重视课程教学在研究生培养中的作用[4]。因此，教师有必要在讲授研究生课程过程中学习借鉴先进教育理念，积极深化研究生课程教学模式的改革。为提高授课效果，增强学生的学习兴趣，作者对该课程教学进行了探索性的教学改革，采用了启发式教学、编制程序和压气机实验相结合的授课模式，增强了学生的学习兴趣；课程考核以团队形式进行，提高了学生的团队合作能力。

二、启发式教学培养兴趣

启发式教学能够有效调动学生的思维，激发学习热情，培养独立思考的能力[5]。启发式教学作为一种教学方法，在本质上和其他教学方法不存在优劣的问题。但启发式教学若运用不当，仅有“启”之名，而无“发”之实，反而会大幅降低教学效果。启发式教学的关键之处在于创设问题的情境，对教师提出了更高的要求。只有在学习那些“似懂非懂、似会非会”的东西时，学生才感兴趣，而且迫切希望了解、掌握它。心理学研究证明，在教学过程中要尽量地引导学生主动地学习，教师的讲解无法代替学生主动地思考问题，教师的作用主要体现在能够因势利导，在恰当的时候启发、指点、引导。启发式教学最根本的就是调动学生学习的主动性和积极性。《叶轮机械中的非定常流动》涉及的内容很多，有些甚至是目前国内外研究的热点，属于学术研讨的内容，尚未有定论，还有待于广大研究人员深入挖掘。因此，从研究生教学的角度看，通过以知识点的形式进行启发式教学，培养学生对于叶轮机械非定常流动的兴趣。比如叶轮机械中研究非常火热的转静干涉问题，在授课时首先给出高精度CFD数值模拟的转静干涉流动动画，展示转子尾迹周期性扫掠静子叶片，影响静子叶片表面的静压分布，同时，尾迹在静子的作用下被不断割裂，并向下游传播。动画的演示非常直观、形象。同学们通过细致观察，可以很容易理解该特殊的流动现象。然后，基于这幅动画，作者提出若干个问题，引导学生进行主动思考：（1）转子尾迹如何形成，在实验中如何测量尾迹？（2）尾迹经过激波时，其流动特征会如何变化？（3）如何测量叶片表面的动态静压，转子叶片和静子叶片上测量有何差异？（4）转静干涉在实际工程上会带来什么样的影响？好处是什么？坏处是什么？通过对上述四个问题进行广泛、深入的课堂讨论和分析，很多同学对于叶轮机械转静干涉问题产生了很大的兴趣，从数值计算和实验的方法获得启发，并与自己的研究生课题进行有机结合，极大地提高了该门研究生课程的教学效果。

三、编程环节加深对理论和计算模型的认识

叶轮机械中有两类特殊的非定常流动，分别是旋转失速和喘振。旋转失速是一种极为重要的非定常流动现象。实验已证实叶轮机械中存在两种类型的失速。一种是简单的叶片失速，亦即叶片表面的附面层分离；另一种是旋转失速。当整个叶片排同时失速时，即为简单的叶片失速，这种失速与外流中孤立叶型的失速类似。如果所有叶片是完全相同的，而且同时感受到相同的失速进气角，那么整个环形通道的叶片排应同时失速。叶轮机械在正常工作状态下叶片表面出现的局部分离应属于这一类失速。旋转失速这种失速由覆盖少许叶片的若干个失速团组成，而且失速团以部分转子转速沿转子旋转方向旋转。旋转失速可以发生在转子或静子叶片排内，也可以发生在整个轴流或离心式叶轮机械中。喘振是由叶轮机械及其进、出口管道和下游节流装置等构成的整个压缩系统的一种不稳定流态。当压缩系统进入喘振时，通过系统的面平均流量以及叶轮机械出口的面平均压力等参数都随时间作低频振荡。通常将这种面平均流量随时间的波动形象地称作为流量的轴向振荡。此时，在压缩系统的特性图上，压缩系统瞬时工作点的轨迹形成一个封闭的环，并且部分与右支稳态特性重合。在这种高强度的振荡过程中，通过叶轮机械的瞬时流量可以是负的，即出现倒流现象。喘振与旋转失速不同。对于完全发展的旋转失速来说，流过叶轮机械的面平均流量是稳定的，不随时间变化，只是局部失速团的出现破坏了叶轮机械中原有的轴对称流态，而且失速团绕轴旋转使得向局部位置的流动具有非定常特性，叶轮机械仍能实现与下游部件的稳定匹配，从而整个压缩系统仍能稳定于某一个工作点。只是流量、压升（或压比）和效率都有较大的下降，系统的气动性能恶化。喘振时叶轮机械则不能实现与下游部件的稳定匹配，从而使得整个压缩系统进入不稳定状态。以深度喘振为例，在喘振的一个振荡周期内，部分周期通过叶轮机械的流量小于叶轮机械的稳定边界流量，而另外部分周期的流量大于叶轮机械的稳定边界流量。因而在喘振的一个振荡周期内就有可能伴随着流量进入和退出失速流量而呈现出旋转失速的产生、发展和消失。这两种叶轮机械中的典型非定常流动在课程的讲解过程中如何让学生理解较为困难，主要原因是现有的CFD数值计算和实验还无法直观地展示叶轮机械旋转失速和喘振的形成和发展过程。美国MIT的Greitzer教授在20世纪70年展了一个计算模型，可以模拟叶轮机械旋转失速和喘振的发展过程。该模型把压缩系统简化成由压气机及其上、下游管道，大容腔（气压室）以及节流阀和排气管道组成。压气机的作用由一个压气机激盘来代表；而下游排气管道中的节流阀的作用则由一个节流阀激盘代表。激盘外的流动假定为一元、无粘和非定常的。通过四个控制方程，运用计算机编程，可以较为方便地获得叶轮机械旋转失速和喘振的发展过程及各自的特点和区别。通过该程序的编制，不仅能够了解重要的一阶时间滞后方程，理解其在叶轮机械非定常流动中的所起的特殊作用，同时还能够熟悉Greitzer提出的重要的B参数，该参数直接会影响压气机失稳后是进入旋转失速还是喘振，对于叶轮机械的设计和研究有重要的参考价值。

四、实验环节提高直观认识

虽然，通过计算模型开发计算程序，可以模拟旋转失速和喘振的形成和发展特征，有助于理解旋转失速和喘振。为进一步加强学生对旋转失速这一现象的认识，作者利用学校拥有的一台双级低速轴流压气机实验台，通过稳态和动态测量相结合的方法，帮助学生加深理解叶轮机械的典型非定常流动。实验时在压气机进出口均布置了动态压力传感器，检测动态总压的变化情况。动态压力传感器在周向的位置是固定的，其感受到的压力呈现周期性变化的原因是气流中的参数发生了改变，表现明显的周期性的非定常特征，因此旋转失速是一种强烈的非定常流动。流量系数等于0.52时，失速团在进口只占据了约37%的周向范围，当流量系数降至0.32时，已经占据了约61%的周向范围。在流量系数等于0.52和0.32时，进出口的总压波形比较相似，但是在零流量系数点时，两者的波形相差较大。可以认为在零流量时，出口失速团占据了整个周向范围，但是总压的分布还是不均匀的，这主要和压气机的进口总压分布不均匀有关。

五、考核环节强调团队合作

为了锻炼研究生的团队合作能力，在制定本门课程的考核环节时进行了特殊的安排。首先，根据国内外在叶轮机械非定常流动领域的研究热点和本门课程的教学内容，在课程的开始之初就抛出了以下几个主题：（1）叶轮机械中的沉寂效应（2）叶轮机械中的转静干涉问题（3）叶轮机械中的进气畸变问题（4）叶轮机械中的旋转失速和喘振问题（5）叶轮机械中的失速先兆问题（6）叶轮机械中的稳定性主动控制方法（7）叶轮机械中的稳定性被动控制方法围绕以上7个题目，研究生可以自行组建2-4人小团队，用大概2个月左右的时间开展相关的研究。学生除了需要阅读大量的文献，给出国内外的研究现状，还可以在此基础上，用适当的方法比如CFD数值模拟，做一些更为细致的分析工作。最后撰写一份报告，并在课堂上用PPT介绍团队的工作开展过程以及得到的主要结论，同时回答老师和同学们提出的问题。通过这种考核方式，学生可以选择自己感兴趣的内容，通过广泛阅读国内外的相关文献，提高对该问题的认识，同时通过自己的研究，了解相关的技术手段和方法，另外，还可以加强与其他同学之间的团队合作能力，为今后的科研工作提供一定的帮助。

六、结束语

《叶轮机械中的非定常流动》课程进行的探索性教学改革，采用启发式教学、编制程序和压气机实验相结合的授课模式，极大地提高了研究生的学习兴趣，开拓了研究生的视野、提高了对于科研工作中数值计算和实验两种重要手段的认识，能够为研究生后续的硕士论文研究提供了一些有益参考和帮助。课程考核以团队形式进行，提高学生的团队合作能力，为今后的科研、工作提供帮助。通过与学生的交流，认为这种探索性教学改革能够有效提高研究生课程的授课效果。

参考文献：

[1]胡骏.航空叶片机原理[M].北京:国防工业出版社,2014.

[2]王志强.叶片机原理与设计教学改革的探索[J].课程教育研究,2013,10(4):71-73.

[3]国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010—2020年)[Z].2010.

[4]教育部国家发展改革委财政部关于深化研究生教育改革的意见[Z].2013.

[5]瞿红春,陈智强.民航院校《航空发动机原理》教学改革的研究[J].科技创新导报,2012,(2):163.

作者:屠宝锋 胡骏 王志强 单位:南京航空航天大学能源与动力学院 江苏省航空动力系统重点实验室