汽车风洞PIV流场测量的虚拟仿真实验教学平台开发

［摘 要］ “汽车空气动力学”课程涉及大量的基本原理和典型三维流动现象，仅依靠多媒体教学和简单的演示实验难以讲授清楚，不利于充分调动和挖掘学生专业学习的兴趣及热情。通过构建可操作的汽车风洞虚拟场景，结合粒子图像测速技术（PIV），同时应用计算流体力学（CFD）与虚拟仿真技术开发汽车周围流场测量的实验教学平台，以高效直观地传授汽车风洞PIV流场测量的基本原理和操作规范，并使学生在虚拟风洞场景中全方位观察CFD提供的丰富流动数据，树立正确的流场认知，深入理解汽车气动设计原理，充分调动学生的主观能动性，激发其学习兴趣。

［关键词］ 汽车空气动力学；虚拟仿真；PIV；实验教学

［基金项目］ 2022年度同济大学第十七期实验教学改革专项基金项目“汽车风洞PIV流场测量的虚拟仿真实验”（1700104204）；上海市地面交通工具空气动力与热环境模拟重点实验室（23DZ2229029）

［作者简介］ 夏 超（1988—），男，河南焦作人，博士，同济大学汽车学院硕士生导师，主要从事汽车空气动力学研究；陈 力（1979—），女，江苏南京人，博士，同济大学汽车学院高级工程师，主要从事汽车风洞测试技术、科研平台管理研究；贾 青（1979—），女，山东青岛人，博士，同济大学汽车学院博士生导师（通信作者），主要从事汽车空气动力学研究。

引言

汽车风洞是地面交通工具正向设计和自主研发所必不可少的基础科研设施，可以进行车辆空气动力学性能测试和车身气动优化设计等［1-2］，以达到在优化造型的同时，降低气动阻力来减少油耗，从而实现车辆节能减排的目的。同时，风洞实验是“汽车空气动力学”课程教学的重要内容，通过风洞实验，学生可以了解汽车气动实验研究的基本流程和原理［3］。目前，缩比模型风洞和汽车整车风洞等演示实验已应用在实际教学活动中。但传统的风洞实验教学仍存在以下问题：（1）“汽车空气动力学”课程涉及大量的基本原理和典型三维流动现象，仅依靠PPT等多媒体教学和简单的演示实验难以讲授清楚，不利于充分调动和挖掘学生专业学习的兴趣及热情；（2）近年来，逐渐发展成熟的流动显示和空间流场测量先进技术，如粒子图像测速技术（PIV），已在“汽车空气动力学”风洞实验中得到广泛应用［4］。但由于PIV设备昂贵，涉及高能量激光、烟雾颗粒和高速相机等，实验风险大，操作步骤繁多，耗时长，目前仅主要用于科研项目。在常规的实验教学中，通常以参观和演示实验为主，难以保障所有学生可直接参与和实际操作；风洞PIV流场测量目前无法面向本科生普及，且面向研究生的培训成本也较高。

针对传统风洞实验教学中流场测量的局限性，本项目通过构建可操作的虚拟风洞场景，融合PIV这一科研设备，应用计算流体力学（CFD）与虚拟现实技术进行流场测量的虚拟仿真实验教学［5-7］。一方面，本项目可使学生及早接触大型的科研设备，高效直观地掌握汽车风洞PIV流场测量的基本原理和操作规范，弥补传统的风洞实验教学环节中学生无法进行实际操作的不足；另一方面，本项目结合CFD技术，可使学生在虚拟风洞场景中全方位观察CFD提供的丰富的三维流动数据，树立正确的汽车周围流场认知，深入理解汽车气动设计原理，充分调动主观能动性，激发学习兴趣。总体上，该虚拟仿真实验项目建设对提高学生的实验教学参与度和教学效果具有重要意义。

一、虚拟仿真实验教学模块设计

基于“汽车空气动力学”课程的具体教学内容，制定汽车风洞PIV流场测量的基本操作流程和规范；开发适合于本科教学的汽车风洞PIV流场测量的虚拟仿真实验平台，展示和讲解PIV设备的组成、基本原理、测试流程及规范等；结合CFD和虚拟仿真技术，融入汽车典型尾部三维流场认知实验，让学生直观地观察典型汽车模型的流动现象。汽车风洞PIV流场测量虚拟仿真实验平台构架具体内容如图1所示。根据认知规律，从汽车风洞认知、PIV流场测量实验、汽车尾部流场认知三个层面构建实验教学内容，并在项目的每一部分都通过知识介绍和考核环节相结合的形式来达到更好的教学效果。

1.基础认知模块，即汽车风洞认知。通过对风洞的学习探索，学生可在虚拟风洞场景中全方位观察和了解汽车风洞的基本组成、基本原理及关键部件的特征。

2.实践提高模块，即PIV流场测量实验。以汽车周围流场测量为切入点，按照实验目的、仪器组成、基本原理和操作基本流程等关键步骤，教师直观高效地传授汽车风洞PIV流场测量的基本原理和方法。

3.拓展认知模块，即汽车尾部流场认知。通过融合CFD和虚拟仿真技术，以三种典型汽车尾部模型的流场数据为例，让学生在虚拟风洞场景中全方位观察丰富的流动结构，随意进行旋转、移动、缩放操作，树立正确的汽车周围流场认知。

二、虚拟仿真实验教学平台建设实施过程

本项目基于汽车整车风洞，利用CFD和虚拟仿真技术开发汽车风洞PIV流场测量的虚拟仿真实验教学平台，具体实施过程如下。

首先，构建汽车风洞关键部件、PIV相关设备和汽车标准测试模型的三维CAD。

其次，利用PIV和CFD分别进行三种汽车标模的流场测量和流场数值模拟，获取其平面和三维的流场数据。

最后，采用Unity3D虚拟现实软件，集成设备三维CAD、三维场景、PIV流场测量结果以及CFD三维流场等数据，构建汽车风洞PIV流场测量的虚拟仿真实验教学平台。

三、虚拟仿真实验教学平台建设效果

进入教学平台后，进入模块选择界面，可选择汽车风洞认知、PIV流场测量实验和汽车尾部流场认知三大模块，即将鼠标移动至模块并彩色显示后，点击即可进入该模块进行实验操作。

1.汽车风洞认知模块。完全复现汽车整车风洞的三维模型，如图2所示，学生进入该模块后，可以通过键盘进行前后左右移动，通过鼠标全方位调整视角，在整个风洞流道内自由漫游。在进入该场景后，对风洞中与空气动力学相关的关键设施设有高亮提示，点击后有进一步的详细说明以供学生进行进一步的学习。

2.PIV流场测量实验模块。如图3所示，学生进入该模块后，主要完成以下几个关键交互步骤：（1）通过PIV系统示意图了解PIV测量的基本原理；（2）进入风洞实验段，在更直观地观察PIV各部件的同时，按照提示搭建PIV系统；（3）调整测量平面位置的标定板、调节激光器和片光源；（4）调整CCD相机的光圈和焦距；（5）利用ISIGHT 4G软件测量标定；（6）进行PIV拍摄测量和后处理得到尾部速度流线图。

3.汽车尾部流场认知模块。如图4所示，学生进入该模块后，可以全方位观察CFD提供的二维和三维尾部流动数据，随意进行旋转、移动、缩放操作，树立正确的汽车周围流场认知，分析探索流动机理，深入理解汽车气动设计原理。

此仿真教学平台的开发完成，是对教学团队之前开发的汽车整车风洞空气动力学测试虚拟仿真实验项目的重要补充和完善［8］，因为之前的虚仿只包含了整车风洞实验中传统测力测压环节的基本流程和操作，并未涉及PIV速度测量的流场可视化模块，通过此虚拟仿真实验，原本在理论课与实验观摩课中难以使学生掌握的流动细节得到了充分展示，提高了教学质量，获得了广泛好评，让本科生有机会了解汽车风洞先进的PIV空间流场测量方法，更好地理解和掌握汽车风洞PIV流场测量技术，降低了学习和操作PIV测量设备的难度以及使用中的安全隐患。

结语

通过构建可操作的虚拟汽车风洞场景，融合PIV科研设备，同时应用CFD与虚拟现实技术进行流场测量的虚拟仿真实验教学平台开发，一方面，可使学生及早接触大型的科研设备，高效直观地掌握汽车风洞PIV流场测量的基本原理和操作规范，弥补传统的风洞实验教学环节中学生无法进行实际操作的不足；另一方面，结合CFD技术，可使学生在虚拟风洞场景中全方位观察CFD提供的丰富的三维流动数据，随意进行旋转、移动、缩放操作，树立正确的汽车周围流场认知，分析探索流动机理，深入理解汽车气动设计原理，充分调动主观能动性，激发学习兴趣。总体上，该虚拟仿真实验平台的建设对提高学生的实验教学参与度和教学效果都具有重要意义。

参考文献

［1］SCHUETZ T. Aerodynamics of road vehicles［M］. Fifth Edition. SAE book，2016：430.

［2］贾青，杨志刚，李启良.汽车风洞试验段流场的试验研究［J］.实验流体力学，2011，25（6）：33-377.

［3］李启良，孙宇庆，徐淳傲，等.“汽车空气动力学”课程教学方法新探索［J］.教育教学论坛，2021（23）：133-136.

［4］范亚军，夏超，葛典典，等.方背Ahmed模型非定常尾迹的实验研究［J］.实验流体力学，2019， 33（6）：84-89.

［5］张树玲，张燕然，张波，等.CFD技术进展及其在汽车设计中的应用［J］.教育教学论坛，2018（37）：279-280.

［6］柳洪洁，宋月鹏，马兰婷，等.国内外虚拟仿真教学的发展现状［J］.教育教学论坛，2020（17）：124-126.

［7］喻曹丰，陈清华，汪选要，等.虚拟仿真实验模块在车辆工程专业实验教学中的应用［J］.教育教学论坛，2019（17）：276-278.

［8］陈力，夏超，沈哲，等.以实托虚汽车风洞虚拟仿真教学平台设计［J］.实验室研究与探索，2022，41（6）：143-147.

Development of Virtual Simulation Experimental Teaching Platform for PIV Flow Field Measurement in Automotive Wind Tunnel

XIA Chaoa， b， CHEN Lia， b， JIA Qinga， b

（a. School of Automotive Studies， b. Shanghai Automotive Wind Tunnel Center， Tongji University， Shanghai 201804， China）

Abstract： The automotive aerodynamics course involves a large number of basic principles and typical three-dimensional flow phenomena， which are difficult to be explained clearly only by multimedia and simple demonstration experiments， and are not conducive to fully mobilizing and tapping the students’ interest and enthusiasm in professional learning. By constructing an operable virtual scene of automobile wind tunnel， combining particle image velocimetry （PIV） technology， and at the same time applying computational fluid dynamics （CFD） and virtual simulation technology， an experimental teaching platform for the measurement of the flow field around the automobile is developed. This platform can efficiently and intuitively teach the basic principles and operation specifications of PIV flow field measurement in automobile wind tunnel， and at the same time， it can be used for students to observe the rich flow data provided by CFD in the virtual wind tunnel scenario in an all-round way， to establish a correct perception of the flow field， to understand the principles of the pneumatic design of automobiles in-depth， and to fully mobilize the students’ subjective initiative and stimulate the interest in learning.

Key words： vechicle aerodynamics; virtual simulation; PIV; experimental teaching