航空发动机原理虚拟仿真教学实验

为努力攻克我国航空发动机“心脏病”问题，突破航空航天动力系统发展瓶颈，国家于2016年开始实施航空发动机和燃气轮机重大专项。

南京航空航天大学飞行器动力工程专业，作为国家级特色专业、教育部卓越工程师培养计划专业，为国家培养了大量优秀的航空发动机专业人才。据2015年的数据统计，中国航发37.9%的一级和首席专家均来自于南航飞行器动力工程专业。

航空发动机工作原理认知及实践是飞行器动力工程专业人才培养的核心教学环节。本实验课程服务于飞行器动力工程专业《航空发动机原理》、《航空发动机总体性能设计》、《航空叶轮机原理》和《航空发动机燃烧室原理》这4门核心主干课程以及2门专业导论课程，以发动机部件特性、微/小型涡轮发动机整机特性教学为基础，通过虚拟仿真技术构建虚拟实验场景，复现航空发动机的结构和实时工作状态，让学生身临其境地自主设计和实践操作，可显著帮助学生加深对航空发动机工作原理和总体性能的理解，大幅提升学生自主创新设计的能力，契合我国对航空发动机自主创新型人才培养的迫切需求。

本实验课程设置“推进原理认识—部件特性实验—集成匹配实验—整机特性实验”4个实验环节，对于各环节提出了不同的目标。

（1）推进原理认识

以分解部件的形式展示发动机推力产生的过程，建立学生对发动机整机工作过程的全面认知和理解，并为下一步部件特性实验和整机实验奠定基础

（2）部件特性实验

通过引导学生自主操作的模式完成发动机中进气道、压气机、燃烧室、涡轮、尾喷管特性的试验，重点掌握进气道不起动、进气畸变对压气机特性的影响、矢量喷管调节等航空发动机使用过程中遇到的关键问题

（3）集成匹配实验

学生通过调节尾喷管面积、涡轮导向器安装角、中间级引气打开等几何机构，观察发动机整机特性变化情况，特别是因不合理调节导致的发动机部件特性不匹配而导致的喘振等不正常工况。

（4）整机特性实验

学生通过在虚拟试车台上的整机实验，获得标准/非标准天气下，随着发动机油门杆、飞行高度、飞行速度的改变，发动机的运行参数、各部件的性能参数、各部件的状态参数，理解发动机的整机工作特性。

本实验课程重点体现“分层次、交互式、重探索、多样性”的教学特征，服务学生“基本原理学习—综合能力训练—创新能力培养”的实践学习过程。理论教学中发动机的诸多性能参数和流动现象对于学生来说十分抽象，通过实验教学手段能加深学生对传统课堂中所学理论的理解。然而对于航空发动机专业，现场实验教学也存在诸多难点，例如无法展现发动机内部流动实况、发动机性能实验教学成本高且危险性大、发动机极端实验不允许开展且难以复现、发动机整机实验燃油消耗巨大且污染严重等等。本实验课程提供多样性的探究式实验平台，采用虚拟现实的手段构建实验场景，并采用高置信度的实时特性计算结果模拟发动机工作特性。实验过程的设计和所涉及的知识点覆盖了飞行器动力工程专业包括《航空发动机原理》、《航空叶轮机原理》、《航空发动机总体性能设计》、《航空发动机燃烧室原理》在内的核心主干课程。学生需要完成“推进原理认识—部件特性实验—集成匹配实验—整机特性实验”这4个实验环节，通过自主操作的模式，完成发动机中各部件的特性实验，观察发动机特性变化，理解发动机整机工作特性。本课程作为传统教学的延伸与拓展，旨在与现场实验和传统课堂讲授的教学方式深度融合，构建学生对于航空发动机部件和整机工作原理的全面认知，加强学生自主创新学习实践的能力。

1.完成发动机各部件包括进气道、压气机、燃烧室、涡轮及尾喷管的常规性能实验，掌握各部件基本工作原理。

2.开展发动机部件非常规性能实验，重点掌握进气道不起动、进气畸变等相关知识点。

3.调节尾喷管面积、涡轮导向器安装角、中间级引气机构等，观察发动机整机特性变化。

4.观察发动机喘振工况，重点分析并掌握喘振的诱导因素。

5.开展真实飞行条件下的航空发动机整机特性实验，了解发动机各个实时运行参数的意义，理解发动机的整机工作特性。

本实验课程采用多角度、多层次的实验评价体系，强调学生的自主探索创新能力，考察学生对原理认识的深度，以及通过实验自主操作再学习的能力。

具体的实验成绩评定构成如下：

1.推进原理认识 占比10%

2.部件特性实验 占比30%

3.集成匹配实验 占比30%

4.整机特性实验 占比30%

徐惊雷，“国家百千万人才”，“江苏省优秀双创导师”，江苏省“333”工程第二层次中青年科学技术带头人，获国家科学技术进步奖二等奖（排名一），国防科技进步奖一等奖（排名一）、其他省部级奖三项，指导学生获得“小平创新科技团队”，“互联网+”大学生创新创业大赛金奖，国际无人飞行器创新大奖赛创意大奖，日内瓦发明展金奖，指导学生获江苏省优博1名，优硕6人，研究生国家奖学金16人。

近5年来，开展本科生流体力学，本科生高超声速气体动力学、研究生高超声速气体动力学各1门，承担江苏省研究生教改项目1项，主持省级航空发动机原理虚拟仿真课程建设1项，目前正在申报江苏省研究生教学成果奖。