軌道交通空氣動力學課程教學大綱-

《軌道交通空氣動力學》課程教學大綱（2022版）一、課程基本信息課程名稱軌道交通空氣動力學AerodynamicsofRailTransit課程代碼課程性質選修授課學期7學分/學時2/32課內學時32理論學時12實驗學時0實訓（含上機）20實習0其他0適用專業(yè)交通工程（軌道交通車輛工程）授課語言中文對先修的要求先修的主要課程：軌道交通車輛工程專業(yè)導論、軌道交通車輛工程、流體力學與熱工基礎；先修的知識點：具備軌道交通車輛結構基本認知，理解和掌握流體力學基礎理論知識；先修的能力及素質：具備一定的溝通交流表達能力和團隊協作能力。對后續(xù)的支撐后續(xù)支撐課程：畢業(yè)設計；主要為學生畢業(yè)設計及畢業(yè)后從事軌道交通基礎設施和載運工具等空氣動力學相關技術工作或科學研究提供基礎知識，了解軌道交通空氣動力學實驗測量方法，并具備初步的數值計算和分析能力，同時進一步加強學生溝通交流表達能力和團隊協作能力的鍛煉。課程思政設計圍繞“知識傳授與價值引領相結合”的教學目標，在課堂教學設計中有意識地加入思政教育的環(huán)節(jié)，主要采用網絡媒體及視頻播放等形式，以“兩彈一星”、“大國重器-高鐵”、“超級工程Ⅱ-中國車”和“中國高鐵-創(chuàng)新之路”等具體教育素材，穿插于課程不同章節(jié)的學習過程中，并同時通過教育者的言傳身教達到潤物細無聲的教育目的。創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育設計為培養(yǎng)具有專業(yè)技能、創(chuàng)新思維、綜合素質高的人才，將創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育融入專業(yè)課程學習中。具體圍繞課程專業(yè)知識，培養(yǎng)學生善于思考、敏于發(fā)現、敢為人先的創(chuàng)新意識；幫助學生樹立科學的創(chuàng)業(yè)觀，主動適應國家經濟社會發(fā)展和人的全面發(fā)展需求，正確理解創(chuàng)業(yè)與職業(yè)生涯發(fā)展的關系，積極投身創(chuàng)業(yè)實踐。針對本門課程的主要6部分學習內容，認知列車空氣動力學發(fā)展及研究過程中出現的創(chuàng)新思維、創(chuàng)新方法和創(chuàng)新實踐，特別是我國空氣動力學及計算流體動力學創(chuàng)新實踐發(fā)展過程，列車空氣動力學研究創(chuàng)新方法，高速鐵路隧道洞門創(chuàng)新設計，抗大風、低噪聲高速列車外形創(chuàng)新設計和空調通風系統(tǒng)的創(chuàng)新設計等等，培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維能力；并使學生樹立科學的創(chuàng)業(yè)觀，并結合生活或生產現場實際問題，積極開展大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽等活動，提升其實踐創(chuàng)業(yè)能力。課程簡介課程定位：本課程是結合軌道交通發(fā)展需求，為我?！敖煌üこ蹋ㄜ壍澜煌ㄜ囕v工程）”專業(yè)開設的一門專業(yè)特色選修課程，重點為本專業(yè)學生解決軌道交通車輛設計及應用過程中遇到的復雜工程問題提供相關知識和能力支撐。核心學習結果：通過本課程的學習，使學生能夠正確理解和認知軌道交通空氣動力學中的基本概念、基本原理等相關知識和研究方法；能夠恰當選擇和應用現代專業(yè)工具模擬和解決軌道交通空氣動力學問題；并能夠進行有效溝通交流，分工協作完成既定學習任務。主要教學內容及教學方法：本課程主要教學內容包括軌道交通空氣動力學的基本概念、數值計算基礎理論和求解方法；軌道交通空氣動力學風洞試驗裝置和動模型試驗裝置，風洞試驗和動模型實驗相似準則、測試內容及測量方法；重點涵蓋軌道交通車輛明線運行空氣動力學基本特性，列車/隧道/聲屏障/人員耦合空氣動力學基本特性，大風環(huán)境下列車運行安全和列車空氣動力噪聲及防護，客室內流場特性和列車流線型頭部外形及斷面優(yōu)化設計等。為達成學生學習的預期成果，結合教學內容，本課程擬以“靈活多樣、全員參與、注重過程、提高實效”的教學理念，采用課堂講授、上機操作、分組練習、報告撰寫、答辯演示等多種方式相結合的教學方法組織教學。

二、課程目標及對畢業(yè)要求指標點的支撐序號課程目標支撐畢業(yè)要求指標點畢業(yè)要求1目標1：了解軌道交通空氣動力學基本概念、測量方法和數值計算基礎理論，能夠應用數值計算基礎理論，針對不同類型的軌道交通空氣動力學問題構建仿真模型，并進行計算分析。4.2根據方案構建有效可行的實驗或仿真系統(tǒng)，開展測試或計算獲取數據并處理。4.能夠應用科學原理和方法對軌道車輛復雜工程問題進行研究，設計實驗、測試整理數據，綜合分析問題和數據得到合理有效的結論。2目標2：能夠應用專業(yè)軟件模擬和解決軌道交通車輛明線運行空氣動力學、隧道耦合空氣動力學和大風環(huán)境下軌道交通車輛運行安全、車輛客室內流場特性、流線型頭部外形和車體斷面優(yōu)化設計等軌道交通空氣動力學問題，了解模擬計算的原理及局限性。5.4熟練運用專業(yè)數值計算軟件進行車輛力學或電路仿真分析，并理解其局限性。5.針對軌道車輛的復雜工程問題，同時為了有效的驗證分析實驗數據，恰當地選擇和使用現代工程工具進行建模和仿真分析，并能夠理解其局限性。3目標3：使學生具備較強的團隊合作意識，并能承擔個人或負責人的角色，協作完成團隊所分配的軌道交通空氣動力學問題的練習任務。9.1能主動與其他學科或專業(yè)的成員合作共事，組成團隊，具有團隊意識；9.2能勝任團隊成員的角色，完成團隊分配的工作，并傾聽其他團隊成員的意見；9.3能勝任團隊負責人的角色，組織團隊成員開展工作，匯總成果完成團隊任務。9.能夠在多學科背景下的團隊中承擔個體、團隊成員以及負責人的角色。4目標4：能夠根據不同類型軌道交通空氣動力學問題，撰寫分析報告，并能夠進行清晰的陳述發(fā)言和表達，并能有效地與他人進行溝通和交流。10.1能通過口頭、書面、圖表、工程圖紙等方式與業(yè)界同行及社會公眾進行有效溝通和交流。10.能夠就軌道車輛的復雜工程問題與業(yè)界同行及社會公眾進行有效溝通和交流，包括撰寫報告和設計文稿、陳述發(fā)言、清晰表達或回應指令。具備一定的國際視野，能夠在跨文化背景下進行溝通和交流。三、教學內容及進度安排序號教學內容學生學習預期成果課內學時教學方式支撐課程目標1軌道交通空氣動力學概述及數值計算基礎理論：（1）“兩彈一星”著名的空氣動力學科學家錢學森和郭永懷；《大國重器》高鐵；高速列車發(fā)展概況；（2）軌道交通空氣動力學的主要研究內容及研究方法；（3）流場數值仿真基礎理論和求解方法；列車空氣動力學仿真標準；（4）我國空氣動力學及計算流體動力學創(chuàng)新實踐的發(fā)展過程。重點：軌道交通空氣動力學主要研究內容、研究方法、性流體力學基本方程及求解方法；難點：軌道交通空氣動力學數值仿真基礎理論和求解方法。（1）了解中國老一輩空氣動力學科學家奮斗史及科研經歷；了解高速列車的發(fā)展概況、研發(fā)和制造過程，直觀感受大國重器，增強家國情懷、民族自豪感和職業(yè)規(guī)范；（2）對軌道交通空氣動力學基本概念、研究內容和研究方法基本認知；（3）理解軌道交通空氣動力學數值計算基礎理論和求解方法；（4）認知創(chuàng)新基本內涵。2課堂講授：主要以PPT結合板書的形式進行講授；課后作業(yè)：根據發(fā)布的資料及要求，完成作業(yè)。目標12軌道交通車輛氣動性能試驗測量方法：（1）《超級工程Ⅱ》中國車-丁叁叁團隊關于高速列車氣動外形優(yōu)化研究的數值仿真及風洞試驗等研究情況；軌道交通風洞和動模型試驗裝置及實驗相似準則；（2）軌道交通車輛風洞和動模型試驗與安裝；（3）全尺寸試驗；（4）試驗內容及測試方法；（5）列車空氣動力學研究創(chuàng)新方法。重點：軌道交通空氣動力學試驗裝置及測試方法；難點：軌道交通空氣動力學模型試驗的相似準則。（1）理解軌道交通行業(yè)的職業(yè)素養(yǎng)和工匠精神；（2）對軌道交通車輛氣動性能試驗測量方法基本認知；（3）理解軌道交通空氣動力學的風洞試驗、動模型試驗和全尺寸試驗的設計原則；（4）對試驗設備、模型安裝、測試內容及分析過程基本認知；（5）培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維和實踐能力。2答辯演示：根據所做工作制作PPT，進行答辯匯報；課堂講授：主要以PPT結合板書的形式進行講授；課后作業(yè)：根據發(fā)布的資料及要求，完成作業(yè)。目標13軌道交通車輛明線運行空氣動力學基本特性：（1）單車運行空氣動力特性；（2）兩車交會瞬態(tài)空氣動力特性；（3）應用CFD軟件進行數值仿真分析；（4）我國各個科研院所及主機廠企業(yè)對于高速列車設計研發(fā)之初投入大量的人力、物力，大團隊的協同合作起到關鍵作用；（5）列車氣動外形的創(chuàng)新設計與實踐。重點：軌道交通車輛明線運行氣動特性及應用CFD軟件對其數值仿真建模、網格生成、邊界定義、湍流模型選擇等；難點：列車穩(wěn)態(tài)運行時的尾部流場特性、列車交會瞬態(tài)空氣壓力波基本特性。（1）理解軌道交通車輛明線運行狀態(tài)下車輛氣動特性、尾流特性、列車風、交會壓力波基本特性和緩解措施；（2）能夠應用CFD軟件開展軌道交通車輛明線運行空氣動力學基本特性的數值計算分析；（3）增強學生的科學家精神和團隊協作精神；（4）培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維和實踐能力。7答辯演示：根據所做工作制作PPT，進行答辯匯報；課堂講授：主要以PPT結合板書的形式進行講授；課后作業(yè)：根據發(fā)布的資料及要求，完成作業(yè)。上機操作：學習和應用CFD相關軟件進行軌道交通車輛明線運行空氣動力學基本特性的數值仿真；分組練習。目標1目標2目標3目標44軌道交通車輛/隧道耦合空氣動力學基本特性：（1）《中國高鐵》創(chuàng)新之路-田紅旗院士團隊關于列車隧道空氣動力學研究情況；（2）軌道交通車輛過隧道空氣瞬變壓力特性及影響因素；（3）隧道口微氣壓波問題；（4）緩解隧道瞬變壓力及微氣壓波輔助措施；（5）應用CFD軟件進行數值仿真分析；（6）高速鐵路隧道洞門創(chuàng)新設計。重點：隧道內瞬變壓力、微氣壓波和緩解隧道輔助措施及應用CFD軟件對軌道交通車輛/隧道耦合空氣動力學特性數值仿真建模、網格生成、邊界定義、湍流模型選擇；難點：網格生成、隧道內瞬變壓力傳播規(guī)律及微氣壓波產生機理。（1）對軌道交通隧道空氣動力學研究的基本認知，同時學習行業(yè)科學家的刻苦鉆研及不斷探索精神，并增強安全責任意識和行業(yè)認同感。（2）理解軌道交通車輛穿越隧道時，所誘發(fā)的瞬變壓力、隧道出口微氣壓波、車輛空氣阻力等氣動特性的演化規(guī)律和緩解措施；（3）能夠應用CFD軟件開展軌道交通車輛/隧道耦合空氣動力學特性的數值計算分析；（4）培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維和實踐能力。7答辯演示：根據所做工作制作PPT，進行答辯匯報；課堂講授：主要以PPT結合板書的形式進行講解；課后作業(yè)：根據發(fā)布的資料及要求，完成作業(yè)。上機操作：應用CFD軟件進行軌道交通車輛/隧道耦合空氣動力學基本特性數值仿真；分組練習。目標1目標2目標3目標45軌道交通車輛空氣動力噪聲和大風環(huán)境下軌道交通車輛運行安全：（1）軌道交通車輛噪聲類型介紹和氣動噪聲數值計算；（2）噪聲測試設備及方法；（3）大風環(huán)境下列車氣動性能研究；（4）應用CFD軟件進行數值仿真分析；（5）田紅旗院士團隊，不畏艱苦，敢拼敢打硬仗，只為國家需要；中歐班列和“一帶一路”倡議。（6）抗大風、低噪聲的高速列車外形創(chuàng)新設計。重點：車輛氣動噪聲演化規(guī)律和大風條件下列車氣動性能特性分析、車輛氣動噪聲抑制技術及大風條件下列車運行安全防護措施；難點：車輛噪聲源定位與頻譜分析和大風條件下列車氣動性能惡化機理。（1）對軌道交通車輛氣動噪聲測量設備及其數值計算方法基本認知；（2）理解大風環(huán)境下軌道交通車輛氣動特性變化規(guī)律；（3）了解大風環(huán)境下車輛安全性分析方法及防護技術；（4）能夠應用CFD軟件開展軌道交通車輛空氣動力噪聲和大風環(huán)境下軌道交通車輛氣動性能的數值計算分析；（5）增強安全責任意識和職業(yè)素養(yǎng)及民族自豪感；（6）培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維和實踐能力。7答辯演示：根據所做工作制作PPT，進行答辯匯報；課堂講授：主要以PPT結合板書的形式進行講解；課后作業(yè)：根據發(fā)布的資料及要求，完成作業(yè)。上機操作：應用CFD軟件軌道交通車輛空氣動力噪聲和大風環(huán)境下軌道交通車輛運行安全數值仿真；分組練習。目標1目標2目標3目標46軌道交通車輛客室內流場特性、流線型頭部外形和車體斷面優(yōu)化設計：（1）客室內速度、溫度分布及風道結構優(yōu)化；（2）軌道交通車輛氣動外形基本原則；（3）流線型頭部外形和車體斷面設計；（4）應用CFD軟件進行數值仿真分析；（5）針對某型號動車組，開展了數以萬次的空調系統(tǒng)的跟蹤整改試驗；（6）空調風道系統(tǒng)的創(chuàng)新設計。重點：軌道交通車輛客室內流場特性、不同流線型頭部外形及車體斷面氣動性能數值仿真分析；難點：車輛空調風道優(yōu)化、最優(yōu)列車氣動性能流線型頭部外形及車體斷面設計。（1）理解客室內流場品質評價及風道優(yōu)化設計方法；（2）對軌道交通車輛氣動外形設計要求基本認知；（3）能夠應用CFD軟件開展軌道交通車輛客室內流場、不同流線型頭部外形和車體斷面氣動特性的數值計算分析；（4）增強職業(yè)素養(yǎng)和工匠精神；（5）培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維和實踐能力。7答辯演示：根據所做工作制作PPT，進行答辯匯報；課堂講授：主要以PPT結合板書的形式進行講解；上機操作：應用CFD軟件進行軌道交通車輛客室內流場特性、不同流線型頭部及斷面外形下車輛氣動性能的數值仿真；分組練習。目標1目標2目標3目標4四、課程考核序號課程目標（支撐畢業(yè)要求指標點）考核內容評價依據及成績比例(%)成績比例(%)作業(yè)上機平時1目標1：了解軌道交通空氣動力學基本概念、測量方法和數值計算基礎理論，能夠應用數值計算基礎理論，針對不同類型的軌道交通空氣動力學問題構建仿真模型，并進行計算分析。（支撐畢業(yè)要求指標點4.2）考核學生對于不同類型軌道交通空氣動力學問題的理解和掌握情況及基于數值計算基礎理論構建仿真模型并進行計算分析的能力，主要包括對概念理解是否準確、論述邏輯是否清楚，構建模型是否準確、計算結果分析是否正確等方面。20150352目標2：能夠應用專業(yè)軟件模擬和解決軌道交通車輛明線運行空氣動力學、隧道耦合空氣動力學、空氣動力噪聲和大風環(huán)境下軌道交通車輛運行安全、車輛客室內流場特性、流線型頭部外形和車體斷面優(yōu)化設計等軌道交通空氣動力學問題，了解模擬計算的原理及局限性。（支撐畢業(yè)要求指標點5.4）主要考核學生對軟件使用的熟練程度，包括模型網格質量好壞，計算效率高低，獲得的結果圖片是否清晰、美觀，軟件使用的技巧性等方面。10200303目標3：使學生具備較強的團隊合作意識，并能承擔個人或負責人的角色，協作完成團隊所分配的軌道交通空氣動力學問題的練習任務。（支撐畢業(yè)要求指標點9.1、9.2、9.3）根據不同類型的軌道交通空氣動力學問題進行分組練習，自愿組隊（或指定分組），分工合作完成既定任務。主要考核學生分工是否明確、角色是否清晰、過程是否順利、時間是否最短等方面。0150154目標4：能夠根據不同類型軌道交通空氣動力學問題，撰寫分析報告，并能夠進行清晰的陳述發(fā)言和表達，并能有效地與他人進行溝通和交流。（支撐畢業(yè)要求指標點10.1）各組根據選定（或指定）的學習任務，撰寫分析報告及匯報資料，并進行答辯。主要考核文稿撰寫邏輯層次是否清晰、語言描述是否規(guī)范、結果分析是否準確、匯報材料是否精美、表達是否通暢、回答問題是否正確等方面。1001020合計405010100注：各類考核評價的具體評分標準見《附錄：各類考核評分標準表》五、教材及參考資料教材：《高速列車氣動影響》，李人憲，中國鐵道出版社，2016，1，9787113212414參考資料：1.《列車空氣動力學》，田紅旗，中國鐵道出版社，2007，1，9787113076054；2.《高速鐵路隧道氣動效應》，趙有明，中國鐵道出版社，2012，1，9787113153021；；3.《計算流體力學基礎及其應用》，安德森，機械工業(yè)出版社，2007，1，9787111193937；4.《計算流體動力學分析：CFD軟件原理與應用》，王福軍，清華大學出版社，2004，1，9787302095033；5.《FLUENT流體工程仿真計算實例與應用》，韓占忠，北京理工大學出版社，2008，1，9787564002602；6.《ANSYSFLUENT16.0超級學習手冊》，唐家鵬，人民郵電出版社，2016，1，9787115422040。六、教學條件附錄：各類考核評分標準表作業(yè)評分標準教學目標要求評分標準權重（%）90-10080-8960-790-59目標1：了解軌道交通空氣動力學基本概念、測量方法和數值計算基礎理論，能夠應用數值計算基礎理論，針對不同類型的軌道交通空氣動力學問題構建仿真模型，并進行計算分析。（支撐畢業(yè)要求指標點4.2）按時提交作業(yè)；能夠準確、清晰、完整表述不同類型空氣動力學問題；能夠針對不同類型的軌道交通空氣動力學問題準確構建仿真模型，并應用相關理論知識進行分析，論述邏輯清楚，層次分明，語言規(guī)范。按時提交作業(yè)；清晰表述不同類型軌道空氣動力學問題，但不完整；能夠針對不同類型的軌道交通空氣動力學問題構建仿真模型，并應用相關理論知識進行分析，論述清楚，語言較規(guī)范。按時提交作業(yè)；對不同類型軌道交通空氣動力學問題表述簡單且存在明顯錯誤；能夠針對不同類型的軌道交通空氣動力學問題構建仿真模型，但有少量錯誤，并應用相關理論知識進行分析，論述基本清楚，語言較規(guī)范。不按時提交作業(yè)；對不同軌道交通空氣動力學問題表述不清、嚴重混淆；有抄襲現象；針對不同類型的軌道交通空氣動力學問題不能構建相應的仿真模型。20目標2：能夠應用專業(yè)軟件模擬和解決軌道交通車輛明線運行空氣動力學、隧道耦合空氣動力學、空氣動力噪聲和大風環(huán)境下軌道交通車輛運行安全、車輛客室內流場特性、流線型頭部外形和車體斷面優(yōu)化設計等軌道交通空氣動力學問題，了解模擬計算的原理及局限性。（支撐畢業(yè)要求指標點5.4）使用軟件全面；軟件操作技巧熟練；網格質量劃分高；計算效率高；圖片質量美觀、清晰。使用軟件全面；軟件操作較熟練，但沒有錯誤；網格劃分質量較高，但可以用于計算；計算效率較高；圖片質量清晰，但美觀性較差。使用軟件少；軟件操作一般，且有少量錯誤；網格劃分質量一般，但可以用于計算；計算效率慢；圖片質量較清晰，美觀性差。對軟件操作不熟，且錯誤多；不能正確劃分網格；計算模型不能進行計算；圖片質量差。10目標4：能夠根據不同類型軌道交通空氣動力學問題，撰寫分析報告，并能夠進行清晰的陳述發(fā)言和表達，并能有效地與他人進行溝通和交流。（支撐畢業(yè)要求指標點10.1）能夠根據要求，撰寫相關問題分析報告或匯報資料，材料清晰、詳細，專業(yè)化語言程度高；匯報材料制作精美；邏輯清晰、表達流暢，回答問題準確。能夠根據要求，撰寫相關問題分析報告或匯報資料，材料清晰、詳細，但存在一定口語化；匯報材料制作良好；表達清晰，回答問題較準確。能夠根據要求，撰寫相關問題分析報告或匯報資料，材料簡單、邏輯性不強；匯報材料簡單，較清晰表達所做研究內容，回答問題一般。不能根據要求撰寫相關分析報告，或制定方案不合理；匯報材料簡單；表述不清晰；回答問題無邏輯或不正確。10備注：課程主要包括1次期末大報告和3-5次平時課程作業(yè)任務。上機評分標準教學目標要求評分標準權重（%）90-10080-8960-790-59目標1：了解軌道交通空氣動力學基本概念、測量方法和數值計算基礎理論，能夠應用數值計算基礎理論，針對不同類型的軌道交通空氣動力學問題構建仿真模型，并進行計算分析。（支撐畢業(yè)要求指標點4.2）能根據要求應用CFD仿真軟件準確建立計算模型、劃分網格及定義邊界、正確選擇數值求解方法；能正確應用相關基礎理論知識，對計算過程和計算結果準確分析并做出判斷。能根據要求應用CFD仿真軟件能夠建立計算模型、劃分網格及定義邊界；能應用相關基礎理論知識，對計算過程和計算結果進行分析和判斷，但存在少量錯誤。能根據要求應用CFD仿真軟件能夠建立計算模型，但定義邊界存在少量錯誤；能應用相關基礎理論知識，對計算過程和計算結果對于計算結果進行基本分析，但存在明顯錯誤。不能按照要求應用操作軟件在規(guī)定時間內完成建模、計算及結果分析任務，錯誤嚴重。15目標2：能夠應用專業(yè)軟件模擬和解決軌道交通車輛明線運行空氣動力學、隧道耦合空氣動力學、空氣動力噪聲和大風環(huán)境下軌道交通車輛運行安全、車輛客室內流場特性、流線型頭部外形和車體斷面優(yōu)化設計等軌道交通空氣動力學問題，了解模擬計算的原理及局限性。（支撐畢