轨道交通空气动力学课程教学大纲-

《轨道交通空气动力学》课程教学大纲（2022版）一、课程基本信息课程名称轨道交通空气动力学AerodynamicsofRailTransit课程代码课程性质选修授课学期7学分/学时2/32课内学时32理论学时12实验学时0实训（含上机）20实习0其他0适用专业交通工程（轨道交通车辆工程）授课语言中文对先修的要求先修的主要课程：轨道交通车辆工程专业导论、轨道交通车辆工程、流体力学与热工基础；先修的知识点：具备轨道交通车辆结构基本认知，理解和掌握流体力学基础理论知识；先修的能力及素质：具备一定的沟通交流表达能力和团队协作能力。对后续的支撑后续支撑课程：毕业设计；主要为学生毕业设计及毕业后从事轨道交通基础设施和载运工具等空气动力学相关技术工作或科学研究提供基础知识，了解轨道交通空气动力学实验测量方法，并具备初步的数值计算和分析能力，同时进一步加强学生沟通交流表达能力和团队协作能力的锻炼。课程思政设计围绕“知识传授与价值引领相结合”的教学目标，在课堂教学设计中有意识地加入思政教育的环节，主要采用网络媒体及视频播放等形式，以“两弹一星”、“大国重器-高铁”、“超级工程Ⅱ-中国车”和“中国高铁-创新之路”等具体教育素材，穿插于课程不同章节的学习过程中，并同时通过教育者的言传身教达到润物细无声的教育目的。创新创业教育设计为培养具有专业技能、创新思维、综合素质高的人才，将创新创业教育融入专业课程学习中。具体围绕课程专业知识，培养学生善于思考、敏于发现、敢为人先的创新意识；帮助学生树立科学的创业观，主动适应国家经济社会发展和人的全面发展需求，正确理解创业与职业生涯发展的关系，积极投身创业实践。针对本门课程的主要6部分学习内容，认知列车空气动力学发展及研究过程中出现的创新思维、创新方法和创新实践，特别是我国空气动力学及计算流体动力学创新实践发展过程，列车空气动力学研究创新方法，高速铁路隧道洞门创新设计，抗大风、低噪声高速列车外形创新设计和空调通风系统的创新设计等等，培养学生创新思维能力；并使学生树立科学的创业观，并结合生活或生产现场实际问题，积极开展大学生创新创业竞赛等活动，提升其实践创业能力。课程简介课程定位：本课程是结合轨道交通发展需求，为我校“交通工程（轨道交通车辆工程）”专业开设的一门专业特色选修课程，重点为本专业学生解决轨道交通车辆设计及应用过程中遇到的复杂工程问题提供相关知识和能力支撑。核心学习结果：通过本课程的学习，使学生能够正确理解和认知轨道交通空气动力学中的基本概念、基本原理等相关知识和研究方法；能够恰当选择和应用现代专业工具模拟和解决轨道交通空气动力学问题；并能够进行有效沟通交流，分工协作完成既定学习任务。主要教学内容及教学方法：本课程主要教学内容包括轨道交通空气动力学的基本概念、数值计算基础理论和求解方法；轨道交通空气动力学风洞试验装置和动模型试验装置，风洞试验和动模型实验相似准则、测试内容及测量方法；重点涵盖轨道交通车辆明线运行空气动力学基本特性，列车/隧道/声屏障/人员耦合空气动力学基本特性，大风环境下列车运行安全和列车空气动力噪声及防护，客室内流场特性和列车流线型头部外形及断面优化设计等。为达成学生学习的预期成果，结合教学内容，本课程拟以“灵活多样、全员参与、注重过程、提高实效”的教学理念，采用课堂讲授、上机操作、分组练习、报告撰写、答辩演示等多种方式相结合的教学方法组织教学。

二、课程目标及对毕业要求指标点的支撑序号课程目标支撑毕业要求指标点毕业要求1目标1：了解轨道交通空气动力学基本概念、测量方法和数值计算基础理论，能够应用数值计算基础理论，针对不同类型的轨道交通空气动力学问题构建仿真模型，并进行计算分析。4.2根据方案构建有效可行的实验或仿真系统，开展测试或计算获取数据并处理。4.能够应用科学原理和方法对轨道车辆复杂工程问题进行研究，设计实验、测试整理数据，综合分析问题和数据得到合理有效的结论。2目标2：能够应用专业软件模拟和解决轨道交通车辆明线运行空气动力学、隧道耦合空气动力学和大风环境下轨道交通车辆运行安全、车辆客室内流场特性、流线型头部外形和车体断面优化设计等轨道交通空气动力学问题，了解模拟计算的原理及局限性。5.4熟练运用专业数值计算软件进行车辆力学或电路仿真分析，并理解其局限性。5.针对轨道车辆的复杂工程问题，同时为了有效的验证分析实验数据，恰当地选择和使用现代工程工具进行建模和仿真分析，并能够理解其局限性。3目标3：使学生具备较强的团队合作意识，并能承担个人或负责人的角色，协作完成团队所分配的轨道交通空气动力学问题的练习任务。9.1能主动与其他学科或专业的成员合作共事，组成团队，具有团队意识；9.2能胜任团队成员的角色，完成团队分配的工作，并倾听其他团队成员的意见；9.3能胜任团队负责人的角色，组织团队成员开展工作，汇总成果完成团队任务。9.能够在多学科背景下的团队中承担个体、团队成员以及负责人的角色。4目标4：能够根据不同类型轨道交通空气动力学问题，撰写分析报告，并能够进行清晰的陈述发言和表达，并能有效地与他人进行沟通和交流。10.1能通过口头、书面、图表、工程图纸等方式与业界同行及社会公众进行有效沟通和交流。10.能够就轨道车辆的复杂工程问题与业界同行及社会公众进行有效沟通和交流，包括撰写报告和设计文稿、陈述发言、清晰表达或回应指令。具备一定的国际视野，能够在跨文化背景下进行沟通和交流。三、教学内容及进度安排序号教学内容学生学习预期成果课内学时教学方式支撑课程目标1轨道交通空气动力学概述及数值计算基础理论：（1）“两弹一星”著名的空气动力学科学家钱学森和郭永怀；《大国重器》高铁；高速列车发展概况；（2）轨道交通空气动力学的主要研究内容及研究方法；（3）流场数值仿真基础理论和求解方法；列车空气动力学仿真标准；（4）我国空气动力学及计算流体动力学创新实践的发展过程。重点：轨道交通空气动力学主要研究内容、研究方法、性流体力学基本方程及求解方法；难点：轨道交通空气动力学数值仿真基础理论和求解方法。（1）了解中国老一辈空气动力学科学家奋斗史及科研经历；了解高速列车的发展概况、研发和制造过程，直观感受大国重器，增强家国情怀、民族自豪感和职业规范；（2）对轨道交通空气动力学基本概念、研究内容和研究方法基本认知；（3）理解轨道交通空气动力学数值计算基础理论和求解方法；（4）认知创新基本内涵。2课堂讲授：主要以PPT结合板书的形式进行讲授；课后作业：根据发布的资料及要求，完成作业。目标12轨道交通车辆气动性能试验测量方法：（1）《超级工程Ⅱ》中国车-丁叁叁团队关于高速列车气动外形优化研究的数值仿真及风洞试验等研究情况；轨道交通风洞和动模型试验装置及实验相似准则；（2）轨道交通车辆风洞和动模型试验与安装；（3）全尺寸试验；（4）试验内容及测试方法；（5）列车空气动力学研究创新方法。重点：轨道交通空气动力学试验装置及测试方法；难点：轨道交通空气动力学模型试验的相似准则。（1）理解轨道交通行业的职业素养和工匠精神；（2）对轨道交通车辆气动性能试验测量方法基本认知；（3）理解轨道交通空气动力学的风洞试验、动模型试验和全尺寸试验的设计原则；（4）对试验设备、模型安装、测试内容及分析过程基本认知；（5）培养学生创新思维和实践能力。2答辩演示：根据所做工作制作PPT，进行答辩汇报；课堂讲授：主要以PPT结合板书的形式进行讲授；课后作业：根据发布的资料及要求，完成作业。目标13轨道交通车辆明线运行空气动力学基本特性：（1）单车运行空气动力特性；（2）两车交会瞬态空气动力特性；（3）应用CFD软件进行数值仿真分析；（4）我国各个科研院所及主机厂企业对于高速列车设计研发之初投入大量的人力、物力，大团队的协同合作起到关键作用；（5）列车气动外形的创新设计与实践。重点：轨道交通车辆明线运行气动特性及应用CFD软件对其数值仿真建模、网格生成、边界定义、湍流模型选择等；难点：列车稳态运行时的尾部流场特性、列车交会瞬态空气压力波基本特性。（1）理解轨道交通车辆明线运行状态下车辆气动特性、尾流特性、列车风、交会压力波基本特性和缓解措施；（2）能够应用CFD软件开展轨道交通车辆明线运行空气动力学基本特性的数值计算分析；（3）增强学生的科学家精神和团队协作精神；（4）培养学生创新思维和实践能力。7答辩演示：根据所做工作制作PPT，进行答辩汇报；课堂讲授：主要以PPT结合板书的形式进行讲授；课后作业：根据发布的资料及要求，完成作业。上机操作：学习和应用CFD相关软件进行轨道交通车辆明线运行空气动力学基本特性的数值仿真；分组练习。目标1目标2目标3目标44轨道交通车辆/隧道耦合空气动力学基本特性：（1）《中国高铁》创新之路-田红旗院士团队关于列车隧道空气动力学研究情况；（2）轨道交通车辆过隧道空气瞬变压力特性及影响因素；（3）隧道口微气压波问题；（4）缓解隧道瞬变压力及微气压波辅助措施；（5）应用CFD软件进行数值仿真分析；（6）高速铁路隧道洞门创新设计。重点：隧道内瞬变压力、微气压波和缓解隧道辅助措施及应用CFD软件对轨道交通车辆/隧道耦合空气动力学特性数值仿真建模、网格生成、边界定义、湍流模型选择；难点：网格生成、隧道内瞬变压力传播规律及微气压波产生机理。（1）对轨道交通隧道空气动力学研究的基本认知，同时学习行业科学家的刻苦钻研及不断探索精神，并增强安全责任意识和行业认同感。（2）理解轨道交通车辆穿越隧道时，所诱发的瞬变压力、隧道出口微气压波、车辆空气阻力等气动特性的演化规律和缓解措施；（3）能够应用CFD软件开展轨道交通车辆/隧道耦合空气动力学特性的数值计算分析；（4）培养学生创新思维和实践能力。7答辩演示：根据所做工作制作PPT，进行答辩汇报；课堂讲授：主要以PPT结合板书的形式进行讲解；课后作业：根据发布的资料及要求，完成作业。上机操作：应用CFD软件进行轨道交通车辆/隧道耦合空气动力学基本特性数值仿真；分组练习。目标1目标2目标3目标45轨道交通车辆空气动力噪声和大风环境下轨道交通车辆运行安全：（1）轨道交通车辆噪声类型介绍和气动噪声数值计算；（2）噪声测试设备及方法；（3）大风环境下列车气动性能研究；（4）应用CFD软件进行数值仿真分析；（5）田红旗院士团队，不畏艰苦，敢拼敢打硬仗，只为国家需要；中欧班列和“一带一路”倡议。（6）抗大风、低噪声的高速列车外形创新设计。重点：车辆气动噪声演化规律和大风条件下列车气动性能特性分析、车辆气动噪声抑制技术及大风条件下列车运行安全防护措施；难点：车辆噪声源定位与频谱分析和大风条件下列车气动性能恶化机理。（1）对轨道交通车辆气动噪声测量设备及其数值计算方法基本认知；（2）理解大风环境下轨道交通车辆气动特性变化规律；（3）了解大风环境下车辆安全性分析方法及防护技术；（4）能够应用CFD软件开展轨道交通车辆空气动力噪声和大风环境下轨道交通车辆气动性能的数值计算分析；（5）增强安全责任意识和职业素养及民族自豪感；（6）培养学生创新思维和实践能力。7答辩演示：根据所做工作制作PPT，进行答辩汇报；课堂讲授：主要以PPT结合板书的形式进行讲解；课后作业：根据发布的资料及要求，完成作业。上机操作：应用CFD软件轨道交通车辆空气动力噪声和大风环境下轨道交通车辆运行安全数值仿真；分组练习。目标1目标2目标3目标46轨道交通车辆客室内流场特性、流线型头部外形和车体断面优化设计：（1）客室内速度、温度分布及风道结构优化；（2）轨道交通车辆气动外形基本原则；（3）流线型头部外形和车体断面设计；（4）应用CFD软件进行数值仿真分析；（5）针对某型号动车组，开展了数以万次的空调系统的跟踪整改试验；（6）空调风道系统的创新设计。重点：轨道交通车辆客室内流场特性、不同流线型头部外形及车体断面气动性能数值仿真分析；难点：车辆空调风道优化、最优列车气动性能流线型头部外形及车体断面设计。（1）理解客室内流场品质评价及风道优化设计方法；（2）对轨道交通车辆气动外形设计要求基本认知；（3）能够应用CFD软件开展轨道交通车辆客室内流场、不同流线型头部外形和车体断面气动特性的数值计算分析；（4）增强职业素养和工匠精神；（5）培养学生创新思维和实践能力。7答辩演示：根据所做工作制作PPT，进行答辩汇报；课堂讲授：主要以PPT结合板书的形式进行讲解；上机操作：应用CFD软件进行轨道交通车辆客室内流场特性、不同流线型头部及断面外形下车辆气动性能的数值仿真；分组练习。目标1目标2目标3目标4四、课程考核序号课程目标（支撑毕业要求指标点）考核内容评价依据及成绩比例(%)成绩比例(%)作业上机平时1目标1：了解轨道交通空气动力学基本概念、测量方法和数值计算基础理论，能够应用数值计算基础理论，针对不同类型的轨道交通空气动力学问题构建仿真模型，并进行计算分析。（支撑毕业要求指标点4.2）考核学生对于不同类型轨道交通空气动力学问题的理解和掌握情况及基于数值计算基础理论构建仿真模型并进行计算分析的能力，主要包括对概念理解是否准确、论述逻辑是否清楚，构建模型是否准确、计算结果分析是否正确等方面。20150352目标2：能够应用专业软件模拟和解决轨道交通车辆明线运行空气动力学、隧道耦合空气动力学、空气动力噪声和大风环境下轨道交通车辆运行安全、车辆客室内流场特性、流线型头部外形和车体断面优化设计等轨道交通空气动力学问题，了解模拟计算的原理及局限性。（支撑毕业要求指标点5.4）主要考核学生对软件使用的熟练程度，包括模型网格质量好坏，计算效率高低，获得的结果图片是否清晰、美观，软件使用的技巧性等方面。10200303目标3：使学生具备较强的团队合作意识，并能承担个人或负责人的角色，协作完成团队所分配的轨道交通空气动力学问题的练习任务。（支撑毕业要求指标点9.1、9.2、9.3）根据不同类型的轨道交通空气动力学问题进行分组练习，自愿组队（或指定分组），分工合作完成既定任务。主要考核学生分工是否明确、角色是否清晰、过程是否顺利、时间是否最短等方面。0150154目标4：能够根据不同类型轨道交通空气动力学问题，撰写分析报告，并能够进行清晰的陈述发言和表达，并能有效地与他人进行沟通和交流。（支撑毕业要求指标点10.1）各组根据选定（或指定）的学习任务，撰写分析报告及汇报资料，并进行答辩。主要考核文稿撰写逻辑层次是否清晰、语言描述是否规范、结果分析是否准确、汇报材料是否精美、表达是否通畅、回答问题是否正确等方面。1001020合计405010100注：各类考核评价的具体评分标准见《附录：各类考核评分标准表》五、教材及参考资料教材：《高速列车气动影响》，李人宪，中国铁道出版社，2016，1，9787113212414参考资料：1.《列车空气动力学》，田红旗，中国铁道出版社，2007，1，9787113076054；2.《高速铁路隧道气动效应》，赵有明，中国铁道出版社，2012，1，9787113153021；；3.《计算流体力学基础及其应用》，安德森，机械工业出版社，2007，1，9787111193937；4.《计算流体动力学分析：CFD软件原理与应用》，王福军，清华大学出版社，2004，1，9787302095033；5.《FLUENT流体工程仿真计算实例与应用》，韩占忠，北京理工大学出版社，2008，1，9787564002602；6.《ANSYSFLUENT16.0超级学习手册》，唐家鹏，人民邮电出版社，2016，1，9787115422040。六、教学条件附录：各类考核评分标准表作业评分标准教学目标要求评分标准权重（%）90-10080-8960-790-59目标1：了解轨道交通空气动力学基本概念、测量方法和数值计算基础理论，能够应用数值计算基础理论，针对不同类型的轨道交通空气动力学问题构建仿真模型，并进行计算分析。（支撑毕业要求指标点4.2）按时提交作业；能够准确、清晰、完整表述不同类型空气动力学问题；能够针对不同类型的轨道交通空气动力学问题准确构建仿真模型，并应用相关理论知识进行分析，论述逻辑清楚，层次分明，语言规范。按时提交作业；清晰表述不同类型轨道空气动力学问题，但不完整；能够针对不同类型的轨道交通空气动力学问题构建仿真模型，并应用相关理论知识进行分析，论述清楚，语言较规范。按时提交作业；对不同类型轨道交通空气动力学问题表述简单且存在明显错误；能够针对不同类型的轨道交通空气动力学问题构建仿真模型，但有少量错误，并应用相关理论知识进行分析，论述基本清楚，语言较规范。不按时提交作业；对不同轨道交通空气动力学问题表述不清、严重混淆；有抄袭现象；针对不同类型的轨道交通空气动力学问题不能构建相应的仿真模型。20目标2：能够应用专业软件模拟和解决轨道交通车辆明线运行空气动力学、隧道耦合空气动力学、空气动力噪声和大风环境下轨道交通车辆运行安全、车辆客室内流场特性、流线型头部外形和车体断面优化设计等轨道交通空气动力学问题，了解模拟计算的原理及局限性。（支撑毕业要求指标点5.4）使用软件全面；软件操作技巧熟练；网格质量划分高；计算效率高；图片质量美观、清晰。使用软件全面；软件操作较熟练，但没有错误；网格划分质量较高，但可以用于计算；计算效率较高；图片质量清晰，但美观性较差。使用软件少；软件操作一般，且有少量错误；网格划分质量一般，但可以用于计算；计算效率慢；图片质量较清晰，美观性差。对软件操作不熟，且错误多；不能正确划分网格；计算模型不能进行计算；图片质量差。10目标4：能够根据不同类型轨道交通空气动力学问题，撰写分析报告，并能够进行清晰的陈述发言和表达，并能有效地与他人进行沟通和交流。（支撑毕业要求指标点10.1）能够根据要求，撰写相关问题分析报告或汇报资料，材料清晰、详细，专业化语言程度高；汇报材料制作精美；逻辑清晰、表达流畅，回答问题准确。能够根据要求，撰写相关问题分析报告或汇报资料，材料清晰、详细，但存在一定口语化；汇报材料制作良好；表达清晰，回答问题较准确。能够根据要求，撰写相关问题分析报告或汇报资料，材料简单、逻辑性不强；汇报材料简单，较清晰表达所做研究内容，回答问题一般。不能根据要求撰写相关分析报告，或制定方案不合理；汇报材料简单；表述不清晰；回答问题无逻辑或不正确。10备注：课程主要包括1次期末大报告和3-5次平时课程作业任务。上机评分标准教学目标要求评分标准权重（%）90-10080-8960-790-59目标1：了解轨道交通空气动力学基本概念、测量方法和数值计算基础理论，能够应用数值计算基础理论，针对不同类型的轨道交通空气动力学问题构建仿真模型，并进行计算分析。（支撑毕业要求指标点4.2）能根据要求应用CFD仿真软件准确建立计算模型、划分网格及定义边界、正确选择数值求解方法；能正确应用相关基础理论知识，对计算过程和计算结果准确分析并做出判断。能根据要求应用CFD仿真软件能够建立计算模型、划分网格及定义边界；能应用相关基础理论知识，对计算过程和计算结果进行分析和判断，但存在少量错误。能根据要求应用CFD仿真软件能够建立计算模型，但定义边界存在少量错误；能应用相关基础理论知识，对计算过程和计算结果对于计算结果进行基本分析，但存在明显错误。不能按照要求应用操作软件在规定时间内完成建模、计算及结果分析任务，错误严重。15目标2：能够应用专业软件模拟和解决轨道交通车辆明线运行空气动力学、隧道耦合空气动力学、空气动力噪声和大风环境下轨道交通车辆运行安全、车辆客室内流场特性、流线型头部外形和车体断面优化设计等轨道交通空气动力学问题，了解模拟计算的原理及局限性。（支撑毕