伍永福 李姝婷

摘 要：本文以內(nèi)蒙古科技大學燃燒實驗室的多功能實驗臺為研究對象，在燃燒學實驗教學中借助數(shù)值模擬技術，通過建立統(tǒng)一的算例模型，利用高性能計算服務工作站，讓學生自由自在地開展燃燒學實驗，結(jié)合有限次數(shù)的實驗操作就得到預混火焰，擴散火焰以及半預混火焰等多種實驗的火焰變化規(guī)律，克服了燃燒實驗過程中多參數(shù)調(diào)試過程帶來的危險隱患，同時加深了同學們對燃燒實驗現(xiàn)象的直觀認識。在實驗課程中，結(jié)合數(shù)值模擬實驗明顯提高了學生的實踐動手次數(shù)及操作水平，擴展了學生的燃燒學知識面及新思路，對培養(yǎng)工程技術類創(chuàng)新型人才具有很好的引領作用。

關鍵詞：數(shù)值模擬；燃燒學；實驗教學

【中圖分類號】G 【文獻標識碼】B 【文章編號】1008-1216（2018）05B-0057-02

在能源日趨緊張和環(huán)境日益嚴峻的當下，能源與動力工程專業(yè)具有較強的綜合性、實踐性和創(chuàng)新性，是我國急需的專門工程技術人才最短缺的專業(yè)之一。實驗教學對提高學生的實踐動手能力和拓展學生知識結(jié)構面及創(chuàng)新精神具有非常重要的作用 。燃燒學作為能源與動力工程專業(yè)四大專業(yè)基礎課之一，實驗教學是其重要的教學手段，它不僅能使學生加深對課堂教學內(nèi)容的理解，同時通過操作能使學生掌握燃燒的基本實驗方法，從而提高動手能力，培養(yǎng)創(chuàng)新思維能力。然而，燃燒實驗操作的隨意性及不可控性帶來的安全隱患，一直是阻礙燃燒學實驗開展的主要原因。近年來，隨著燃燒學理論的完善及數(shù)值模擬技術的發(fā)展，很多老師在實驗教學過程中引入數(shù)值模擬技術，直觀展示復雜、危險實驗過程及內(nèi)部機理，取得了很好的實驗教學效果。本文根據(jù)燃燒實驗教學的特點，引進數(shù)值模擬技術開展相關的實驗教學，以減少實驗的次數(shù)保證燃燒實驗的安全性，同時通過實驗現(xiàn)象與數(shù)值模擬的結(jié)果對比，讓學生進一步分析燃燒實驗現(xiàn)象的本質(zhì)特征，從而提高燃燒實驗的教學效果。

一、數(shù)值模擬技術在燃燒學實驗教學中的設計

（一） 燃燒數(shù)值實驗教學地點與時間的選擇

數(shù)值實驗教學地點和時間的選擇，最好采用開放性和自由輕松的環(huán)境，能提高學生自主學習的能力，同時讓學生感覺做這樣的數(shù)值實驗跟玩游戲一樣輕松自在。因此，在布置任務時應結(jié)合實驗的實際操作，提前安排學生了解模擬的內(nèi)容及任務要求，提供富裕的時間，讓學生自主選擇時間和地點完成燃燒過程的模擬，并總結(jié)模擬結(jié)果規(guī)律，以便于實驗驗證。

在燃燒數(shù)值模擬演示教學時，采用數(shù)值模擬軟件中燃燒模型演示從網(wǎng)格生成和邊界條件設置到數(shù)值模擬整個求解過程，考慮本科生的實際情況可簡單講解所采用的理論，詳細講解結(jié)果分析方法，以及邊界條件的變化設置。同時創(chuàng)造條件為學生提供基于高性能計算工作站和CFD軟件，建議學生通過互聯(lián)網(wǎng)PBS作業(yè)提交系統(tǒng)在線提交作業(yè)，讓計算工作站完成模擬計算過程，減少學生的實際作業(yè)時間。

（二）建立燃燒模擬實驗算例，形成統(tǒng)一算例模型

數(shù)值模擬實驗以內(nèi)蒙古科技大學燃燒實驗室的多功能實驗臺為研究對象，實驗室設備中共有四根管，分別是Ⅰ號長噴管，Ⅱ號長噴管，Ⅰ號短噴管以及Ⅱ號短噴管。此多功能燃燒實驗臺可以完成預混火焰，擴散火焰以及半預混火焰等多種實驗，從而得到不同燃氣、空氣流量和壓力下的火焰變化規(guī)律。由于本科生對燃燒機理及相關數(shù)學方程了解比較少，為了減少學生模擬誤差，教師在示范教學過程中，需要根據(jù)實驗臺的特點，建立統(tǒng)一的實驗網(wǎng)格模型（如下圖），并設置好燃燒模型參數(shù)，建立統(tǒng)一的算例模型，學生只需根據(jù)算例模型，計算不同燃氣、空氣流量和壓力下的火焰變化規(guī)律。

（三）結(jié)合創(chuàng)新課題，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力

由于燃燒學課堂教學和實驗教學的時間限制，可以在建立燃燒模擬實驗算例，形成統(tǒng)一算例模型的基礎上，根據(jù)老師的科研任務及學生的興趣布置較為復雜或略有難度的模擬任務。例如，修改幾何模型、改變邊界條件及各種參數(shù)等，探索燃燒裝置對火焰結(jié)構的影響。也可結(jié)合本科生的畢業(yè)設計，研究生的課題任務，教師的部分科研任務也可以交給一些學有余力并對科研感興趣的學生完成。這樣，既鞏固課堂所學內(nèi)容，又可以引導學生拓展燃燒學的知識面，有利于培養(yǎng)學生獨立創(chuàng)新的科研能力。

二、數(shù)值模擬在燃燒學實驗教學中的應用效果

從燃燒數(shù)值模擬形成的火焰特性曲線，選擇一兩組數(shù)據(jù)在實驗臺開展實驗驗證，一般誤差保持在8%以內(nèi)，充分驗證實驗結(jié)果的準確性。在燃燒學實驗過程中，結(jié)合數(shù)值模擬技術，在提高實驗次數(shù)的同時，也解決了燃燒的安全隱患，而且使學生各方面能力得到明顯提高。

（一）對燃燒本質(zhì)的認識和相關知識掌握更為深刻

通過建立統(tǒng)一的算例模型，學生避開了燃燒數(shù)值模擬技術內(nèi)部的復雜原理，只要簡單地更改邊界條件就能得到相應的火焰結(jié)構，能很快激發(fā)學生的實驗興趣。同時學生借助數(shù)值模擬直觀動態(tài)的處理技術后，首先，對燃燒實驗和火焰現(xiàn)象有了直觀的認識。其次，由于數(shù)值模擬所獲得云圖觀賞性強，燃燒后的火焰各種參數(shù)可以通過云圖或者動畫顯示出來，使學生對燃燒的本質(zhì)理解準確，同時借助各種云圖參數(shù)及燃燒過程動畫，學生可自主將實驗現(xiàn)象與燃燒理論知識結(jié)合，明確實驗操作參數(shù)目的，借助理論知識預分析燃燒過程的實驗現(xiàn)象，并有針對性地提出問題、發(fā)現(xiàn)問題，從而，探索新的燃燒方法，以此提高其理論聯(lián)系實際的能力。

（二）燃燒實驗的安全性和學生實踐動手能力顯著提高

以氣體燃料的射流燃燒、火焰長度及火焰溫度的測定實驗為例，學生通過改變?nèi)細饬髁亢涂諝鈮毫Γ脭?shù)值模擬很容易做出多種火焰長度和火焰溫度的云圖，從而，建立燃氣流速與火焰長度的關系，然后通過一兩次實際操作實驗獲得結(jié)果，就可以確定關系式的正確性。因此，大量減少了實際操作實驗的次數(shù)，增加了實驗的安全性。同時學生可以通過數(shù)值模擬結(jié)果預判實驗現(xiàn)象趨勢，討論燃燒實驗方案的不足之處，提出改進方案，從而進一步完善燃燒實驗過程。

一些學生通過燃燒實驗，不僅掌握了燃燒學的相關知識，同時通過數(shù)值模擬技術對流體流動、傳熱傳質(zhì)等相關知識的掌握提升到了更高層次。更重要的是，在智能制造的時代又掌握了數(shù)值模擬技術，為開展與專業(yè)密切相關的科研實驗實現(xiàn)數(shù)值化研究提供了基礎，對于學生畢業(yè)后的就業(yè)和考研都有積極的作用。

三、結(jié)論

燃燒學是能源與動力工程專業(yè)的一門專業(yè)必修基礎課，要求學生牢固掌握燃燒過程的規(guī)律與原理，實驗教學是其重要的教學內(nèi)容。本文以內(nèi)蒙古科技大學燃燒實驗室的多功能實驗臺為研究對象，通過建立統(tǒng)一的算例模型，借助CFD技術模擬得到預混火焰，擴散火焰以及半預混火焰等多種實驗的火焰變化規(guī)律，克服了燃燒實驗過程中多種數(shù)據(jù)調(diào)試過程帶來的危險隱患，同時加深了同學們對燃燒實驗現(xiàn)象的直觀認識，提升了學生的實踐動手能力和實踐操作水平，對培養(yǎng)創(chuàng)新型人才具有積極的作用。

基金項目：內(nèi)蒙古科技大學教改項目（JY2014033，JY2013034）。

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