，，

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

火電站鍋爐內(nèi)的燃燒及流動(dòng)特性是能源與動(dòng)力工程專業(yè)熱能工程方向致力研究的內(nèi)容。然而鍋爐內(nèi)存在劇烈的湍流火焰為主的煤粉燃燒過(guò)程，尤為復(fù)雜。鍋爐內(nèi)火焰的流動(dòng)、傳熱和傳質(zhì)以及氮氧化物的形成等過(guò)程，這些問(wèn)題比較抽象。如果帶領(lǐng)學(xué)生去電站鍋爐現(xiàn)場(chǎng)，利用大量的人力和物力，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量，將面臨實(shí)驗(yàn)工況不易穩(wěn)定、變化快、難以調(diào)節(jié)，同時(shí)伴隨高污染，高危險(xiǎn)，且難以把握現(xiàn)象全貌等情，因此無(wú)法為學(xué)生開(kāi)設(shè)實(shí)物實(shí)驗(yàn)[1-2]。

傳統(tǒng)教學(xué)中，學(xué)生只能在課堂上被動(dòng)的接受理論，而不能進(jìn)行實(shí)踐訓(xùn)練，從而使得課程的教學(xué)缺少了必要的實(shí)踐環(huán)節(jié)，不利于高素質(zhì)人才培養(yǎng)[3]。因此，針對(duì)這樣的利用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)難以實(shí)現(xiàn)或雖然能實(shí)現(xiàn)但是消耗太大的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，非常有必要利用現(xiàn)代信息技術(shù)結(jié)合專業(yè)而開(kāi)發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)[4]。采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)可以節(jié)省實(shí)驗(yàn)空間，設(shè)備的磨損折舊問(wèn)題較小，可以反復(fù)多次地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，逼真地還原真實(shí)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，既能滿足教學(xué)的要求，又能節(jié)省能源和設(shè)備的使用，具有很大的經(jīng)濟(jì)性。

虛擬仿真技術(shù)是現(xiàn)代信息發(fā)展的基礎(chǔ)上，將仿真技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。虛擬仿真技術(shù)與現(xiàn)代高裝備設(shè)計(jì)制造結(jié)合是時(shí)代發(fā)展和科技進(jìn)步必然要求，是適應(yīng)高端裝備設(shè)計(jì)制造的高素質(zhì)人才的必須掌握技能。為適應(yīng)高端裝備設(shè)計(jì)制造的創(chuàng)新性人才培養(yǎng)的需要，有必要建設(shè)適應(yīng)課程需要的、有利于大學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)的高水平的虛擬仿真試驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)。大連理工大學(xué)[5]在“模擬電子線路實(shí)驗(yàn)”課程教學(xué)中引入了虛擬實(shí)驗(yàn)，豐富教學(xué)內(nèi)容，提高教學(xué)效率，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。長(zhǎng)春大學(xué)[6]開(kāi)設(shè)了汽車(chē)總成拆裝虛擬實(shí)驗(yàn)、汽車(chē)?yán)碚撎摂M實(shí)驗(yàn)、汽車(chē)故障檢測(cè)和維修虛擬實(shí)驗(yàn)、汽車(chē)維護(hù)虛擬實(shí)驗(yàn)、汽車(chē)性能測(cè)試虛擬實(shí)驗(yàn)。在減少教學(xué)成本的基礎(chǔ)上，拓寬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度和廣度，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)質(zhì)量。杭州科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院[7]以Unity開(kāi)發(fā)引擎和UG與3dsMax建模軟件為依托，搭建了一個(gè)逼真、操作方便且具有交互功能的液壓虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，能夠進(jìn)行多項(xiàng)液壓虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，解決了“液壓傳動(dòng)”課程實(shí)驗(yàn)資源不足的問(wèn)題。江蘇大學(xué)[8]將CFD軟件演示教學(xué)應(yīng)用到了“燃燒學(xué)”課程的教學(xué)中。通過(guò)使用CFD軟件的模擬配合多媒體技術(shù)的使用，使學(xué)生非常直觀的了解了液體燃料的霧化、擴(kuò)散和燃燒的整個(gè)過(guò)程，促進(jìn)了學(xué)生學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識(shí)以及加強(qiáng)工程實(shí)踐能力，取得了良好的教學(xué)效果。

1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目來(lái)源

哈爾濱工業(yè)大學(xué)能源科學(xué)與技術(shù)學(xué)院近幾年在國(guó)家863計(jì)劃課題、973課題、科技支撐計(jì)劃等項(xiàng)目的支持下，開(kāi)展了300 MW、600 MW、1 000 MW等級(jí)亞臨界、超臨界機(jī)組直流煤粉燃燒鍋爐、W火焰鍋爐及墻式對(duì)沖旋流燃燒器鍋爐高效低氮氧化物燃燒技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)，針對(duì)電站實(shí)際直流煤粉燃燒技術(shù)鍋爐、W火焰鍋爐和旋流煤粉燃燒技術(shù)鍋爐進(jìn)行了大量的爐內(nèi)煤粉燃燒的虛擬仿真計(jì)算[9-10]，研究了不同燃燒器結(jié)構(gòu)、燃燒器傾角、風(fēng)率分配、煤質(zhì)等參數(shù)下?tīng)t內(nèi)煤粉燃燒及氮氧化物排放特性的影響。這些成果圍繞火電站鍋爐的設(shè)計(jì)、技術(shù)、新技術(shù)研發(fā)展開(kāi)，為虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)提供了可直接轉(zhuǎn)化的成果，后續(xù)的科研合作也為虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的豐富和更新提供了良好的條件。

2 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)形式新穎，學(xué)生可以通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn) “看見(jiàn)”鍋爐內(nèi)空氣的流動(dòng)、火焰的傳播、煤粉的運(yùn)動(dòng)軌跡、煙氣溫度及組分的分布等情況，同時(shí)實(shí)現(xiàn)以下實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?/p>

(1)了解火電站鍋爐的主要煤粉燃燒技術(shù)及燃燒器結(jié)構(gòu)；(2)了解火電站鍋爐燃料穩(wěn)定燃燒時(shí)爐內(nèi)流場(chǎng)、溫度場(chǎng)情況；(3)掌握影響火電站鍋爐爐內(nèi)煤粉燃燒及污染物生成的主要因素；(4)掌握虛擬仿真計(jì)算鍋爐內(nèi)流動(dòng)及燃燒的基本方法；(5)掌握虛擬仿真計(jì)算結(jié)果提取及后處理的方法。

3 實(shí)驗(yàn)實(shí)施過(guò)程

3.1 采用研討型教室

教室座椅按照利于師生互動(dòng)的方式擺放(見(jiàn)圖1)，四面八方都可以看到投影內(nèi)容，大大增加了師生之間的互動(dòng)機(jī)會(huì)，課堂更加靈活，學(xué)生更加自主學(xué)習(xí)，有效提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

圖1 研討型教室

3.2 預(yù)制文件

授課期間需要保證每人一臺(tái)電腦，電腦內(nèi)預(yù)制下列文件：(1)安裝相應(yīng)軟件，主要有Gambit、Fluent、Tecplot及Origin軟件等；(2)分別建立旋流煤粉燃燒技術(shù)、直流煤粉燃燒技術(shù)和W 火焰煤粉燃燒技術(shù)對(duì)應(yīng)的三種鍋爐的虛擬仿真計(jì)算的文件，其中包括：燃燒器結(jié)構(gòu)、風(fēng)速及風(fēng)率和煤質(zhì)特性等參數(shù)改變的工況文件；(3)學(xué)習(xí)視頻，其中包括建模過(guò)程、數(shù)學(xué)模型及邊界條件設(shè)置過(guò)程及計(jì)算結(jié)果后處理過(guò)程；(4)虛擬仿真計(jì)算火電站鍋爐內(nèi)燃燒過(guò)程的論文。

3.3 授課過(guò)程

以一種煤粉燃燒技術(shù)鍋爐為例，講解計(jì)算流程(見(jiàn)圖2)和演示如何進(jìn)行鍋爐計(jì)算域建立，數(shù)學(xué)模型設(shè)置及邊界條件設(shè)置過(guò)程；講授鍋爐爐膛結(jié)構(gòu)、燃燒器結(jié)構(gòu)、燃燒器的配風(fēng)及煤粉分配、內(nèi)煤粉燃燒及氮氧化物生成過(guò)程和主要影響因素；利用已有計(jì)算結(jié)果講授鍋爐內(nèi)燃燒穩(wěn)定的判斷依據(jù)，以及燃燒設(shè)備關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)對(duì)燃燒情況的影響；虛擬仿真計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果的比較。

學(xué)生動(dòng)手完成燃燒器風(fēng)速參數(shù)、風(fēng)率參數(shù)、煤質(zhì)特性參數(shù)等改變后，爐內(nèi)的燃燒及氮氧化物排放的變化情況。指導(dǎo)學(xué)生親自動(dòng)手完成一個(gè)簡(jiǎn)化的鍋爐煤粉燃燒計(jì)算。學(xué)生討論計(jì)算中的建模技巧和計(jì)算結(jié)果與實(shí)現(xiàn)結(jié)果產(chǎn)生差異的原因，及隨堂提供的虛擬仿真計(jì)算文章中的計(jì)算結(jié)果是如何提取出來(lái)的。得到的計(jì)算結(jié)果以圖3為例，講解爐內(nèi)的溫度分布情況及原因分析，講述判斷爐內(nèi)燃燒穩(wěn)定的依據(jù)。課后要求學(xué)生觀看學(xué)習(xí)視頻，進(jìn)一步鞏固建模、數(shù)學(xué)模型及邊界條件設(shè)置、計(jì)算結(jié)果后處理方法。

圖2 計(jì)算流程

圖3 計(jì)算結(jié)果后處理得到的W火焰鍋爐濃、淡煤粉氣流風(fēng)量配比改變時(shí)爐內(nèi)溫度分布情況/K

3.4 教學(xué)效果

采用虛擬仿真試驗(yàn)，可以直接“看見(jiàn)”燃燒設(shè)備內(nèi)流場(chǎng)、溫度分布及煤粉的運(yùn)動(dòng)軌跡，學(xué)生明確燃燒過(guò)程。學(xué)生直觀的掌握燃燒穩(wěn)定的判斷依據(jù)，以及燃燒設(shè)備關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)對(duì)燃燒情況的影響。采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以大大拓展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容空間，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)突破了實(shí)驗(yàn)課的場(chǎng)所限制，進(jìn)而提高實(shí)驗(yàn)課學(xué)習(xí)的自由度，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。采用虛擬仿真手段，十分有利于相關(guān)實(shí)驗(yàn)課的順利開(kāi)展，并能夠在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)保證實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的全面性和系統(tǒng)性。

4 實(shí)驗(yàn)特色

在燃燒過(guò)程中燃料、氧氣和燃燒產(chǎn)物三者之間進(jìn)行著動(dòng)量、熱量和質(zhì)量傳遞，形成多組分濃度梯度和不等溫兩相流動(dòng)的火焰。探索燃燒室內(nèi)的速度、濃度、溫度分布的規(guī)律以及它們之間的相互影響是研究燃燒過(guò)程的重要內(nèi)容。該平臺(tái)讓學(xué)生在2D和3D沉浸式虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中體會(huì)煤粉在鍋爐內(nèi)的整體燃燒過(guò)程，完成燃燒過(guò)程中各個(gè)環(huán)節(jié)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程包括燃燒設(shè)備圖紙分析→模擬方案設(shè)計(jì)→建構(gòu)鍋爐及燃燒器幾何模型→物理模型選取→邊界條件設(shè)置→運(yùn)行計(jì)算→數(shù)據(jù)處理→課堂討論→結(jié)果綜合分析。實(shí)驗(yàn)中將模擬不同燃料在不同燃燒技術(shù)鍋爐內(nèi)的燃燒情況，對(duì)流場(chǎng)特性、溫度特性及污染物排放特性等進(jìn)行監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)，學(xué)習(xí)火電站鍋爐內(nèi)燃料穩(wěn)定燃燒狀態(tài)時(shí)流場(chǎng)、溫度場(chǎng)的判斷依據(jù)，及調(diào)整火焰穩(wěn)定的關(guān)鍵參數(shù)和方法，掌握燃料在鍋爐內(nèi)生成污染物的原因以及降低污染物生成的方法等。

火電站鍋爐內(nèi)的燃燒過(guò)程很難通過(guò)課堂教學(xué)或者實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)完成。采用虛擬仿真試驗(yàn)，可以直接 “看見(jiàn)”鍋爐內(nèi)流場(chǎng)、溫度分布及煤粉顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，學(xué)生明確燃燒過(guò)程。學(xué)生直觀的掌握燃燒穩(wěn)定的判斷依據(jù)，以及鍋爐和燃燒器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)、運(yùn)行參數(shù)對(duì)燃燒情況的影響。采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以大大拓展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容空間，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效果。采用虛擬仿真手段，十分有利于相關(guān)課程的順利開(kāi)展，并能夠在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)保證實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的全面性和系統(tǒng)性。利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，努力培養(yǎng)學(xué)生成為適應(yīng)當(dāng)前能源和電力發(fā)展要求的創(chuàng)新型和技能型人才。

5 結(jié)論

本文從傳統(tǒng)教學(xué)難以理解火電站鍋爐內(nèi)煤粉燃燒過(guò)程，又無(wú)法為學(xué)生開(kāi)設(shè)實(shí)物實(shí)驗(yàn)的因素分析，結(jié)合目前高校開(kāi)展的虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)及優(yōu)良效果，提出了構(gòu)建火電站鍋爐燃燒特性虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)的措施及有益效果：

(1)以現(xiàn)有科研中獲取的火電站鍋爐虛擬仿真結(jié)果為教學(xué)實(shí)驗(yàn)來(lái)源，將科研與教學(xué)相融合；

(2)虛擬實(shí)驗(yàn)達(dá)到了解煤粉燃燒技術(shù)、掌握影響爐內(nèi)煤粉燃燒及污染物生成的主要因素及掌握基本數(shù)據(jù)處理分析方法等目的；

(3)實(shí)驗(yàn)實(shí)施時(shí)，可采用研討型教室、計(jì)算機(jī)內(nèi)預(yù)制計(jì)算文件、舉例法等教學(xué)方法及學(xué)生實(shí)際動(dòng)手操作等方式，增強(qiáng)師生互動(dòng)；

(4)采用虛擬仿真試驗(yàn)，學(xué)生可以直接 “看見(jiàn)”鍋爐內(nèi)流場(chǎng)、溫度分布及煤粉顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡。同時(shí)可設(shè)置鍋爐和燃燒器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)、運(yùn)行參數(shù)對(duì)燃燒情況的影響等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，大大拓展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容空間，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效果。