虛擬試驗在“鍋爐原理”教學中的應用

摘要：為了在教學過程中使理論知識形象化，提出將虛擬試驗應用于“鍋爐原理”教學過程中。以直流煤粉燃燒器四角布置切圓燃燒方式為例，給出了通過虛擬試驗得到的結果，并按教學過程中的講解方式展示出來。通過該實例可明顯看出，虛擬試驗將抽象的文字描述形象化，可增強學生對鍋爐結構及其工作原理的學習興趣，提升課堂教學效果。

關鍵詞：虛擬試驗；鍋爐原理；教學；切向燃燒

作者簡介：張維蔚（1978-），女，內蒙古呼和浩特人，內蒙古工業大學能源與動力工程學院，講師。（內蒙古 呼和浩特 010051）張偉杰（1978-），男，內蒙古呼和浩特人，中國航天科工集團第六研究院，工程師。（內蒙古 呼和浩特 010072）

基金項目：本文系內蒙古工業大學?；痦椖浚椖烤幪枺?00828）、內蒙古工業大學校級教改項目（項目編號：2013028）的研究成果。

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）22-0168-02

“鍋爐原理”是熱能與動力工程專業的主要專業課之一。該課程以電站煤粉鍋爐為教學對象，系統地闡述了電站鍋爐的主要系統、主要設備及工作原理，內容包括鍋爐用燃料、煤粉制備系統及設備、燃燒基本理論及燃燒設備、鍋爐主要受熱面、蒸汽凈化及鍋爐機組的熱力計算方法等。通過“鍋爐原理”課程教學可讓學生認識和了解鍋爐，掌握有關鍋爐的設備構造、工作原理、設計選型等有關知識。[1]

“鍋爐原理”是一門經典的傳統專業課程，很多教學工作者在鍋爐教學過程中積累了豐富的經驗。專業課程的教學內容與基礎課程有所不同，知識點既與基礎課內容聯系，又與現代科學技術的發展密切相關。這就要求課程教學過程中既能及時地反映相關技術的發展，又要注重與基礎理論知識結合。

“鍋爐原理”教學過程中，如何采用現代教學手段使學生更好地了解鍋爐的結構及其工作原理是每一位“鍋爐原理”課程的任課教師所面臨的最棘手的問題。傳統的教學方式是通過教材的圖片并輔之以語言描述來講解鍋爐的結構和工作原理，這種教學方式對理論的講述較為抽象、不易理解。[2]現代教學中加入了多媒體教學、模型教學等現代教學手段，在結構講解中起到了較好的效果，但也不能把抽象的理論形象化。

針對這種情況，筆者提出將虛擬試驗應用于“鍋爐原理”課程的教學過程，即利用虛擬試驗將一些較為抽象的理論或者在真實試驗中難以測出的數據以圖片的形式展示出來，通過鍋爐結構和工作原理仿真的方式，以增強學生對鍋爐原理某些知識的認識，充分調動學生學習的積極性、主動性，優化教師的課堂教學過程，提高學生的學習效率。

一、虛擬試驗介紹

本文提到的虛擬試驗實際上是使用計算流體力學軟件來模擬鍋爐中煙氣、工質的流動、傳熱等過程，并給出模擬計算的結果。

計算流體力學是近代流體力學、數值數學和計算機科學結合的產物，是一門具有強大生命力的邊緣科學。它以電子計算機為工具，應用各種離散化的數學方法，對流體力學的各類問題進行數值實驗、計算機模擬和分析研究，以解決各種實際問題。目前只要是與流體、傳熱及化學反應等有關的工業均可使用，是除了真實試驗之外的“虛擬試驗”，可以給出真實試驗能夠測量到的流體的速度分布、溫度分布、濃度分布等參數，而這些內容也恰好是“鍋爐原理”教學中涉及到的。采用虛擬試驗方法，可在不做實驗的情況下，仍能形象地向學生展示鍋爐中煙氣、工質等流體真實的流動、傳熱等情況，以激發學生的學習興趣，提高教學質量。

二、“鍋爐原理”教學中虛擬試驗的應用實例

“鍋爐原理”教學中涉及煙氣、工質流動、傳熱、燃燒的知識點較多，例如爐膛內煤粉氣流的燃燒過程、煙道中煙氣的流動、受熱面管內工質的流動等等。本文以直流燃燒器四角切圓燃燒為例，介紹虛擬試驗在“鍋爐原理”教學中的應用。

直流煤粉燃燒器四角布置切圓燃燒方式是現代大型煤粉鍋爐主要的燃燒方式之一，應用非常廣泛。直流燃燒器四角切圓燃燒方式中，燃燒器布置在爐膛四個角上，為便于描述，四個角分別記為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，如圖1所示。四個角上布置的直流煤粉燃燒器射出的四股氣流在爐膛中心形成一個穩定的強烈旋轉火炬，在離心力的作用下，氣流向四周擴展，爐膛中心形成真空，即無風區；無風區的外面是氣流強烈旋轉的強風區；最外圍是弱風區。不同的區域由于壓力不同，所以氣流的流動方向是不同的。要充分說明直流煤粉燃燒器四角切圓燃燒方式下爐膛內空氣動力特性對燃燒的影響，需要對氣流的流動方式加以分析說明。

本文以虛擬試驗方式介紹的是燃用煙煤的410t/h煤粉鍋爐直流煤粉燃燒器四角切圓燃燒方式下二次風形成的爐膛冷態空氣動力特性。鍋爐的爐膛深度為8.81m，爐膛寬度為9.6m，二次風速為40m/s，二次風在爐膛中心形成了直徑為85600mm的假想切圓，如圖1所示。

當二次風速為40m/s時，二次風在爐內形成的強烈旋轉氣流的速度矢量圖和壓力等高線圖如圖2（a）、（b）所示。從圖2（a）可以看出，四個角上布置的燃燒器射出的四股氣流在爐膛中心形成一個穩定的強烈旋轉火炬。在煤粉氣流實際燃燒過程中，這種流動方式每支氣流都會受到來自上游鄰角氣流的沖擊，會被上游氣流加熱，使之可以著火燃燒，并以此再去點燃下游鄰角的氣流，使相鄰煤粉氣流互相引燃，對煤粉氣流的著火燃燒非常有利。

另外，由于離心力作用，旋轉氣流使爐膛中心的無風區形成負壓，從圖2（b）可以看出，無風區壓力較周圍區域要低很多，這樣上、下壓力較高區域的高溫煙氣就會回流到此區域，可以卷席到部分的高溫煙氣，在煤粉氣流實際燃燒過程中對煤粉氣流的著火燃燒也是非常有利的。另外，切圓燃燒方式使煤粉氣流呈螺旋形旋轉上升，也延長了煤粉在爐內的停留時間。

再以噴口Ⅰ為例，從圖2（a）可以看出，由于四股氣流在爐膛內要形成假想切圓，因此氣流從燃燒器噴口噴入爐膛時與相鄰兩壁面夾角并不是相等的，即圖1中的夾角α>β，所以氣流噴入爐膛后卷吸兩側高溫煙氣的情況不同，氣流兩側的速度矢量分布也不相同。從圖2（a）可以看到氣流從噴口Ⅰ噴出后的速度矢量，夾角α區域的氣流速度方向是朝向主氣流的，而夾角β區域的氣流速度方向與主氣流速度方向類似，這充分說明α側補氣條件比β側要充分。從圖2（b）也可以看到噴口Ⅰ附近的壓力分布，α側和β側的壓力分布也是不同的。

圖1 四角切圓燃燒的爐內空氣動力特性圖

圖2 四角切圓燃燒二次風速度矢量圖和壓力等高圖

在鍋爐實際運行中，為了使直流煤粉燃燒器四角布置切圓燃燒方式得到良好的爐內空氣動力特性，四角配風必須均勻。因為相鄰兩角射流相互作用，如果配風不均勻會造成切圓位置偏斜。圖3是噴口Ⅱ氣流速度偏低時爐膛內的速度矢量圖。由于噴口Ⅱ氣流速度偏低，導致動量降低而使剛性減弱，在噴口Ⅰ的射流作用下偏轉增大而有貼近后墻的趨勢，而且這種情況下四股氣流的作用點發生改變，噴口Ⅳ的射流也有貼近前墻的趨勢。另外，從圖3還可以看出，由于四股氣流速度不同，假想切圓中心位置發生了明顯偏斜，而且氣流擾動趨勢較圖2也有明顯減弱。這種情況不僅影響燃燒，而且會造成局部水冷壁結渣。[3]

圖3 噴口Ⅱ氣流速度偏低時爐膛內空氣動力特性

通過上述幾張圖，可以清楚、形象地向學生展示四角切圓燃燒爐膛內的空氣動力特性，彌補了語言描述存在的不足，會在學生心中留下較深刻的印象，有助于加強課堂的教學效果。上述例子是通過二次風形成的空氣動力特性分析了對煤粉氣流燃燒的影響，虛擬試驗中還可以考慮煤粉氣流的流動以及燃燒過程。

三、結語

課堂教學過程中，任課教師可將虛擬試驗的試驗結果以圖片的形式向學生展示，圖片中有詳細的流體速度分布、壓力分布或者溫度分布等信息，并可根據教學情況改變某些參數，重新得到試驗結果。通過這一教學環節，學生會對這一部分內容中涉及到的流體流動、傳熱等方面的內容以及在鍋爐中的應用有深刻的認識。

本論文僅以直流燃燒器切向燃燒為例介紹了虛擬試驗，除此之外，“鍋爐原理”教學中這種鍋爐結構與流體流動、傳熱結合的例子很多，都可采用現代教學方法結合虛擬試驗向學生展示。將虛擬試驗應用于熱能與動力工程專業“鍋爐原理”的教學過程，將虛擬試驗的試驗結果和教師的課堂講授有機結合，可使抽象的內容具體、形象化，有效地調動學生的積極性，培養學生的學習興趣；另外，也可以使任課教師有效地組織教學活動，提升課堂教學效果。這樣不僅使學生對鍋爐結構有深刻的認識，還可以與專業基礎課緊密結合，為電力系統培養理論基礎扎實、實踐能力強的優秀人才。

參考文獻：

[1]葉江明.電廠鍋爐原理及設備[M].北京：中國電力出版社，2008.

[2]車德勇，王虎，張立棟.動畫仿真技術在“鍋爐原理”課程教學中的應用[J].中國電力教育，2008，（5）.

[3]岑可法.鍋爐燃燒試驗研究方法及測量技術[M].北京：水利電力出版社，1987.

（責任編輯：孫晴）