CFD軟件在“燃燒學(xué)”教學(xué)中的實(shí)踐與探討

范寶偉+潘劍鋒+潘振華+唐愛坤+邵霞

摘 要：本文簡(jiǎn)要分析了“燃燒學(xué)”教學(xué)過程中存在的問題，并介紹了CFD（Computational Fluid Dynamics）技術(shù)以及CFD軟件的代表Star-CD。針對(duì)熱能與動(dòng)力工程專業(yè)學(xué)生在學(xué)習(xí)“燃燒學(xué)”課程中液體燃料噴射和擴(kuò)散火焰這部分時(shí)所面臨的難點(diǎn)，根據(jù)在“燃燒學(xué)”科研與教學(xué)實(shí)踐中的經(jīng)驗(yàn)，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)過程。結(jié)果表明，該方法對(duì)促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識(shí)以及加強(qiáng)工程實(shí)踐能力都具有顯著的促進(jìn)作用，取得了良好的教學(xué)效果，同時(shí)也豐富了“燃燒學(xué)”課程的教學(xué)方法。

關(guān)鍵詞：燃燒學(xué) CFD軟件 Star-CD 多媒體教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）10（c）-0197-02

“燃燒學(xué)”是由熱力學(xué)、化學(xué)動(dòng)力學(xué)、流體力學(xué)和傳熱傳質(zhì)學(xué)等組成的一門科學(xué)，是研究燃料和氧化劑進(jìn)行物理準(zhǔn)備過程以及激烈化學(xué)反應(yīng)的一門學(xué)科。它又是一門應(yīng)用面廣泛的專業(yè)基礎(chǔ)課，是工程熱物理學(xué)科、動(dòng)力機(jī)械及工程學(xué)科的重要研究?jī)?nèi)容和組成部分，其建立在流體力學(xué)、傳熱學(xué)、工程熱力學(xué)等課程相關(guān)知識(shí)的基礎(chǔ)上，也是后續(xù)專業(yè)課如內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)、燃燒污染與控制、燃燒技術(shù)與測(cè)試等課程的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)。隨著能源和環(huán)境危機(jī)的加劇以及我國對(duì)節(jié)能減排這一項(xiàng)基本國策的深入推進(jìn)，“燃燒學(xué)”作為能源動(dòng)力類專業(yè)的一門重要專業(yè)課，其重要性得到不斷凸顯[1]。

1 燃燒課程存在的問題

“燃燒學(xué)”的課程內(nèi)容涉及到傳熱、傳質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)等過程，難度系數(shù)較大。其以高等數(shù)學(xué)、流體力學(xué)、傳熱學(xué)、工程熱力學(xué)等為先修課程，對(duì)學(xué)生的理論學(xué)習(xí)基礎(chǔ)要求較高[2]。正因上述原因，學(xué)生在面臨同時(shí)涉及多個(gè)課程知識(shí)的復(fù)雜章節(jié)時(shí)，有時(shí)會(huì)表現(xiàn)出似懂非懂、不知所措的表情。隨著課程難度的增加，一些學(xué)生就表現(xiàn)出學(xué)習(xí)基礎(chǔ)不牢、學(xué)習(xí)興趣缺乏的現(xiàn)象。比如，在學(xué)習(xí)“燃燒學(xué)”課程中的液體燃料噴射和擴(kuò)散火焰這一章節(jié)時(shí)，由于該部分內(nèi)容涉及到氣流運(yùn)動(dòng)、液體燃料液滴的蒸發(fā)以及擴(kuò)散燃燒等知識(shí)，學(xué)生很容易因?yàn)楦拍畛橄蟆⒅R(shí)面廣以及教學(xué)方法枯燥等多方面原因而導(dǎo)致學(xué)習(xí)效果不佳。因此，這種情況下為學(xué)生提供一種直觀、生動(dòng)、趣味性強(qiáng)的教學(xué)過程就顯得十分重要。

2 CFD技術(shù)簡(jiǎn)介

隨著計(jì)算機(jī)性能的快速發(fā)展，現(xiàn)階段CFD（Computa tional Fluid Dynamics）技術(shù)被普遍應(yīng)用于解決燃燒問題并已經(jīng)取得了可喜的進(jìn)展[3]。作為CFD軟件之一的STAR-CD（Simulation of turbulent flow in Arbitrary Regions和Computational Dynamics Ltd的合并簡(jiǎn)稱）是全球第一個(gè)采用完全非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成技術(shù)和有限體積方法來研究工業(yè)領(lǐng)域中復(fù)雜流動(dòng)的流體分析商用軟件包。STAR-CD軟件最初是由流體力學(xué)鼻祖——英國帝國理工大學(xué)計(jì)算流體力學(xué)領(lǐng)域的專家教授開發(fā)的，他們根據(jù)傳統(tǒng)傳熱基礎(chǔ)理論，合作開發(fā)了基于有限體積算法的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格計(jì)算程序。先后有來自全球多個(gè)國家的多位知名學(xué)者對(duì)STAR-CD的完全不連續(xù)網(wǎng)格、滑移網(wǎng)格和網(wǎng)格修復(fù)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行補(bǔ)充和完善，使STAR-CD軟件成為計(jì)算流體力學(xué)仿真軟件中網(wǎng)格適應(yīng)性、計(jì)算穩(wěn)定性和收斂性最好的軟件之一[4-5]。

3 CFD軟件教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)以及需要注意的問題

3.1 CFD在課堂教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)

（1）CFD軟件可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)“燃燒學(xué)”的興趣。“燃燒學(xué)”課程由于涉及多門專業(yè)課基礎(chǔ)知識(shí)，所以學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)無法掌握學(xué)習(xí)的要點(diǎn)，從而感到枯燥無味。CFD軟件簡(jiǎn)單的案例操作可使學(xué)生親自參與到課程教學(xué)中時(shí)，從而提升學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情和興趣。

（2）CFD軟件可以活躍課堂氣氛和增加課題趣味性。CFD軟件計(jì)算所獲得的計(jì)算云圖以及曲線圖，可以通過先進(jìn)的多媒體方法進(jìn)行圖片和視頻的展示。這種生動(dòng)形象的展示，不但提高了課堂教學(xué)的趣味性，也在很大程度上活躍了課堂氣氛。

（3）CFD軟件可以引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立思考的能力。通過布置簡(jiǎn)單的計(jì)算案例，讓學(xué)生分組在課外完成，并且在課堂進(jìn)行分組展示。在展示過程中，學(xué)生可以對(duì)比發(fā)現(xiàn)自己的計(jì)算結(jié)果與真實(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的差距。然后，通過引導(dǎo)學(xué)生加深對(duì)“燃燒學(xué)”課本知識(shí)的理解以及提高學(xué)生運(yùn)用課本知識(shí)的能力，最終達(dá)到提高學(xué)生獨(dú)立思考能力的目的。

（4）CFD軟件可以提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力。由于CFD的快速發(fā)展，該技術(shù)不但在科研中作為一個(gè)重要的研究手段，而且其在企業(yè)研發(fā)部門也得到廣泛應(yīng)用。因此，提前接觸并掌握比較簡(jiǎn)單的CFD軟件，對(duì)以后學(xué)生參加工作后快速掌握復(fù)雜的CFD軟件很有幫助。

3.2 CFD在課堂教學(xué)中應(yīng)注意的問題

（1）CFD軟件選擇時(shí)要注意難度。由于CFD軟件種類眾多，選擇CFD軟件時(shí)需要考慮其是否符合專業(yè)方向，并且其對(duì)學(xué)生是否容易掌握。因?yàn)镃FD教學(xué)面對(duì)的是大學(xué)本科生，應(yīng)該選擇操作簡(jiǎn)單明了的CFD軟件，如STAR-CD和FLUENT等。如果CFD軟件的難度過大，反而增加學(xué)生的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)。

（2）CFD軟件的教學(xué)中要注意模型的講解深度。由于CFD軟件在使用過程中需要選擇合理的湍流模型、點(diǎn)火模型和燃燒模型。對(duì)于這些模型的介紹應(yīng)該更注重整體上的把握，而不是把每個(gè)模型所用到的大量公式進(jìn)行詳細(xì)講解。如果引入大量且復(fù)雜公式，反而會(huì)使整個(gè)課堂更加枯燥。

（3）CFD案例引入課堂教學(xué)時(shí)要注意展示方式。CFD軟件計(jì)算會(huì)得到大量的數(shù)據(jù)，如果這些數(shù)據(jù)使用Excel表格呈現(xiàn)在課堂上，同樣會(huì)使得CFD教學(xué)失去趣味性。所以，應(yīng)該通過后處理軟件對(duì)CFD軟件計(jì)算結(jié)果進(jìn)行后處理，使得數(shù)據(jù)以圖片和視頻形式進(jìn)行展示，這樣才能達(dá)到提高學(xué)生興趣的目的。

4 CFD軟件的教學(xué)實(shí)例endprint

針對(duì)“燃燒學(xué)”中關(guān)于液體燃料噴射和擴(kuò)散火焰這一章節(jié)的教學(xué)，以某柴油機(jī)為計(jì)算對(duì)象，通過STAR-CD軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)缸內(nèi)噴霧和燃燒過程的動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬[6]。采用ES-ICE工具建立燃燒室動(dòng)網(wǎng)格，由于該柴油機(jī)采用四孔噴油器，四個(gè)孔周向均布，因此只采取燃燒室的1/4生成計(jì)算網(wǎng)格（如圖1）。

針對(duì)柴油機(jī)壓縮性高、運(yùn)動(dòng)劇烈、瞬變性強(qiáng)等特點(diǎn)，對(duì)噴霧和燃燒過程相關(guān)的氣流運(yùn)動(dòng)、燃油霧化、燃燒和排放模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪x定，然后通過設(shè)置邊界條件并采用有限體積法進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算對(duì)象發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油在上止點(diǎn)前14°CA開始噴入缸內(nèi)。圖2上止點(diǎn)后4°CA（停止噴油時(shí)刻）缸內(nèi)可燃混合物分布情況和缸內(nèi)溫度分布情況。

由圖2可以看出：在上止點(diǎn)后4°CA，供油基本結(jié)束，縮口ω型燃燒室的燃油主要分布在燃燒室的側(cè)壁，此時(shí)整個(gè)燃燒室基本都是高溫區(qū)域，表明燃燒主要在燃燒室內(nèi)進(jìn)行，燃燒較為充分。可見，通過對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)噴霧和擴(kuò)散燃燒的動(dòng)態(tài)模擬，可以把原本難以捕捉的液體燃料噴射和擴(kuò)散火焰這一章節(jié)的教學(xué)內(nèi)容生動(dòng)地展現(xiàn)出來，把抽象問題具體化、形象化，大大加深學(xué)生對(duì)傳熱過程的理解，激發(fā)大家對(duì)“燃燒學(xué)”的興趣。

5 結(jié)語

針對(duì)本專業(yè)學(xué)生在“燃燒學(xué)”課程學(xué)習(xí)中液體燃料噴射和擴(kuò)散火焰這一章節(jié)中所面臨的難點(diǎn)，筆者根據(jù)在“燃燒學(xué)”科研與教學(xué)實(shí)踐中的經(jīng)驗(yàn)，基于多媒體教學(xué)思路，將CFD軟件應(yīng)用到燃燒學(xué)課程教學(xué)中，模擬計(jì)算了柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃油霧化和擴(kuò)散燃燒的過程，通過分析計(jì)算結(jié)果對(duì)液體燃料霧化和燃燒過程有了清晰的認(rèn)識(shí)。結(jié)果表明，該方法對(duì)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)知識(shí)的興趣具有顯著的促進(jìn)作用，取得了良好的教學(xué)效果，同時(shí)也豐富了“燃燒學(xué)”課程教學(xué)的方法。

參考文獻(xiàn)

[1] 潘劍鋒，王謙，潘振華，等.燃燒學(xué)理論基礎(chǔ)及其應(yīng)用[M].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)出版社，2013.

[2] 龍鵬.應(yīng)用型教學(xué)模式在《燃燒學(xué)》上的探索與實(shí)踐[J]. 亞太教育，2016（12）：123-124.

[3] 柏靜儒，辛思諭，王擎.CFD軟件在傳熱學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用及淺析[J].中國電力教育，2014（29）：43-45.

[4] 王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析——CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[5] 劉楊先.量子化學(xué)Gaussian軟件在“燃燒學(xué)”教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國電力教育，2012（19）：41-42.

[6] 潘劍鋒，盧青波，王謙，等.柴油機(jī)燃燒過程的數(shù)值模擬及燃燒室改進(jìn)[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012， 33（4）：390-395.endprint