計算流體力學在高校鍋爐原理課程教學中的應用

管曉艷 董智廣

【摘要】鍋爐原理課程是能源與動力工程專業重要的專業課，具有較強的學科交叉性。為使教學內容更加形象化，增強學生對理論知識的理解，本文提出將計算流體力學應用于鍋爐原理課程的教學過程中。以煤粉燃燒器為例，采用計算流體力學軟件模擬燃燒器內流動特性，通過較為直觀的方式讓學生掌握煤粉燃燒器的工作原理，增強了學生學習興趣，提高了教學效果。

【關鍵詞】計算流體力學 鍋爐原理 教學方法

【中圖分類號】G424 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2019）07-0242-01

一、前言

能源與動力工程專業是我國高等院校的傳統專業。鍋爐原理課程是能源與動力工程專業重要的專業課程。通過本課程的學習，學生可以掌握鍋爐的基本結構和原理，了解鍋爐內部的轉能轉換過程以及鍋爐安全經濟運行的基本知識，為從事鍋爐相關行業的工作以及科學研究打下基礎。

二、鍋爐原理課程特點

鍋爐原理課程主要教學內容包括：1）燃燒和燃燒特性；2）燃燒計算和熱平衡；3）制粉系統；4）燃燒設備及燃燒新技術；5）鍋爐內各種換熱器；6）鍋爐熱力計算和受熱面布置。可見鍋爐原理課程涉及的教學內容廣而雜。“爐前”涉及制粉系統，“爐內”涉及燃燒器、多種換熱器，“爐外”涉及尾部煙氣凈化。隨著先進技術的發展，在鍋爐原理教學過程中，除了傳統教學內容外，也在不斷融入國際上先進的煤粉燃燒新技術，豐富教學內容。此外，鍋爐原理涉及傳熱學、工程熱力學、流體力學、燃燒學等多個學科領域。這對鍋爐原理課程的教學也提出了更高的要求。

三、計算流體力學在鍋爐原理教學中應用舉例

近年來，隨著信息技術的發展，多媒體教學被廣泛應用到專業教學過程中。一部分教學內容以圖片、動畫、聲音等方式在課堂上呈現出來，增強了學生對鍋爐設備結構和工作原理的直觀認識，提高了教學效果。多媒體教學過程中素材的選擇是多媒體教學效果好壞的關鍵因素。

計算流體力學是20世紀60年代隨著計算機科學的發展而迅速崛起的一門學科。經過多年的發展，多種計算流體力學軟件也應運而生，在諸多工程領域得到廣泛應用。利用CFD軟件對模擬對象內的流動特性進行模擬，可以獲取模擬對象內部的濃度場、速度場、溫度場等信息，以矢量圖、等勢圖、云圖等多種類型的圖片或動態演示來反應模擬對象內的流場特點。

鍋爐設備中存在著廣泛的多相流問題。本文以煤粉燃燒器為例，采用計算流體力學軟件Fluent模擬燃燒器內氣固流動特性。圖1為燃燒器內煤粉濃度分布圖。由圖可見，高濃度的煤粉顆粒集中在隔板和濃側壁面之間，點火油槍布置在濃煤粉區域有利于煤粉的順利點火。圖2為煤粉燃燒器內顆粒軌跡圖。由圖可見，5μm的顆粒具有較好的氣流跟隨性；隨著煤粉顆粒粒徑的增加，煤粉顆粒經過葉片附近時被葉片阻擋，反彈至濃煤粉氣流測，形成高濃度區。除了上述的濃度圖、顆粒軌跡圖之外，還可以獲取燃燒器內氣相和固相的速度圖、流場動態演示圖等。這些圖片和動態演示過程可以作為鍋爐原理課程多媒體教學過程的素材，豐富教學內容。

四、總結

在傳授給學生鍋爐基本知識的同時，更要把國際上先進的鍋爐技術帶到課堂上，拓展學生視野。根據授課內容合理設計多媒體教學過程，利用計算流體力學軟件模擬鍋爐相關設備流場特性，獲取的圖片或動態演示過程可以更加直觀地反應設備的工作原理，有效補充教學過程中語言描述的不足。筆者在今后的教學過程中，將進一步完善教學過程設計，以計算流體力學為工具，充分發揮多媒體教學的優勢，進一步提高教學效果。

參考文獻：

[1]顧海明，葛曉霞，畢小龍，等.“鍋爐原理”教學方法探討 [J].科教文匯，2017（9）.