虛實結合的教學模式在燃燒學實驗中的應用

曾令艷， 王海明， 黃怡珉， 姜寶成， 宋彥萍， 陳智超

（哈爾濱工業大學能源科學與工程學院，哈爾濱150001）

0 引 言

燃燒學是研究燃燒現象、實踐和理論的科學。燃燒學課程是能源動力類專業一門非常重要的專業基礎課，包括理論教學與實驗教學兩部分。通過該課程的學習，學生應掌握燃燒化學反應動力學、以動量、熱量、質量傳遞為核心的燃燒空氣動力學及氣、油、煤著火理論和燃燒過程特點等［1］，燃燒知識的理論性和實踐性都很強。同時該課程也是也是后續專業課如熱能轉換裝置、燃燒技術與設備、熱動機械測試技術和現代熱力系統等課程的學習基礎。隨著能源和環境危機的加劇以及我國對節能減排這一項基本國策的深入推進，燃燒學課程重要性得到不斷凸顯［2］。

從教學內容來看，由于化學熱力學和熱科學傳遞現象耦合過程過于復雜，產生了火焰結構、火焰傳播速度、火焰穩定、火焰極限、點火和熄滅等諸多物理化學現象或知識，導致概念難理解、現象直觀性差、缺少學科前沿科學等問題。學生對于層流預混火焰、射流擴散火焰、液滴火焰及煤粉火焰燃燒等現象沒有直觀認識。為彌補課堂教學的缺點，提高學生學習興趣、培養學生實踐動手能力，我校燃燒學課程設置了5 項基礎的實物實驗，但仍然缺少學科前沿科學，及不能解決教學中實現煤粉火焰燃燒的直觀認識問題。

隨著電腦計算能力、互聯網技術、數值計算方法的快速發展，以高開放性、高技術集中、高參與自由度和低成本易實現為主要特征的虛擬仿真實驗越來越受到全球高等教育的重視。我國近年來非常重視虛擬仿真教學實驗的建設和發展，并于2017 年8 月正式發布《教育部辦公廳關于開展2017 年度示范性虛擬仿真實驗教學項目認定工作的通知》，全面推進高等院校不同學科的虛擬仿真實驗教學項目建設。陳敏捷等［3］以Unity開發引擎和UG 與3dsMax 建模軟件為依托，搭建了液壓虛擬仿真實驗系統，能夠進行多項液壓虛擬仿真實驗。尹龍等［4］利用虛擬仿真技術進行企業運營環境、企業業務流程的仿真實驗。楊建華等［5］開設了水利工程關鍵施工過程的虛擬仿真實驗。馬然等［6］構建了現代軌道交通的運輸組織虛擬仿真、行車控制虛擬仿真、運行車輛虛擬仿真3 方面實驗教學資源。盧艷麗等［7］開設了材料基礎、材料專業及材料創新3 個實驗平臺的9 個虛擬仿真實驗。

我校師生也充分認識到虛擬仿真對提高教學質量和學生實踐能力和創新創業能力有重要影響［8-12］。燃燒學課程教學考慮課堂教學和實驗室實物教學的缺點，立足增加學科前沿科學及實現煤粉火焰燃燒的直觀認識，將虛擬仿真技術引入實驗教學。利用當前科研中獲取的大量實際鍋爐仿真計算結果［13-15］，開發火電站鍋爐虛擬仿真實驗平臺，以虛實結合的方式開展實驗，構建燃燒學課程實踐與虛擬仿真一體化教學模式，以期形成便利的課程學習和創新實踐平臺，培養學生的自主性、探索性和研究性學習的能力。

1 實物實驗教學與虛擬實驗教學的比較

實驗教學是高等學校教學工作的重要組成部分，是全面實施人才培養計劃，提高教學質量的重要教學環節。實驗教學分為實物實驗和虛擬實驗教學兩部分。

實物實驗通常需要兩人或多人配合完成，可以有效地培養學生的團結協作精神。學生在實物實驗中可以有效地掌握實驗原理及測量方法，觀察實驗現象，及掌握基本變量對實驗結果的影響，探究各種問題，進而及時解決。在實踐中有效培養學生的動手能力。因此可以在燃燒學課程中開展層流預混燃燒及射流擴散火焰的測量等基礎實驗項目。

虛擬實驗在實踐中可以將理論與實踐進行融合，可以解決湍流火焰為主、作用機理復雜，測量十分困難的實驗項目。火電站鍋爐燃燒設備結構復雜，煤粉及空氣經燃燒器進入爐內燃燒特性、NOx生成特性等相關問題的實驗，影響因素眾多復雜，實驗工況不易穩定、變化快、難以調節，同時伴隨高污染，高危險、高成本，且難以把握現象全貌，無法用實物實驗為學生開設。近年來發展起來的計算燃燒學和計算流體力學的發展，通過建立燃燒過程的物理模型對動量、能量、化學反應等微分方程組進行數值求解，從而使對鍋爐內的流場、燃料的著火和燃燒傳熱過程、火的穩定等問題的研究取得明顯的進展，成為當前科研的重要方法。而虛擬實驗以當前廣泛使用的FLUENT商用軟件為平臺，可以實現多因素火電站鍋爐內燃燒情況的仿真計算，最大限度地讓學生了解實際燃燒設備內燃料的燃燒過程和調節燃燒狀況的手段，及測試方法和判斷依據，采用虛擬實驗的方法既經濟、環保，又可達到預期的教學目的。

但虛擬實驗不能代替實物實驗。首先，實驗教學的本質目標就是在讓學生對一些已知的規律進行理解與驗證，讓學生在實踐中不斷地提升自身的動手能力，加強對實驗的累積，強化對各種實驗方式與手段的掌握能力，進而不斷地激發學生的探究能力。虛擬實驗在實踐中就是一種利用計算機模擬的方式，對于一些通過實物實驗獲得已知規律進行仿真實驗，在實踐中與實物實驗有著本質的區別。在實物實驗開展過程中會存在一些異常的問題與故障隱患，而在虛擬實驗中是不會出現各種故障、異常問題以及安全隱患的，例如：在射流擴散火焰的測量中，存在燃氣的泄漏、壓力測量表針會出現一些打表以及表針反復擺動、熱電偶補償導線連接存在短路等相關故障問題，學生在虛擬實驗中不可能遇到這種狀況，學生也就會無法對這些問題進行發現、分析，進而解決。最后，基于教育的角度來說，教學活動就是師生交往活動，而在虛擬的實驗中，如果教師沒有通過自己的言傳身教對其進行影響，就會缺乏真實的環境影響，虛擬實驗無法代替實物實驗，而將實物實驗與虛擬實驗進行充分的融合，形成虛實結合實驗教學模式，才可以充分地提升教學效果與質量［16］。

2 燃燒學課程實驗教學的開展

目前我校已開設的層流預混火焰、射流擴散火焰及水煤漿滴的實物實驗，具體實驗名稱為：①Bensun火焰及Smithell法火焰分離；②預混火焰穩定濃度界限測定；③氣體燃料的射流燃燒、火焰長度及溫度的測定；④靜壓法氣體燃料火焰傳播速度測定；⑤水煤漿滴的燃燒實驗。如圖1 所示，3 或4 名學生相互配合，在燃燒綜合實驗臺上完成相應實驗內容。學生通過實驗了解Bensun火焰的圈頂效應、壁面淬熄效應和火焰外凸效應，燃料濃度對火焰顏色的影響，氣流速度對火焰形狀的影響等各種火焰現象；觀察預燃氣與空氣混火焰的回火和吹脫現象，測定預混火焰在發生圓錐、黃尖、吹脫及平面火焰等現象時的穩定濃度界限；比較射流擴散火焰與預混燃燒火焰的異同；觀察貝克-舒曼火焰現象；測定射流擴散火焰溫度分布及火焰長度與燃料體積流量之間的關系；測定靜壓法氣體燃料火焰傳播速度等；掌握水煤漿滴的加熱、水分蒸發、煤粉揮發分的析出并燃燒、固定碳的著火燃燒過程，測定水煤漿滴溫度隨時間的變化曲線。

圖1 學生在燃燒綜合實驗臺上進行射流擴散火焰溫度測量

3 燃燒學課程虛擬仿真教學的開展

火電站鍋爐主要有旋流煤粉燃燒、直流煤粉燃燒和W火焰煤粉燃燒3 種技術，每種燃燒技術對應的燃燒器及爐膛結構有較大差別。旋流煤粉燃燒技術燃燒器布置在爐膛前后墻上，燃燒器獨立組織燃燒；直流煤粉燃燒技術通常將燃燒器布置在爐膛4 角，燃燒器相互配合相互點燃；W火焰煤粉燃燒技術燃燒器布置在爐拱上，燃燒器獨立組織燃燒。在運行的鍋爐內煤粉、氧氣和燃燒產物3 者之間進行著動量、熱量和質量傳遞，形成火焰這種有多組分濃度梯度和不等溫兩相流動的復雜結構。開展煤粉在實際鍋爐燃燒的仿真模擬，探索燃燒室內的速度、濃度、溫度分布的規律以及它們之間的相互影響是掌握燃燒過程的重要內容。

學生通過觀察虛擬仿真平臺上的計算模型可以掌握煤種鍋爐的爐膛結構及相應的主要燃燒器結構，見圖2。以W火焰鍋爐虛擬仿真實驗平臺為例，針對典型火電廠W火焰鍋爐，預先設置鍋爐運行參數及燃燒器結構參數變化時的虛擬仿真計算工況，供學生進行仿真優化參數設計。3 或4 人1 組，學生借助虛擬仿真實驗平臺，可以直接“看見”鍋爐內流場、溫度分布及煤粉顆粒的運動軌跡，明確煤粉的燃燒過程。學生能在相互討論及平臺的情景中觀察現象、讀取數據、探索研究對象的變化規律。通過實驗掌握影響爐內煤粉燃燒過程和污染物排放的主要因素。本實驗可以加深對專業知識的理解，培養學生的自學能力、創新精神和合作態度，使其能夠適應專業課的學習，并能夠將所學知識應用于解決工程實際問題，利用虛擬實驗教學環節培養學生的工程意識和創新能力，提高學生的觀察能力及分析和解決問題的能力。

學生通過虛擬仿真平臺可以輸出圖3 所示的結果，從而掌握W火焰鍋爐的空氣動力場特性，即拱上噴出的前、后墻下行氣流下行至三次風噴口區域然后折轉向上，形成的“W”型流場。圖中拱上二次風和拱下三次風風率配比改變時，爐內速度下設深度和流場對稱性均有改變。學生輸出如圖4 所示結果時，掌握W火焰鍋爐內溫度的分布情況及高溫區域出現的位置，分析利于高效、穩定燃燒的溫度場形勢，不易產生水冷壁超溫及結渣的溫度場形勢。輸出如圖5 所示結果時，了解爐內濃相及淡相燃燒器出口煤粉顆粒的W型運動軌跡，了解濃淡相煤粉氣流的著火距離，探討顆粒軌跡位置對水冷壁結渣及鍋爐效率的影響等。

圖2 虛擬仿真平臺上的計算模型

圖3 W火焰鍋爐拱上不同二次風和拱下三次風風率配比改變時爐內速度分布（單位：m/s）

圖4 W火焰鍋爐拱上不同二次風和拱下三次風風率配比改變時爐內溫度分布（單位：K）

圖5 W火焰鍋爐內煤粉顆粒溫度軌跡（K）

4 虛實結合實驗教學模式的效果

燃燒學課程實物實驗與虛擬仿真一體化教學實踐表明，①學生能夠在實驗中接觸到基本的實驗測量設備，了解實際燃燒設備內燃料的燃燒過程和調節燃燒狀況的手段，及測試方法和判斷依據。②依托學科優勢，將學科科研資源與成果轉化為虛擬實驗的創新類實驗教學內容，以計算機多媒體技術及數值模擬與仿真技術為支撐，自主開發的虛擬仿真實驗，促進能源動力專業實驗與學科科學研究的深度融合，使學生接觸學科前沿科學問題。③實驗教學過程中虛實結合，優勢互補，同時在經濟、環保和有限的學時內，保證實驗內容的全面性和系統性。教學實踐證明，學生的專業興趣和創新意識明顯提高。

5 結 語

虛實結合教學模式，形成理論教學與實驗教學統籌協調的理念和氛圍；將先進的教育理念和教學指導思想貫徹到相關實驗教學工作中，實現理論教學與實踐教學一體化。實物實驗與虛擬實驗相結合，多層次、多模塊、相互銜接的科學實驗教學體系。在實驗內容、實驗方法、實驗設備和實驗技術等方面緊密跟蹤學科發展，不斷提高和完善，激發了學生的學習熱情，拓寬了學生視野，為其后續發展打好了基礎，提高了燃燒學課程的教學成效。在今后的發展過程中，虛實結合的實驗教學模式具有非常廣闊的應用前景。