開源軟件Cantera在燃燒理論課程教學中的實踐與探討

馮運超 馬立坤 朱家健 趙玉新 那旭東

摘? 要：文章簡介了國防科技大學燃燒理論課程的基本情況，分析了課程教學過程中存在的主要問題，并提出燃燒學分析軟件的學習將有助于促進學員對理論知識的理解。介紹了開源軟件Cantera的主要功能，并探討了Cantera在輔助教學時的可行性、主要優(yōu)勢、注意事項以及基本思路。在燃燒理論課程教學過程中，引導學員自主學習使用Cantera軟件，并以課堂作業(yè)的形式使學員完成了層流預混火焰?zhèn)鞑栴}的求解。通過教學實踐表明，利用開源軟件Cantera輔助教學能夠加深學員對抽象概念的理解，培養(yǎng)學員對燃燒理論知識的學習興趣，鍛煉學員自主學習能力，并提升學員的科研水平，獲得了較好的教學效果。

關鍵詞：開源軟件;燃燒理論;教學實踐;研究生課程

中圖分類號：G642? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2021）28-0098-05

Abstract： In this paper， the course of Combustion Theory in National University of Defence Technology is introduced， and the main problems existing in the course teaching are also analyzed. This paper offers the suggestion that the combustion analysis software can be used in course teaching to help students understanding the comprehend combustion theory. The open-source software of Cantera is introduced briefly in this paper. The feasibility， advantages， considerations and implement way of aiding teaching by using Cantera are summarized. During this course teaching， students have been led to study the Cantera and solve the problem of laminar premixed flame propagation. Teaching practice shows that it can promote understanding of the combustion theory by using the Cantera to aid teaching. The learning interest， independent learning capability， and research capacity of students can also be improved in this teaching practice.

Keywords： open-source software; Combustion Theory; teaching practice; postgraduate courses

燃燒現(xiàn)象是人類最早發(fā)現(xiàn)和利用的自然現(xiàn)象，燃燒過程的利用極大地推動了人類文明的進步，同時也推動了燃燒科學的發(fā)展[1]。在當今社會，燃燒在工程技術領域應用非常廣泛，特別是在航空航天領域，高溫、高壓、高速等極端條件下的燃燒現(xiàn)象廣泛存在于噴氣發(fā)動機中。在這類發(fā)動機中，通過燃燒過程可以將儲存在推進劑中的化學能轉化為熱能，進一步在噴管中轉化為工質的動能，并產(chǎn)生推力。燃燒過程作為噴氣發(fā)動機中能量轉化的主要途徑，對航空航天技術的發(fā)展有著重要推動作用。燃燒過程是一個同時包含熱量傳遞、動量傳遞、質量傳遞和快速化學反應的綜合物理化學過程，因此，燃燒學也是一門包含化學動力學、熱力學、反應流體力學、傳熱傳質學的綜合交叉學科，其理論知識體系涉及面廣、難度系數(shù)大、發(fā)展更新快[2]。近年來，隨著航空航天技術的發(fā)展，國內許多高校都將燃燒學作為一門專業(yè)課進行教學。

一、燃燒理論課程簡介

（一）課程現(xiàn)狀

國防科技大學的燃燒理論課程是本校空天科學學院開設的面向航空宇航推進理論與工程專業(yè)研究生的專業(yè)基礎課程。本門課程共計54個學時，系統(tǒng)講述燃燒學相關的基礎理論，并講授燃燒過程的分析方法。本課程的主要參考教材為2008年國防科技大學出版社出版的《火箭發(fā)動機燃燒原理》，授課內容以火箭發(fā)動機的燃燒過程為導向，講授燃燒科學的基礎理論和分析方法，特別強調突出空天發(fā)動機中常見的多相燃燒過程相關知識。主要包括燃燒學基礎知識（第1-3章）、燃料著火理論（第4章）、氣態(tài)燃料燃燒（第5-6章）、液態(tài)燃料燃燒（第7章）、固態(tài)燃料燃燒（第8章）以及課程實踐（第9章），如表1所示。內容設置緊貼我院空天發(fā)動機研究方向的特色和學員專業(yè)知識學習需求，獲得了學員的認可。

本門課程的前期預修課程包括流體力學、工程熱力學、傳熱學、計算流體力學等，并為本專業(yè)學生后續(xù)所學的發(fā)動機燃燒過程數(shù)值分析和高等燃燒學兩門課程提供基礎理論。本課程的教學目標是通過講授燃燒科學的基礎理論和分析方法，使學生掌握氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)燃料的燃燒特點和規(guī)律，系統(tǒng)學習和掌握各種燃燒問題的理論分析方法，加深對空天發(fā)動機內部燃燒過程的認識和理解，可為學生今后從事相關科研工作奠定堅實的理論基礎。

選課學生主要是空天發(fā)動機研究方向的碩士研究生和低年級的博士研究生，包括軍人學員、無軍籍學員以及其他單位的委培學員等。學生來源復雜，專業(yè)基礎知識差別較大。選課學生在學習完本課程以后將會逐步開展課題研究，需要具備應用所學知識解決科研問題的能力[3]。