基于數(shù)字李生的新工科燃燒室課程教育改革

中圖分類(lèi)號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-7164（2025）11-0117-04

航空發(fā)動(dòng)機(jī)被譽(yù)為“工業(yè)皇冠上的明珠”，從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)均對(duì)理論深度、工藝水平有極高的要求，制造過(guò)程也幾乎涵蓋所有工科專(zhuān)業(yè)知識(shí)體系，制造工藝也處于材料、加工等行業(yè)頂尖技術(shù)水平。燃燒室作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的心臟，工作環(huán)境最為苛刻，通常需通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)才能完成基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。在“雙碳”“新工科\"背景下，航空碳排放指標(biāo)將會(huì)借此能源革命而進(jìn)一步嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)化，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室將系重?fù)?dān)于一身。因此，燃燒室備受高校教育、科研單位關(guān)注，在“新工科”及“雙碳”背景下，“燃燒室\"課程教育改革勢(shì)在必行。

目前，國(guó)內(nèi)大多數(shù)相關(guān)課程都是基礎(chǔ)燃燒學(xué)理論教學(xué)的改革與實(shí)踐，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室這種理論和工程設(shè)計(jì)緊密耦合的專(zhuān)業(yè)課程的改革方法方面幾乎空白，講述內(nèi)容基本為燃燒室工作要求和技術(shù)指標(biāo)、燃燒學(xué)基礎(chǔ)、燃燒室工作過(guò)程以及燃燒室的設(shè)計(jì)四部分傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容，尚未以數(shù)字化手段構(gòu)建出針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的多視角孿生模型，且未能有效實(shí)現(xiàn)物理與虛擬信息的動(dòng)態(tài)交換及數(shù)據(jù)整合分析，建立燃燒室孿生模型與實(shí)體的鏡像，模擬發(fā)動(dòng)機(jī)在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的功能、性能和演變趨勢(shì)。本研究從相關(guān)課程貫穿化、燃燒過(guò)程模型和可視化、數(shù)字孿生設(shè)計(jì)實(shí)踐及創(chuàng)新化等方面進(jìn)行探索研究，以為“新工科\"背景下的高質(zhì)量教育提供參考。

一、航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室課程及新工科背景

（一）課程概況

“燃燒室”作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)專(zhuān)業(yè)的核心專(zhuān)業(yè)課之一，將燃燒基礎(chǔ)理論與燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的工程背景緊密結(jié)合，具有鮮明的動(dòng)力專(zhuān)業(yè)特色。本課程旨在為學(xué)生建立系統(tǒng)深入的燃燒學(xué)理論基礎(chǔ)，并從專(zhuān)業(yè)角度講授燃燒理論在燃?xì)廨啓C(jī)及航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中的實(shí)際應(yīng)用，是基礎(chǔ)理論與工程實(shí)際相結(jié)合的航空專(zhuān)業(yè)課程。該課程是一門(mén)年輕的、多學(xué)科交叉的課程，其對(duì)于先修課程理論體系有非常高的要求，選修課除了燃料與燃燒、流體力學(xué)、工程熱力學(xué)、傳熱學(xué)、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等多門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，還包括大學(xué)數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)等基礎(chǔ)課程。該課程涉及理論較廣，公式概念較多，對(duì)學(xué)生知識(shí)體系掌握的程度要求極高。[1在能源與動(dòng)力研究領(lǐng)域中，“燃燒室”可以說(shuō)是本科階段所有專(zhuān)業(yè)理論課程中的高端課程。因此，在“燃燒室”課程教學(xué)過(guò)程中，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，一直以來(lái)都是教學(xué)的重點(diǎn)。該課程的教學(xué)質(zhì)量也是決定人才培養(yǎng)目標(biāo)達(dá)成度的重要一環(huán)。尤其是在“新工科\"背景下，不僅需要學(xué)生更牢地掌握相關(guān)理論知識(shí)，還需要學(xué)生將知識(shí)與燃燒室實(shí)物相匹配，掌握“燃燒室\"的基本設(shè)計(jì)流程。

（二）新工科背景

“新工科”的提出源于中國(guó)教育部2017年發(fā)布的《關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見(jiàn)》，是指在新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革背景下，為適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需求、高等教育改革趨勢(shì)和工程技術(shù)人才培養(yǎng)的新要求而提出的新型工程教育模式。新工科旨在突破傳統(tǒng)工科教育的局限，結(jié)合新興技術(shù)、跨學(xué)科融合和社會(huì)需求，培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力、跨界整合能力和全球視野的高素質(zhì)工程技術(shù)人才，以促進(jìn)我國(guó)工程教育深化改革，適應(yīng)工程教育新形勢(shì)。繼工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證之后，教育部提出了新工科建設(shè)指導(dǎo)思想，并形成了“復(fù)旦共識(shí)\"“天大行動(dòng)\"和“北京指南”，力圖全力探索工程教育的中國(guó)模式和中國(guó)經(jīng)驗(yàn)。[2]“新工科”，是中國(guó)為主動(dòng)應(yīng)對(duì)新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，在新經(jīng)濟(jì)、新起點(diǎn)的大背景下提出來(lái)的概念。“新工科”理念的提出，對(duì)促進(jìn)我國(guó)由工程教育大國(guó)向工程教育強(qiáng)國(guó)的轉(zhuǎn)變起到了不可或缺的作用。

對(duì)高等院校而言，“新工科”概念的提出，是機(jī)遇也是挑戰(zhàn)，更是對(duì)傳統(tǒng)工科專(zhuān)業(yè)的一次升級(jí)改造。高校要以更新的理念、更好的模式、更高的教育質(zhì)量向社會(huì)輸送人才、服務(wù)社會(huì)、服務(wù)人民。與傳統(tǒng)工科相比，新工科更強(qiáng)調(diào)學(xué)科的實(shí)用性、交叉性與綜合性，因此，在傳統(tǒng)工科的教育教學(xué)改革過(guò)程中，高等院校更加注重培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力及國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。[3]結(jié)合新工科人才培養(yǎng)需求，為更好地適應(yīng)新技術(shù)革命的快速發(fā)展，我國(guó)高等教育的課程體系、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方案需要進(jìn)行深入的探索和研究，以提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，滿(mǎn)足新經(jīng)濟(jì)的需要。

（三）數(shù)字孿生

孫明霞等通過(guò)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)研究與內(nèi)容聚類(lèi)研究的方法對(duì)64個(gè)典型數(shù)字孿生定義進(jìn)行歸納總結(jié)，最終定義為充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過(guò)程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對(duì)應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過(guò)程。[4將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室研究，可實(shí)現(xiàn)對(duì)原有理論體系及經(jīng)驗(yàn)過(guò)程的重用，對(duì)當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估與診斷，并對(duì)未來(lái)發(fā)展進(jìn)行預(yù)估，縮短燃燒室研究周期，降低燃燒室研發(fā)成本。[5]

數(shù)字孿生是一種實(shí)際之外的理念，作為多個(gè)相互依賴(lài)的裝備系統(tǒng)的數(shù)字映射系統(tǒng)，需要對(duì)大量歷史數(shù)據(jù)及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，以構(gòu)建更加準(zhǔn)確的虛擬模型，因此其對(duì)強(qiáng)算力、高保真先進(jìn)智能計(jì)算系統(tǒng)具有極高的依賴(lài)性。最新的全球超級(jí)計(jì)算機(jī)排行榜500強(qiáng)名單公布，中國(guó)繼續(xù)成為全球部署頂尖高性能計(jì)算最多的國(guó)家，數(shù)量份額達(dá)到 37.4% 。國(guó)家863計(jì)劃以及其他重大專(zhuān)項(xiàng)支持的高性能計(jì)算機(jī)及其核心軟件研究項(xiàng)目，面向網(wǎng)格的高性能計(jì)算機(jī)，適用于各種大規(guī)模科學(xué)工程計(jì)算、商務(wù)計(jì)算等領(lǐng)域，在大規(guī)模機(jī)群計(jì)算和網(wǎng)格使能技術(shù)方面有所突破，形成了鮮明的技術(shù)特色，將我國(guó)通用高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的研制水平提升到一個(gè)新高度，也使得數(shù)字孿生技術(shù)得到迅猛的發(fā)展，且能夠廣泛用于實(shí)現(xiàn)裝備現(xiàn)代化及關(guān)注度最高、研究最熱的智能制造領(lǐng)域。

二、改革方法與成效

（一）相關(guān)課程貫穿化

由于“燃燒室”課程具有復(fù)雜性及多學(xué)科交叉性的特點(diǎn)，課程內(nèi)容多。在應(yīng)用型人才培養(yǎng)的背景下，學(xué)生需要掌握相應(yīng)的基礎(chǔ)知識(shí)及專(zhuān)業(yè)理論，具備一定的邏輯思維能力及工程項(xiàng)目處理能力，能將相應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)和實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合。因此，在教學(xué)內(nèi)容和方式上，作為能源與動(dòng)力類(lèi)專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，需將“燃燒室”進(jìn)行貫穿化分解，將前序燃燒學(xué)理論基礎(chǔ)、“燃燒室\"本門(mén)課程重點(diǎn)—燃燒室結(jié)構(gòu)、工作過(guò)程以及燃燒室設(shè)計(jì)和發(fā)展進(jìn)行有機(jī)地分開(kāi)與結(jié)合，每個(gè)部分分別以多樣化教學(xué)方式授課。如圖1所示，在學(xué)生學(xué)習(xí)燃燒室相關(guān)內(nèi)容之前，需幫助學(xué)生搭建好“燃燒室”課程的完整理論知識(shí)體系，包括流體力學(xué)、工程熱力學(xué)及燃料物性特點(diǎn)、著火特性等燃燒相關(guān)知識(shí)體系。在此基礎(chǔ)上依次進(jìn)行燃燒室結(jié)構(gòu)、燃燒室設(shè)計(jì)、燃燒室工作等專(zhuān)業(yè)課程的講授，使學(xué)生掌握基礎(chǔ)原理、設(shè)計(jì)理論、工程應(yīng)用等全方位的知識(shí)，為學(xué)生應(yīng)對(duì)“新工科\"背景下的數(shù)字孿生技術(shù)打下扎實(shí)的理論基礎(chǔ)。

（二）燃燒室模型和燃燒過(guò)程可視化

燃燒室作為燃?xì)廨啓C(jī)或航空發(fā)動(dòng)機(jī)的心臟，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜，涉及進(jìn)氣、氣流分配、組織燃燒、冷卻等多個(gè)過(guò)程，每個(gè)過(guò)程所涉及的構(gòu)件均需要單獨(dú)進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此需向?qū)W生展示具體設(shè)計(jì)過(guò)程及通過(guò)實(shí)例演示，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)燃燒室結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)過(guò)程的理解。燃燒過(guò)程是基于流體力學(xué)的耦合化學(xué)反應(yīng)的復(fù)雜過(guò)程，該過(guò)程理論知識(shí)難以理解，因此為了能使學(xué)生更加深入地了解燃燒室，不但需要給學(xué)生展示真實(shí)的燃燒室模型，確認(rèn)了解母型機(jī)設(shè)計(jì)思路和過(guò)程，還需要給學(xué)生通過(guò)數(shù)字孿生瞬態(tài)計(jì)算演示真實(shí)的噴霧速度場(chǎng)及氣態(tài)燃料燃燒等過(guò)程，能讓學(xué)生清晰地了解燃燒室結(jié)構(gòu)的輕微變化將對(duì)燃燒過(guò)程產(chǎn)生巨大的影響，并能夠采用穩(wěn)態(tài)／非穩(wěn)態(tài)方法，開(kāi)展湍流燃燒及燃燒室相關(guān)的數(shù)字孿生預(yù)測(cè)研究，采用先進(jìn)化學(xué)反應(yīng)模型對(duì)復(fù)雜的湍流流動(dòng)過(guò)程以及詳細(xì)的燃料組分化學(xué)反應(yīng)過(guò)程加以耦合，求解進(jìn)程變量輸運(yùn)方程，在拉格朗日坐標(biāo)下建立相應(yīng)的描述方程，對(duì)噴霧蒸發(fā)過(guò)程進(jìn)行模擬。

（三）數(shù)字孿生設(shè)計(jì)實(shí)踐及創(chuàng)新化

在理論教學(xué)和燃燒過(guò)程可視化的基礎(chǔ)上，可以對(duì)數(shù)字孿生體（母型機(jī)）開(kāi)展地面及高空仿真計(jì)算，預(yù)測(cè)母型機(jī)及優(yōu)化版本的性能，并對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的可靠性進(jìn)行完整評(píng)價(jià)。數(shù)字孿生技術(shù)可以為航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室試驗(yàn)提供指導(dǎo)，在試驗(yàn)開(kāi)展前確定試驗(yàn)參數(shù)及試驗(yàn)可行性，極大地節(jié)約了研發(fā)過(guò)程的時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本。對(duì)于燃燒室全生命周期研發(fā)設(shè)計(jì)階段，數(shù)字孿生技術(shù)可在虛擬空間中構(gòu)建與航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室一致的幾何模型，并且高度一致地還原航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)的非定常湍流燃燒過(guò)程，為燃燒室研發(fā)提供了詳細(xì)的數(shù)據(jù)資料。如圖2為基于數(shù)字孿生“虛擬一現(xiàn)實(shí)”交互界面的航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)過(guò)程。本門(mén)課程內(nèi)容燃燒室設(shè)計(jì)是一項(xiàng)實(shí)際且不能浮于紙面的工作，燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的所有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都是為了能使燃燒室中的燃燒過(guò)程能夠平穩(wěn)有效地進(jìn)行，學(xué)生需要親自動(dòng)手，根據(jù)理論計(jì)算的結(jié)果，完成數(shù)字孿生需要的建模和數(shù)值仿真計(jì)算相關(guān)內(nèi)容。加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)的培養(yǎng)，提升學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力，建立工程實(shí)踐過(guò)程與相關(guān)知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系。[6]

（四）改革成效

通過(guò)“燃燒室\"數(shù)字孿生教學(xué)模式的改革探索（相關(guān)課程貫穿化、燃燒過(guò)程模型和可視化、數(shù)字李生設(shè)計(jì)實(shí)踐及創(chuàng)新化），可最大限度地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)潛能，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，做到學(xué)以致用，使學(xué)生掌握從“傳統(tǒng)設(shè)計(jì)\"到“預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)”的基于數(shù)值仿真的燃?xì)廨啓C(jī)或航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室正向設(shè)計(jì)研發(fā)體系，對(duì)培養(yǎng)高質(zhì)量的本科生具有很好的效果。也能使學(xué)生在相同的學(xué)時(shí)內(nèi)更好地掌握相關(guān)知識(shí)，緊跟世界發(fā)展方向，進(jìn)入更高層次的學(xué)習(xí)，為以后繼續(xù)學(xué)習(xí)深造創(chuàng)造條件。

數(shù)字孿生教學(xué)可作為相近專(zhuān)業(yè)課程的參考，結(jié)合該課程數(shù)字孿生模式的教學(xué)改革，可以更好地設(shè)置課程教學(xué)內(nèi)容和聯(lián)系，為教學(xué)工作者在改進(jìn)教學(xué)方法上提供思路，對(duì)相關(guān)教學(xué)改革有重要的指導(dǎo)和提升作用。

教育的目的在于為國(guó)家培養(yǎng)和塑造適應(yīng)社會(huì)發(fā)展需求的人才，以實(shí)現(xiàn)國(guó)家和民族的繁榮發(fā)展。“新工科\"“雙碳”背景下，國(guó)家各研究部門(mén)急需適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的優(yōu)秀人才。通過(guò)數(shù)字孿生教學(xué)模型改革，可以強(qiáng)化學(xué)生對(duì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)理論的理解，還能增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐能力，通過(guò)數(shù)字孿生工具，可較好地將理論與實(shí)際相結(jié)合，提高研發(fā)效率，降低研發(fā)成本，促進(jìn)我國(guó)科技進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)發(fā)展。[7]

三、結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)教學(xué)模式已不適于新工科背景下航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室研發(fā)對(duì)人才的需求，數(shù)字孿生作為可充分利用模型及數(shù)據(jù)進(jìn)行多場(chǎng)景仿真的工具，幾乎涵蓋所有“燃燒室\"課程理論體系，通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建數(shù)字化課堂，有助于學(xué)生形成扎實(shí)的理論體系，提高學(xué)生實(shí)踐能力，為培養(yǎng)適應(yīng)未來(lái)工程需求的精英人才提供有力支持。基于學(xué)校已有基礎(chǔ)，可對(duì)現(xiàn)有教學(xué)模式作出如下改進(jìn)。

1.相關(guān)課程貫穿化，將前續(xù)課程進(jìn)行有機(jī)分解與結(jié)合，在學(xué)習(xí)\"燃燒室\"課程內(nèi)容前，搭建完整的基礎(chǔ)知識(shí)體系，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步進(jìn)行燃燒室結(jié)構(gòu)、工作流程、設(shè)計(jì)等內(nèi)容的學(xué)習(xí)。

2.燃燒室模型和燃燒過(guò)程可視化，向?qū)W生直觀(guān)反映燃燒室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程，通過(guò)數(shù)字孿生瞬態(tài)計(jì)算演示真實(shí)的燃燒室工作過(guò)程，以便學(xué)生將所學(xué)知識(shí)與實(shí)際過(guò)程相結(jié)合。

3.數(shù)字孿生設(shè)計(jì)實(shí)踐及創(chuàng)新化，結(jié)合航空發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工況，使用數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛實(shí)融合，學(xué)生通過(guò)自主建模、仿真、分析，提高自身實(shí)踐能力，為應(yīng)對(duì)新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革打下基礎(chǔ)。

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（責(zé)任編輯：陳華康）