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(哈爾濱工業(yè)大學 能源科學與工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

火電站鍋爐內的燃燒及流動特性是能源與動力工程專業(yè)熱能工程方向致力研究的內容。然而鍋爐內存在劇烈的湍流火焰為主的煤粉燃燒過程，尤為復雜。鍋爐內火焰的流動、傳熱和傳質以及氮氧化物的形成等過程，這些問題比較抽象。如果帶領學生去電站鍋爐現(xiàn)場，利用大量的人力和物力，進行現(xiàn)場實驗測量，將面臨實驗工況不易穩(wěn)定、變化快、難以調節(jié)，同時伴隨高污染，高危險，且難以把握現(xiàn)象全貌等情，因此無法為學生開設實物實驗[1-2]。

傳統(tǒng)教學中，學生只能在課堂上被動的接受理論，而不能進行實踐訓練，從而使得課程的教學缺少了必要的實踐環(huán)節(jié)，不利于高素質人才培養(yǎng)[3]。因此，針對這樣的利用傳統(tǒng)實驗教學難以實現(xiàn)或雖然能實現(xiàn)但是消耗太大的實驗項目，非常有必要利用現(xiàn)代信息技術結合專業(yè)而開發(fā)虛擬仿真實驗教學平臺[4]。采用虛擬仿真實驗教學平臺可以節(jié)省實驗空間，設備的磨損折舊問題較小，可以反復多次地進行實驗，逼真地還原真實實驗的結果，既能滿足教學的要求，又能節(jié)省能源和設備的使用，具有很大的經濟性。

虛擬仿真技術是現(xiàn)代信息發(fā)展的基礎上，將仿真技術與虛擬現(xiàn)實技術相結合的產物。虛擬仿真技術與現(xiàn)代高裝備設計制造結合是時代發(fā)展和科技進步必然要求，是適應高端裝備設計制造的高素質人才的必須掌握技能。為適應高端裝備設計制造的創(chuàng)新性人才培養(yǎng)的需要，有必要建設適應課程需要的、有利于大學生實踐能力培養(yǎng)的高水平的虛擬仿真試驗平臺建設。大連理工大學[5]在“模擬電子線路實驗”課程教學中引入了虛擬實驗，豐富教學內容，提高教學效率，增強了實驗教學的效果。長春大學[6]開設了汽車總成拆裝虛擬實驗、汽車理論虛擬實驗、汽車故障檢測和維修虛擬實驗、汽車維護虛擬實驗、汽車性能測試虛擬實驗。在減少教學成本的基礎上，拓寬實驗教學的深度和廣度，提高學生的學習興趣和學習質量。杭州科技職業(yè)技術學院[7]以Unity開發(fā)引擎和UG與3dsMax建模軟件為依托，搭建了一個逼真、操作方便且具有交互功能的液壓虛擬仿真實驗系統(tǒng)，能夠進行多項液壓虛擬仿真實驗，解決了“液壓傳動”課程實驗資源不足的問題。江蘇大學[8]將CFD軟件演示教學應用到了“燃燒學”課程的教學中。通過使用CFD軟件的模擬配合多媒體技術的使用，使學生非常直觀的了解了液體燃料的霧化、擴散和燃燒的整個過程，促進了學生學習基礎知識以及加強工程實踐能力，取得了良好的教學效果。

1 實驗項目來源

哈爾濱工業(yè)大學能源科學與技術學院近幾年在國家863計劃課題、973課題、科技支撐計劃等項目的支持下，開展了300 MW、600 MW、1 000 MW等級亞臨界、超臨界機組直流煤粉燃燒鍋爐、W火焰鍋爐及墻式對沖旋流燃燒器鍋爐高效低氮氧化物燃燒技術研究與開發(fā)，針對電站實際直流煤粉燃燒技術鍋爐、W火焰鍋爐和旋流煤粉燃燒技術鍋爐進行了大量的爐內煤粉燃燒的虛擬仿真計算[9-10]，研究了不同燃燒器結構、燃燒器傾角、風率分配、煤質等參數下爐內煤粉燃燒及氮氧化物排放特性的影響。這些成果圍繞火電站鍋爐的設計、技術、新技術研發(fā)展開，為虛擬實驗項目建設提供了可直接轉化的成果，后續(xù)的科研合作也為虛擬實驗項目的豐富和更新提供了良好的條件。

2 實驗目的

虛擬仿真實驗平臺形式新穎，學生可以通過仿真實驗 “看見”鍋爐內空氣的流動、火焰的傳播、煤粉的運動軌跡、煙氣溫度及組分的分布等情況，同時實現(xiàn)以下實驗目的：

(1)了解火電站鍋爐的主要煤粉燃燒技術及燃燒器結構；(2)了解火電站鍋爐燃料穩(wěn)定燃燒時爐內流場、溫度場情況；(3)掌握影響火電站鍋爐爐內煤粉燃燒及污染物生成的主要因素；(4)掌握虛擬仿真計算鍋爐內流動及燃燒的基本方法；(5)掌握虛擬仿真計算結果提取及后處理的方法。

3 實驗實施過程

3.1 采用研討型教室

教室座椅按照利于師生互動的方式擺放(見圖1)，四面八方都可以看到投影內容，大大增加了師生之間的互動機會，課堂更加靈活，學生更加自主學習，有效提高了學生的學習效果。

圖1 研討型教室

3.2 預制文件

授課期間需要保證每人一臺電腦，電腦內預制下列文件：(1)安裝相應軟件，主要有Gambit、Fluent、Tecplot及Origin軟件等；(2)分別建立旋流煤粉燃燒技術、直流煤粉燃燒技術和W 火焰煤粉燃燒技術對應的三種鍋爐的虛擬仿真計算的文件，其中包括：燃燒器結構、風速及風率和煤質特性等參數改變的工況文件；(3)學習視頻，其中包括建模過程、數學模型及邊界條件設置過程及計算結果后處理過程；(4)虛擬仿真計算火電站鍋爐內燃燒過程的論文。

3.3 授課過程

以一種煤粉燃燒技術鍋爐為例，講解計算流程(見圖2)和演示如何進行鍋爐計算域建立，數學模型設置及邊界條件設置過程；講授鍋爐爐膛結構、燃燒器結構、燃燒器的配風及煤粉分配、內煤粉燃燒及氮氧化物生成過程和主要影響因素；利用已有計算結果講授鍋爐內燃燒穩(wěn)定的判斷依據，以及燃燒設備關鍵結構參數和運行參數對燃燒情況的影響；虛擬仿真計算結果與現(xiàn)場工業(yè)試驗測量結果的比較。

學生動手完成燃燒器風速參數、風率參數、煤質特性參數等改變后，爐內的燃燒及氮氧化物排放的變化情況。指導學生親自動手完成一個簡化的鍋爐煤粉燃燒計算。學生討論計算中的建模技巧和計算結果與實現(xiàn)結果產生差異的原因，及隨堂提供的虛擬仿真計算文章中的計算結果是如何提取出來的。得到的計算結果以圖3為例，講解爐內的溫度分布情況及原因分析，講述判斷爐內燃燒穩(wěn)定的依據。課后要求學生觀看學習視頻，進一步鞏固建模、數學模型及邊界條件設置、計算結果后處理方法。

圖2 計算流程

圖3 計算結果后處理得到的W火焰鍋爐濃、淡煤粉氣流風量配比改變時爐內溫度分布情況/K

3.4 教學效果

采用虛擬仿真試驗，可以直接“看見”燃燒設備內流場、溫度分布及煤粉的運動軌跡，學生明確燃燒過程。學生直觀的掌握燃燒穩(wěn)定的判斷依據，以及燃燒設備關鍵結構參數和運行參數對燃燒情況的影響。采用虛擬仿真實驗可以大大拓展實驗內容空間，激發(fā)學生學習興趣，同時突破了實驗課的場所限制，進而提高實驗課學習的自由度，提高實驗教學效果。采用虛擬仿真手段，十分有利于相關實驗課的順利開展，并能夠在有限的學時內保證實驗內容的全面性和系統(tǒng)性。

4 實驗特色

在燃燒過程中燃料、氧氣和燃燒產物三者之間進行著動量、熱量和質量傳遞，形成多組分濃度梯度和不等溫兩相流動的火焰。探索燃燒室內的速度、濃度、溫度分布的規(guī)律以及它們之間的相互影響是研究燃燒過程的重要內容。該平臺讓學生在2D和3D沉浸式虛擬實驗環(huán)境中體會煤粉在鍋爐內的整體燃燒過程，完成燃燒過程中各個環(huán)節(jié)。實驗過程包括燃燒設備圖紙分析→模擬方案設計→建構鍋爐及燃燒器幾何模型→物理模型選取→邊界條件設置→運行計算→數據處理→課堂討論→結果綜合分析。實驗中將模擬不同燃料在不同燃燒技術鍋爐內的燃燒情況，對流場特性、溫度特性及污染物排放特性等進行監(jiān)測實驗，學習火電站鍋爐內燃料穩(wěn)定燃燒狀態(tài)時流場、溫度場的判斷依據，及調整火焰穩(wěn)定的關鍵參數和方法，掌握燃料在鍋爐內生成污染物的原因以及降低污染物生成的方法等。

火電站鍋爐內的燃燒過程很難通過課堂教學或者實驗室試驗和現(xiàn)場試驗完成。采用虛擬仿真試驗，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，學生明確燃燒過程。學生直觀的掌握燃燒穩(wěn)定的判斷依據，以及鍋爐和燃燒器關鍵結構參數、運行參數對燃燒情況的影響。采用虛擬仿真實驗可以大大拓展實驗內容空間，激發(fā)學生學習興趣，提高教學效果。采用虛擬仿真手段，十分有利于相關課程的順利開展，并能夠在有限的學時內保證實驗內容的全面性和系統(tǒng)性。利用虛擬仿真實驗，努力培養(yǎng)學生成為適應當前能源和電力發(fā)展要求的創(chuàng)新型和技能型人才。

5 結論

本文從傳統(tǒng)教學難以理解火電站鍋爐內煤粉燃燒過程，又無法為學生開設實物實驗的因素分析，結合目前高校開展的虛擬仿真教學實驗及優(yōu)良效果，提出了構建火電站鍋爐燃燒特性虛擬仿真教學實驗的措施及有益效果：

(1)以現(xiàn)有科研中獲取的火電站鍋爐虛擬仿真結果為教學實驗來源，將科研與教學相融合；

(2)虛擬實驗達到了解煤粉燃燒技術、掌握影響爐內煤粉燃燒及污染物生成的主要因素及掌握基本數據處理分析方法等目的；

(3)實驗實施時，可采用研討型教室、計算機內預制計算文件、舉例法等教學方法及學生實際動手操作等方式，增強師生互動；

(4)采用虛擬仿真試驗，學生可以直接 “看見”鍋爐內流場、溫度分布及煤粉顆粒的運動軌跡。同時可設置鍋爐和燃燒器關鍵結構參數、運行參數對燃燒情況的影響等實驗內容，大大拓展實驗內容空間，激發(fā)學生學習興趣，提高教學效果。