曾令艷， 王海明， 黃怡珉， 姜寶成， 宋彥萍， 陳智超

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱150001）

0 引 言

燃燒學(xué)是研究燃燒現(xiàn)象、實(shí)踐和理論的科學(xué)。燃燒學(xué)課程是能源動(dòng)力類專業(yè)一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，包括理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩部分。通過該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)掌握燃燒化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、以動(dòng)量、熱量、質(zhì)量傳遞為核心的燃燒空氣動(dòng)力學(xué)及氣、油、煤著火理論和燃燒過程特點(diǎn)等［1］，燃燒知識(shí)的理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)。同時(shí)該課程也是也是后續(xù)專業(yè)課如熱能轉(zhuǎn)換裝置、燃燒技術(shù)與設(shè)備、熱動(dòng)機(jī)械測試技術(shù)和現(xiàn)代熱力系統(tǒng)等課程的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)。隨著能源和環(huán)境危機(jī)的加劇以及我國對(duì)節(jié)能減排這一項(xiàng)基本國策的深入推進(jìn)，燃燒學(xué)課程重要性得到不斷凸顯［2］。

從教學(xué)內(nèi)容來看，由于化學(xué)熱力學(xué)和熱科學(xué)傳遞現(xiàn)象耦合過程過于復(fù)雜，產(chǎn)生了火焰結(jié)構(gòu)、火焰?zhèn)鞑ニ俣取⒒鹧娣€(wěn)定、火焰極限、點(diǎn)火和熄滅等諸多物理化學(xué)現(xiàn)象或知識(shí)，導(dǎo)致概念難理解、現(xiàn)象直觀性差、缺少學(xué)科前沿科學(xué)等問題。學(xué)生對(duì)于層流預(yù)混火焰、射流擴(kuò)散火焰、液滴火焰及煤粉火焰燃燒等現(xiàn)象沒有直觀認(rèn)識(shí)。為彌補(bǔ)課堂教學(xué)的缺點(diǎn)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力，我校燃燒學(xué)課程設(shè)置了5 項(xiàng)基礎(chǔ)的實(shí)物實(shí)驗(yàn)，但仍然缺少學(xué)科前沿科學(xué)，及不能解決教學(xué)中實(shí)現(xiàn)煤粉火焰燃燒的直觀認(rèn)識(shí)問題。

隨著電腦計(jì)算能力、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、數(shù)值計(jì)算方法的快速發(fā)展，以高開放性、高技術(shù)集中、高參與自由度和低成本易實(shí)現(xiàn)為主要特征的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)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(xué)實(shí)驗(yàn)的建設(shè)和發(fā)展，并于2017 年8 月正式發(fā)布《教育部辦公廳關(guān)于開展2017 年度示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目認(rèn)定工作的通知》，全面推進(jìn)高等院校不同學(xué)科的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)。陳敏捷等［3］以Unity開發(fā)引擎和UG 與3dsMax 建模軟件為依托，搭建了液壓虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，能夠進(jìn)行多項(xiàng)液壓虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。尹龍等［4］利用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行企業(yè)運(yùn)營環(huán)境、企業(yè)業(yè)務(wù)流程的仿真實(shí)驗(yàn)。楊建華等［5］開設(shè)了水利工程關(guān)鍵施工過程的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。馬然等［6］構(gòu)建了現(xiàn)代軌道交通的運(yùn)輸組織虛擬仿真、行車控制虛擬仿真、運(yùn)行車輛虛擬仿真3 方面實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源。盧艷麗等［7］開設(shè)了材料基礎(chǔ)、材料專業(yè)及材料創(chuàng)新3 個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的9 個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。

我校師生也充分認(rèn)識(shí)到虛擬仿真對(duì)提高教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力有重要影響［8-12］。燃燒學(xué)課程教學(xué)考慮課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)室實(shí)物教學(xué)的缺點(diǎn)，立足增加學(xué)科前沿科學(xué)及實(shí)現(xiàn)煤粉火焰燃燒的直觀認(rèn)識(shí)，將虛擬仿真技術(shù)引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)。利用當(dāng)前科研中獲取的大量實(shí)際鍋爐仿真計(jì)算結(jié)果［13-15］，開發(fā)火電站鍋爐虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以虛實(shí)結(jié)合的方式開展實(shí)驗(yàn)，構(gòu)建燃燒學(xué)課程實(shí)踐與虛擬仿真一體化教學(xué)模式，以期形成便利的課程學(xué)習(xí)和創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)，培養(yǎng)學(xué)生的自主性、探索性和研究性學(xué)習(xí)的能力。

1 實(shí)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)與虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的比較

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等學(xué)校教學(xué)工作的重要組成部分，是全面實(shí)施人才培養(yǎng)計(jì)劃，提高教學(xué)質(zhì)量的重要教學(xué)環(huán)節(jié)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)分為實(shí)物實(shí)驗(yàn)和虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩部分。

實(shí)物實(shí)驗(yàn)通常需要兩人或多人配合完成，可以有效地培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)結(jié)協(xié)作精神。學(xué)生在實(shí)物實(shí)驗(yàn)中可以有效地掌握實(shí)驗(yàn)原理及測量方法，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，及掌握基本變量對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，探究各種問題，進(jìn)而及時(shí)解決。在實(shí)踐中有效培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力。因此可以在燃燒學(xué)課程中開展層流預(yù)混燃燒及射流擴(kuò)散火焰的測量等基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

虛擬實(shí)驗(yàn)在實(shí)踐中可以將理論與實(shí)踐進(jìn)行融合，可以解決湍流火焰為主、作用機(jī)理復(fù)雜，測量十分困難的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?；痣娬惧仩t燃燒設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，煤粉及空氣經(jīng)燃燒器進(jìn)入爐內(nèi)燃燒特性、NOx生成特性等相關(guān)問題的實(shí)驗(yàn)，影響因素眾多復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)工況不易穩(wěn)定、變化快、難以調(diào)節(jié)，同時(shí)伴隨高污染，高危險(xiǎn)、高成本，且難以把握現(xiàn)象全貌，無法用實(shí)物實(shí)驗(yàn)為學(xué)生開設(shè)。近年來發(fā)展起來的計(jì)算燃燒學(xué)和計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展，通過建立燃燒過程的物理模型對(duì)動(dòng)量、能量、化學(xué)反應(yīng)等微分方程組進(jìn)行數(shù)值求解，從而使對(duì)鍋爐內(nèi)的流場、燃料的著火和燃燒傳熱過程、火的穩(wěn)定等問題的研究取得明顯的進(jìn)展，成為當(dāng)前科研的重要方法。而虛擬實(shí)驗(yàn)以當(dāng)前廣泛使用的FLUENT商用軟件為平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)多因素火電站鍋爐內(nèi)燃燒情況的仿真計(jì)算，最大限度地讓學(xué)生了解實(shí)際燃燒設(shè)備內(nèi)燃料的燃燒過程和調(diào)節(jié)燃燒狀況的手段，及測試方法和判斷依據(jù)，采用虛擬實(shí)驗(yàn)的方法既經(jīng)濟(jì)、環(huán)保，又可達(dá)到預(yù)期的教學(xué)目的。

但虛擬實(shí)驗(yàn)不能代替實(shí)物實(shí)驗(yàn)。首先，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的本質(zhì)目標(biāo)就是在讓學(xué)生對(duì)一些已知的規(guī)律進(jìn)行理解與驗(yàn)證，讓學(xué)生在實(shí)踐中不斷地提升自身的動(dòng)手能力，加強(qiáng)對(duì)實(shí)驗(yàn)的累積，強(qiáng)化對(duì)各種實(shí)驗(yàn)方式與手段的掌握能力，進(jìn)而不斷地激發(fā)學(xué)生的探究能力。虛擬實(shí)驗(yàn)在實(shí)踐中就是一種利用計(jì)算機(jī)模擬的方式，對(duì)于一些通過實(shí)物實(shí)驗(yàn)獲得已知規(guī)律進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，在實(shí)踐中與實(shí)物實(shí)驗(yàn)有著本質(zhì)的區(qū)別。在實(shí)物實(shí)驗(yàn)開展過程中會(huì)存在一些異常的問題與故障隱患，而在虛擬實(shí)驗(yàn)中是不會(huì)出現(xiàn)各種故障、異常問題以及安全隱患的，例如：在射流擴(kuò)散火焰的測量中，存在燃?xì)獾男孤?、壓力測量表針會(huì)出現(xiàn)一些打表以及表針反復(fù)擺動(dòng)、熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線連接存在短路等相關(guān)故障問題，學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)中不可能遇到這種狀況，學(xué)生也就會(huì)無法對(duì)這些問題進(jìn)行發(fā)現(xiàn)、分析，進(jìn)而解決。最后，基于教育的角度來說，教學(xué)活動(dòng)就是師生交往活動(dòng)，而在虛擬的實(shí)驗(yàn)中，如果教師沒有通過自己的言傳身教對(duì)其進(jìn)行影響，就會(huì)缺乏真實(shí)的環(huán)境影響，虛擬實(shí)驗(yàn)無法代替實(shí)物實(shí)驗(yàn)，而將實(shí)物實(shí)驗(yàn)與虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行充分的融合，形成虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，才可以充分地提升教學(xué)效果與質(zhì)量［16］。

2 燃燒學(xué)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展

目前我校已開設(shè)的層流預(yù)混火焰、射流擴(kuò)散火焰及水煤漿滴的實(shí)物實(shí)驗(yàn)，具體實(shí)驗(yàn)名稱為：①Bensun火焰及Smithell法火焰分離；②預(yù)混火焰穩(wěn)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?zhèn)鞑ニ俣葴y定；⑤水煤漿滴的燃燒實(shí)驗(yàn)。如圖1 所示，3 或4 名學(xué)生相互配合，在燃燒綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)上完成相應(yīng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)了解Bensun火焰的圈頂效應(yīng)、壁面淬熄效應(yīng)和火焰外凸效應(yīng)，燃料濃度對(duì)火焰顏色的影響，氣流速度對(duì)火焰形狀的影響等各種火焰現(xiàn)象；觀察預(yù)燃?xì)馀c空氣混火焰的回火和吹脫現(xiàn)象，測定預(yù)混火焰在發(fā)生圓錐、黃尖、吹脫及平面火焰等現(xiàn)象時(shí)的穩(wěn)定濃度界限；比較射流擴(kuò)散火焰與預(yù)混燃燒火焰的異同；觀察貝克-舒曼火焰現(xiàn)象；測定射流擴(kuò)散火焰溫度分布及火焰長度與燃料體積流量之間的關(guān)系；測定靜壓法氣體燃料火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊?；掌握水煤漿滴的加熱、水分蒸發(fā)、煤粉揮發(fā)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(shí)間的變化曲線。

圖1 學(xué)生在燃燒綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行射流擴(kuò)散火焰溫度測量

3 燃燒學(xué)課程虛擬仿真教學(xué)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(shù)，每種燃燒技術(shù)對(duì)應(yīng)的燃燒器及爐膛結(jié)構(gòu)有較大差別。旋流煤粉燃燒技術(shù)燃燒器布置在爐膛前后墻上，燃燒器獨(dú)立組織燃燒；直流煤粉燃燒技術(shù)通常將燃燒器布置在爐膛4 角，燃燒器相互配合相互點(diǎn)燃；W火焰煤粉燃燒技術(shù)燃燒器布置在爐拱上，燃燒器獨(dú)立組織燃燒。在運(yùn)行的鍋爐內(nèi)煤粉、氧氣和燃燒產(chǎn)物3 者之間進(jìn)行著動(dòng)量、熱量和質(zhì)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(dòng)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。開展煤粉在實(shí)際鍋爐燃燒的仿真模擬，探索燃燒室內(nèi)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掌握燃燒過程的重要內(nèi)容。

學(xué)生通過觀察虛擬仿真平臺(tái)上的計(jì)算模型可以掌握煤種鍋爐的爐膛結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的主要燃燒器結(jié)構(gòu)，見圖2。以W火焰鍋爐虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為例，針對(duì)典型火電廠W火焰鍋爐，預(yù)先設(shè)置鍋爐運(yùn)行參數(shù)及燃燒器結(jié)構(gòu)參數(shù)變化時(shí)的虛擬仿真計(jì)算工況，供學(xué)生進(jìn)行仿真優(yōu)化參數(shù)設(shè)計(jì)。3 或4 人1 組，學(xué)生借助虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以直接“看見”鍋爐內(nèi)流場、溫度分布及煤粉顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，明確煤粉的燃燒過程。學(xué)生能在相互討論及平臺(tái)的情景中觀察現(xiàn)象、讀取數(shù)據(jù)、探索研究對(duì)象的變化規(guī)律。通過實(shí)驗(yàn)掌握影響爐內(nèi)煤粉燃燒過程和污染物排放的主要因素。本實(shí)驗(yàn)可以加深對(duì)專業(yè)知識(shí)的理解，培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力、創(chuàng)新精神和合作態(tài)度，使其能夠適應(yīng)專業(yè)課的學(xué)習(xí)，并能夠?qū)⑺鶎W(xué)知識(shí)應(yīng)用于解決工程實(shí)際問題，利用虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)和創(chuàng)新能力，提高學(xué)生的觀察能力及分析和解決問題的能力。

學(xué)生通過虛擬仿真平臺(tái)可以輸出圖3 所示的結(jié)果，從而掌握W火焰鍋爐的空氣動(dòng)力場特性，即拱上噴出的前、后墻下行氣流下行至三次風(fēng)噴口區(qū)域然后折轉(zhuǎn)向上，形成的“W”型流場。圖中拱上二次風(fēng)和拱下三次風(fēng)風(fēng)率配比改變時(shí)，爐內(nèi)速度下設(shè)深度和流場對(duì)稱性均有改變。學(xué)生輸出如圖4 所示結(jié)果時(shí)，掌握W火焰鍋爐內(nèi)溫度的分布情況及高溫區(qū)域出現(xiàn)的位置，分析利于高效、穩(wěn)定燃燒的溫度場形勢，不易產(chǎn)生水冷壁超溫及結(jié)渣的溫度場形勢。輸出如圖5 所示結(jié)果時(shí)，了解爐內(nèi)濃相及淡相燃燒器出口煤粉顆粒的W型運(yùn)動(dòng)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(duì)水冷壁結(jié)渣及鍋爐效率的影響等。

圖2 虛擬仿真平臺(tái)上的計(jì)算模型

圖3 W火焰鍋爐拱上不同二次風(fēng)和拱下三次風(fēng)風(fēng)率配比改變時(shí)爐內(nèi)速度分布（單位：m/s）

圖4 W火焰鍋爐拱上不同二次風(fēng)和拱下三次風(fēng)風(fēng)率配比改變時(shí)爐內(nèi)溫度分布（單位：K）

圖5 W火焰鍋爐內(nèi)煤粉顆粒溫度軌跡（K）

4 虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的效果

燃燒學(xué)課程實(shí)物實(shí)驗(yàn)與虛擬仿真一體化教學(xué)實(shí)踐表明，①學(xué)生能夠在實(shí)驗(yàn)中接觸到基本的實(shí)驗(yàn)測量設(shè)備，了解實(shí)際燃燒設(shè)備內(nèi)燃料的燃燒過程和調(diào)節(jié)燃燒狀況的手段，及測試方法和判斷依據(jù)。②依托學(xué)科優(yōu)勢，將學(xué)科科研資源與成果轉(zhuǎn)化為虛擬實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新類實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，以計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)及數(shù)值模擬與仿真技術(shù)為支撐，自主開發(fā)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，促進(jìn)能源動(dòng)力專業(yè)實(shí)驗(yàn)與學(xué)科科學(xué)研究的深度融合，使學(xué)生接觸學(xué)科前沿科學(xué)問題。③實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中虛實(shí)結(jié)合，優(yōu)勢互補(bǔ)，同時(shí)在經(jīng)濟(jì)、環(huán)保和有限的學(xué)時(shí)內(nèi)，保證實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的全面性和系統(tǒng)性。教學(xué)實(shí)踐證明，學(xué)生的專業(yè)興趣和創(chuàng)新意識(shí)明顯提高。

5 結(jié) 語

虛實(shí)結(jié)合教學(xué)模式，形成理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)統(tǒng)籌協(xié)調(diào)的理念和氛圍；將先進(jìn)的教育理念和教學(xué)指導(dǎo)思想貫徹到相關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作中，實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)一體化。實(shí)物實(shí)驗(yàn)與虛擬實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，多層次、多模塊、相互銜接的科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)技術(shù)等方面緊密跟蹤學(xué)科發(fā)展，不斷提高和完善，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，拓寬了學(xué)生視野，為其后續(xù)發(fā)展打好了基礎(chǔ)，提高了燃燒學(xué)課程的教學(xué)成效。在今后的發(fā)展過程中，虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式具有非常廣闊的應(yīng)用前景。