馮運(yùn)超 馬立坤 朱家健 趙玉新 那旭東
摘? 要:文章簡(jiǎn)介了國(guó)防科技大學(xué)燃燒理論課程的基本情況,分析了課程教學(xué)過(guò)程中存在的主要問(wèn)題,并提出燃燒學(xué)分析軟件的學(xué)習(xí)將有助于促進(jìn)學(xué)員對(duì)理論知識(shí)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(xué)時(shí)的可行性、主要優(yōu)勢(shì)、注意事項(xiàng)以及基本思路。在燃燒理論課程教學(xué)過(guò)程中,引導(dǎo)學(xué)員自主學(xué)習(xí)使用Cantera軟件,并以課堂作業(yè)的形式使學(xué)員完成了層流預(yù)混火焰?zhèn)鞑?wèn)題的求解。通過(guò)教學(xué)實(shí)踐表明,利用開源軟件Cantera輔助教學(xué)能夠加深學(xué)員對(duì)抽象概念的理解,培養(yǎng)學(xué)員對(duì)燃燒理論知識(shí)的學(xué)習(xí)興趣,鍛煉學(xué)員自主學(xué)習(xí)能力,并提升學(xué)員的科研水平,獲得了較好的教學(xué)效果。
關(guān)鍵詞:開源軟件;燃燒理論;教學(xué)實(shí)踐;研究生課程
中圖分類號(hào):G642? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A? ? ? ? ? 文章編號(hào):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(guò)程的利用極大地推動(dòng)了人類文明的進(jìn)步,同時(shí)也推動(dòng)了燃燒科學(xué)的發(fā)展[1]。在當(dāng)今社會(huì),燃燒在工程技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛,特別是在航空航天領(lǐng)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(dòng)機(jī)中。在這類發(fā)動(dòng)機(jī)中,通過(guò)燃燒過(guò)程可以將儲(chǔ)存在推進(jìn)劑中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能,進(jìn)一步在噴管中轉(zhuǎn)化為工質(zhì)的動(dòng)能,并產(chǎn)生推力。燃燒過(guò)程作為噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)中能量轉(zhuǎn)化的主要途徑,對(duì)航空航天技術(shù)的發(fā)展有著重要推動(dòng)作用。燃燒過(guò)程是一個(gè)同時(shí)包含熱量傳遞、動(dòng)量傳遞、質(zhì)量傳遞和快速化學(xué)反應(yīng)的綜合物理化學(xué)過(guò)程,因此,燃燒學(xué)也是一門包含化學(xué)動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)、反應(yīng)流體力學(xué)、傳熱傳質(zhì)學(xué)的綜合交叉學(xué)科,其理論知識(shí)體系涉及面廣、難度系數(shù)大、發(fā)展更新快[2]。近年來(lái),隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展,國(guó)內(nèi)許多高校都將燃燒學(xué)作為一門專業(yè)課進(jìn)行教學(xué)。
一、燃燒理論課程簡(jiǎn)介
(一)課程現(xiàn)狀
國(guó)防科技大學(xué)的燃燒理論課程是本??仗炜茖W(xué)學(xué)院開設(shè)的面向航空宇航推進(jìn)理論與工程專業(yè)研究生的專業(yè)基礎(chǔ)課程。本門課程共計(jì)54個(gè)學(xué)時(shí),系統(tǒng)講述燃燒學(xué)相關(guān)的基礎(chǔ)理論,并講授燃燒過(guò)程的分析方法。本課程的主要參考教材為2008年國(guó)防科技大學(xué)出版社出版的《火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒原理》,授課內(nèi)容以火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過(guò)程為導(dǎo)向,講授燃燒科學(xué)的基礎(chǔ)理論和分析方法,特別強(qiáng)調(diào)突出空天發(fā)動(dòng)機(jī)中常見的多相燃燒過(guò)程相關(guān)知識(shí)。主要包括燃燒學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)(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(shí)踐(第9章),如表1所示。內(nèi)容設(shè)置緊貼我院空天發(fā)動(dòng)機(jī)研究方向的特色和學(xué)員專業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)需求,獲得了學(xué)員的認(rèn)可。
本門課程的前期預(yù)修課程包括流體力學(xué)、工程熱力學(xué)、傳熱學(xué)、計(jì)算流體力學(xué)等,并為本專業(yè)學(xué)生后續(xù)所學(xué)的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程數(shù)值分析和高等燃燒學(xué)兩門課程提供基礎(chǔ)理論。本課程的教學(xué)目標(biāo)是通過(guò)講授燃燒科學(xué)的基礎(chǔ)理論和分析方法,使學(xué)生掌握氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)燃料的燃燒特點(diǎn)和規(guī)律,系統(tǒng)學(xué)習(xí)和掌握各種燃燒問(wèn)題的理論分析方法,加深對(duì)空天發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部燃燒過(guò)程的認(rèn)識(shí)和理解,可為學(xué)生今后從事相關(guān)科研工作奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。
選課學(xué)生主要是空天發(fā)動(dòng)機(jī)研究方向的碩士研究生和低年級(jí)的博士研究生,包括軍人學(xué)員、無(wú)軍籍學(xué)員以及其他單位的委培學(xué)員等。學(xué)生來(lái)源復(fù)雜,專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)差別較大。選課學(xué)生在學(xué)習(xí)完本課程以后將會(huì)逐步開展課題研究,需要具備應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決科研問(wèn)題的能力[3]。