李 果，李育隆，丁水汀

（1.北京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，北京 100191；2.中國(guó)民航大學(xué) 黨政辦公室，天津 300300）

一、“工程熱力學(xué)”課程教學(xué)現(xiàn)狀

“工程熱力學(xué)”是熱力學(xué)的工程分支，是在闡述熱力學(xué)普遍原理的基礎(chǔ)上，通過(guò)宏觀的方法研究這些原理的技術(shù)應(yīng)用，從而為能源、動(dòng)力、機(jī)械、航空航天等領(lǐng)域深入研究奠定基礎(chǔ)［1］。在“工程熱力學(xué)”課程的知識(shí)結(jié)構(gòu)上，其先修課程是高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理等基礎(chǔ)課程，后修課程是不同理工類(lèi)專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)課程，屬于二者之間“橋梁”性技術(shù)基礎(chǔ)課程。因此，“工程熱力學(xué)”是國(guó)內(nèi)外理工科高等院校普遍開(kāi)設(shè)的核心課程之一。目前，國(guó)內(nèi)外已形成完備和公認(rèn)的工程熱力學(xué)教學(xué)內(nèi)容，包括熱能和機(jī)械能間轉(zhuǎn)化規(guī)律和方法、轉(zhuǎn)化效率的途徑、提高能源利用經(jīng)濟(jì)性等［1-3］。各高校針對(duì)不同專(zhuān)業(yè)的側(cè)重點(diǎn)，一般適當(dāng)擴(kuò)大工程熱力學(xué)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的講授內(nèi)容［4-5］。如西安交通大學(xué)主要聚焦能源動(dòng)力、能源環(huán)境、能源化工等專(zhuān)業(yè)的人才培養(yǎng)和研究，因此其“工程熱力學(xué)”（國(guó)家級(jí)精品課）教學(xué)團(tuán)隊(duì)對(duì)蒸汽熱力過(guò)程、蒸汽動(dòng)力循環(huán)等部分的講授相較于其他高校學(xué)時(shí)更多、內(nèi)容更深。上海交通大學(xué)、清華大學(xué)、浙江大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)等高校在教學(xué)過(guò)程中也相應(yīng)增加了圍繞其優(yōu)勢(shì)學(xué)科專(zhuān)業(yè)（如核能、發(fā)電、船舶等）的授課內(nèi)容。

二、突出航空動(dòng)力特色的“工程熱力學(xué)”課程教學(xué)改革的必要性

盡管目前各理工科高校圍繞其專(zhuān)業(yè)設(shè)置，在“工程熱力學(xué)”教學(xué)中進(jìn)行了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整和改革，但是在飛行器動(dòng)力工程等航空領(lǐng)域相關(guān)專(zhuān)業(yè)的“工程熱力學(xué)”課程教學(xué)內(nèi)容改革相對(duì)滯后，不能滿(mǎn)足我國(guó)未來(lái)航空器動(dòng)力人才培養(yǎng)的需要［4-5］。

（一）航空發(fā)動(dòng)機(jī)戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型期人才培養(yǎng)的需要

我國(guó)歷史上曾長(zhǎng)期經(jīng)歷測(cè)繪仿制研制航空發(fā)動(dòng)機(jī)的階段，隨著國(guó)家加大對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制的投入力度，尤其是“航空發(fā)動(dòng)機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)”國(guó)家重大專(zhuān)項(xiàng)（兩機(jī)專(zhuān)項(xiàng)）的實(shí)施，我國(guó)正在經(jīng)歷由測(cè)繪仿制向自主研制的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型期，而轉(zhuǎn)型期的關(guān)鍵在人才轉(zhuǎn)型和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)要求必須改革相關(guān)課程。對(duì)此，以北京航空航天大學(xué)為代表的高校率先開(kāi)設(shè)“航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)”相關(guān)課程。但是，設(shè)計(jì)低油耗、大推力、高效率等先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)，其最根本的是對(duì)熱力循環(huán)的應(yīng)用和創(chuàng)新，目前有關(guān)航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱力循環(huán)在“工程熱力學(xué)”教學(xué)中屬于“氣體動(dòng)力循環(huán)”的選學(xué)內(nèi)容，無(wú)論是在內(nèi)容和學(xué)時(shí)上，遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足航空發(fā)動(dòng)機(jī)專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)的需要。如國(guó)內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的由沈維道主編，高等教育出版社出版的《工程熱力學(xué)》教材中，僅有不到2頁(yè)的噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)介［1］；而由西北工業(yè)大學(xué)出版的《航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理》有關(guān)航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱力循環(huán)分散在各章節(jié)，相較“工程熱力學(xué)”課程講授的基礎(chǔ)知識(shí)而言，跨度大、難度大［7］。

（二）國(guó)內(nèi)開(kāi)設(shè)航空專(zhuān)業(yè)高校規(guī)模擴(kuò)大的需要

近年來(lái)，為配合國(guó)家對(duì)航空動(dòng)力領(lǐng)域的投入和舉措，除北京航空航天大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)這些傳統(tǒng)“三航”院校外，清華大學(xué)、上海交通大學(xué)等高校紛紛成立了航空航天相關(guān)學(xué)院，目前開(kāi)設(shè)飛行器動(dòng)力工程本科專(zhuān)業(yè)的高校達(dá)到了30余所，規(guī)模的擴(kuò)大有效緩解了我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制不同層次的人才需求，但是，其相關(guān)課程的建設(shè)仍存在滯后。對(duì)于“工程熱力學(xué)”課程來(lái)說(shuō)，上述高校在大綱設(shè)置和講授過(guò)程中，更多遵循傳統(tǒng)“工程熱力學(xué)”的講授內(nèi)容和學(xué)時(shí)配比，“三航”院校的授課教師可能根據(jù)自身重視程度，適當(dāng)增加了一些航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱力循環(huán)的講授內(nèi)容，但總體而言尚未形成完備的內(nèi)容體系。

（三）綜合分析并系統(tǒng)解決復(fù)雜工程問(wèn)題的需要

航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為典型的復(fù)雜系統(tǒng)，“工程熱力學(xué)”具備從熱能和機(jī)械能相關(guān)轉(zhuǎn)換的樸素原理和本質(zhì)的角度，綜合分析并系統(tǒng)解決航空發(fā)動(dòng)機(jī)效率問(wèn)題、推力問(wèn)題等這一復(fù)雜工程系統(tǒng)的能力，但對(duì)于講授提出了高要求。首先，需要學(xué)生自主思考并針對(duì)具體工程問(wèn)題抽象建立熱力系統(tǒng)進(jìn)行分析，從而鍛煉學(xué)生的邏輯思維能力、形象思維能力和抽象思維能力。其次，應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生在熱力學(xué)定律、熱力過(guò)程和熱機(jī)基礎(chǔ)概念的基礎(chǔ)上，結(jié)合航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及工作過(guò)程，自主分析航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱力循環(huán)改進(jìn)方向，從而鍛煉學(xué)生的文字表達(dá)能力、圖形表達(dá)能力和語(yǔ)言表達(dá)能力。最后，應(yīng)增加分析實(shí)踐課程，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱力學(xué)模型構(gòu)建和熱力循環(huán)的基礎(chǔ)上，提出效率、功率等提高的具體方案，結(jié)合自主設(shè)計(jì)驗(yàn)證，鍛煉學(xué)生的領(lǐng)導(dǎo)實(shí)踐能力、團(tuán)隊(duì)實(shí)踐能力和自主實(shí)踐能力。

三、教學(xué)改革舉措和具體內(nèi)容

（一）增加典型航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱力循環(huán)教學(xué)內(nèi)容

航空發(fā)動(dòng)機(jī)本質(zhì)上是一種熱力機(jī)械，利用空氣作為工質(zhì)重復(fù)進(jìn)行壓縮、加熱膨脹和放熱過(guò)程，一般的“工程熱力學(xué)”教學(xué)中主要通過(guò)理想“布雷頓循環(huán)”進(jìn)行講授。但是對(duì)于實(shí)際航空發(fā)動(dòng)機(jī)而言，為適應(yīng)不同飛行器具體要求，按照熱力循環(huán)的特點(diǎn)又主要分為渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)（不加力）、渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)（加力）和混合排氣渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)（不加力）等。因此，擬在“工程熱力學(xué)”課程教學(xué)中增加上述應(yīng)用最為廣泛的典型航空發(fā)動(dòng)機(jī)的理想熱力循環(huán)的講授，具體包括但不局限于下述內(nèi)容。

1.渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)（不加力）理想循環(huán)。渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)作為飛行器動(dòng)力，其依靠很大的排氣速度產(chǎn)生反作用推力。需要指出的是渦輪螺槳發(fā)動(dòng)機(jī)和渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)與渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)在理想熱力循環(huán)上完全一致，其區(qū)別僅在于前兩者很大比例或幾乎全部循環(huán)功的用途分別用于驅(qū)動(dòng)螺旋槳和旋翼，而后者主要用于產(chǎn)生反作用推力，因此在工程熱力學(xué)的講授中不單獨(dú)劃分。對(duì)于渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，其理想循環(huán)如圖1所示［7-9］。其中，點(diǎn)0代表發(fā)動(dòng)機(jī)大氣壓力和比體積；點(diǎn)0～點(diǎn)2*表示氣流在進(jìn)氣道內(nèi)壓縮；點(diǎn)2*～點(diǎn)3*表示氣流在壓氣機(jī)中壓縮；點(diǎn)3*～點(diǎn)4*對(duì)應(yīng)燃燒室中對(duì)氣流加熱；點(diǎn)4*～點(diǎn)5*表示在渦輪內(nèi)膨脹做功；點(diǎn)5*～點(diǎn)9表示在尾噴管中膨脹。

圖1 渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)（不加力）理想循環(huán)的P-V圖

2.混合排氣渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)理想循環(huán)。混合排氣渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)是在渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上增加1～2級(jí)低壓渦輪，利用渦輪帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)前部增加的大風(fēng)扇。由于風(fēng)扇吸入的氣流一部分如普通渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)一樣，進(jìn)入壓氣機(jī)（內(nèi)涵道），另一部分直接從風(fēng)扇與機(jī)匣間通道流過(guò)（外涵道），構(gòu)成了典型的“內(nèi)-外涵”結(jié)構(gòu)，因此燃?xì)饽芰繉?shí)際上產(chǎn)生了兩種排氣推力。圖2給出了排氣渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)/外涵理想循環(huán)示意圖［7-9］。其中，對(duì)于內(nèi)涵理想循環(huán)：點(diǎn)0～點(diǎn)3*是等熵壓縮，點(diǎn)3*～點(diǎn)4*是等壓加熱，點(diǎn)4*～點(diǎn)5*是等熵膨脹，點(diǎn)5*～點(diǎn)6*是等壓放熱（內(nèi)/外涵氣流摻混），點(diǎn)7*～點(diǎn)9在尾噴管中等熵膨脹，點(diǎn)9～點(diǎn)0是等壓放熱；對(duì)于外涵理想循環(huán)：點(diǎn)0～點(diǎn)22*是等熵壓縮；點(diǎn)5*～點(diǎn)6*是等壓加熱；點(diǎn)7*～點(diǎn)9*是尾噴管中等熵膨脹；點(diǎn)9～點(diǎn)0是等壓放熱。

圖2 混合排氣渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)理想循環(huán)的P-V圖

3.加力渦噴/混合排氣渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)理想循環(huán)。為進(jìn)一步增大發(fā)動(dòng)機(jī)的推力，在發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪后端設(shè)置加力燃燒室，可以進(jìn)一步增加循環(huán)功，是軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)所廣泛采用的有效方式。需要特別指出的是，對(duì)于渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)和混合排氣渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，從熱力循環(huán)角度而言，其加力增加推力的方式是完全一致的，因此以結(jié)構(gòu)相對(duì)較為簡(jiǎn)單的渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)為例進(jìn)行講授。圖3給出了加力式渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)理想循環(huán)P-V圖［7-9］。其中，點(diǎn)5*～點(diǎn)7*是在渦輪后的加力燃燒室中對(duì)氣體進(jìn)行等壓加熱，然后在尾噴管中等熵膨脹（點(diǎn)7*～點(diǎn)9*ab）。因此，加力燃燒室增加的循環(huán)功是點(diǎn)5*、點(diǎn)7*、點(diǎn)9ab、點(diǎn)9和點(diǎn)5*所圍成的面積；同時(shí)由于氣流已經(jīng)過(guò)渦輪膨脹，壓力降低且遠(yuǎn)小于燃燒室壓力，造成加力燃燒室中實(shí)際是在低壓下燃燒，熱效率較低，獲得額外的推力將進(jìn)一步增大燃油消耗。

圖3 渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)（加力）理想循環(huán)的P-V圖

（二）教學(xué)與航空發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)踐結(jié)合

在掌握典型航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱力循環(huán)的基礎(chǔ)上，如何獲得更大的循環(huán)功和熱效率是設(shè)計(jì)需要進(jìn)一步分析的問(wèn)題，并往往需要在材料、構(gòu)型、推力等多種影響因素下優(yōu)化和平衡，并必須考慮理想熱力循環(huán)與實(shí)際的結(jié)合。因此，對(duì)于“工程熱力學(xué)”課程而言增加與航空發(fā)動(dòng)機(jī)具體設(shè)計(jì)實(shí)踐的結(jié)合，將有助于學(xué)生真正理解提高熱力循環(huán)循環(huán)功、熱效率的方式方法，有助于在設(shè)計(jì)中貫徹優(yōu)化、平衡的理念。具體而言，與航空發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)踐的結(jié)合可以包含兩個(gè)方面。

1.航空發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝實(shí)踐。以學(xué)生為中心，組織2～4個(gè)學(xué)時(shí)的典型航空發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝實(shí)踐，結(jié)合航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及工作過(guò)程，了解真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)提高循環(huán)功和熱效率的具體方法，并為未來(lái)可能的改進(jìn)方向奠定基礎(chǔ)。如北京航空航天大學(xué)依托航空發(fā)動(dòng)機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心，將“工程熱力學(xué)”課程授課班級(jí)分成若干個(gè)小組，每個(gè)小組針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)具體系統(tǒng)開(kāi)展觀摩和簡(jiǎn)單拆裝實(shí)踐，同時(shí)結(jié)合所建立的熱力學(xué)循環(huán)和模型，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)與實(shí)踐的融合。

2.航空發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬仿真設(shè)計(jì)實(shí)踐。航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程復(fù)雜，成本高、周期長(zhǎng)，一般高校難以具備充分的設(shè)計(jì)條件。近年來(lái)，得益于計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速進(jìn)步，航空發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬仿真設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展讓學(xué)生在高校內(nèi)開(kāi)展設(shè)計(jì)實(shí)踐成為了可能。如北京航空航天大學(xué)依托“航空發(fā)動(dòng)機(jī)科教協(xié)同平臺(tái)”，建立了由高性能數(shù)值計(jì)算硬件及其配套數(shù)據(jù)與遠(yuǎn)程操作管理軟件、多種航空發(fā)動(dòng)機(jī)總體與部件設(shè)計(jì)軟件組成的航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與虛擬仿真綜合系統(tǒng)，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)及部件設(shè)計(jì)提供工具。因此，學(xué)生可以在2～4個(gè)學(xué)時(shí)中提出提高效率和循環(huán)功的創(chuàng)新思路，并通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)踐，快速完成整體性能分析，真正理解理想熱力循環(huán)和真實(shí)循環(huán)的差異所在。

四、教學(xué)改革的預(yù)期成效和展望

通過(guò)在課程中將傳統(tǒng)“工程熱力學(xué)”知識(shí)體系與航空動(dòng)力知識(shí)體系深度融合，形成具有航空動(dòng)力特點(diǎn)的工程熱力學(xué)教學(xué)改革方案，本質(zhì)上是由“通識(shí)”向“特色”轉(zhuǎn)變，其預(yù)期成效可概括如下。

1.通過(guò)引入航空航天動(dòng)力相關(guān)知識(shí)，突出航空動(dòng)力專(zhuān)業(yè)本科生的“工程熱力學(xué)”課程特色。

2.通過(guò)學(xué)習(xí)不同航空動(dòng)力的熱力循環(huán)差異，掌握從熱力學(xué)角度評(píng)價(jià)不同航空動(dòng)力熱力循環(huán)的優(yōu)劣和可能的改進(jìn)方向，提高學(xué)生對(duì)專(zhuān)業(yè)的興趣度。

3.通過(guò)與具體航空發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)踐的結(jié)合，在觀摩和拆裝實(shí)踐中理解熱力循環(huán)指導(dǎo)實(shí)際設(shè)計(jì)，在虛擬仿真設(shè)計(jì)中嘗試新技術(shù)的應(yīng)用效果，提高學(xué)生的獲得感。

綜上所述，突出航空動(dòng)力特色的“工程熱力學(xué)”教學(xué)改革，將培養(yǎng)航空動(dòng)力專(zhuān)業(yè)學(xué)生綜合分析和系統(tǒng)解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，為國(guó)內(nèi)開(kāi)設(shè)航空動(dòng)力專(zhuān)業(yè)高?！肮こ虩崃W(xué)”課程提供示范案例，滿(mǎn)足我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型期人才培養(yǎng)的需要。