虚实结合的教学模式在燃烧学实验中的应用

曾令艳， 王海明， 黄怡珉， 姜宝成， 宋彦萍， 陈智超

（哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，哈尔滨150001）

0 引 言

燃烧学是研究燃烧现象、实践和理论的科学。燃烧学课程是能源动力类专业一门非常重要的专业基础课，包括理论教学与实验教学两部分。通过该课程的学习，学生应掌握燃烧化学反应动力学、以动量、热量、质量传递为核心的燃烧空气动力学及气、油、煤着火理论和燃烧过程特点等［1］，燃烧知识的理论性和实践性都很强。同时该课程也是也是后续专业课如热能转换装置、燃烧技术与设备、热动机械测试技术和现代热力系统等课程的学习基础。随着能源和环境危机的加剧以及我国对节能减排这一项基本国策的深入推进，燃烧学课程重要性得到不断凸显［2］。

从教学内容来看，由于化学热力学和热科学传递现象耦合过程过于复杂，产生了火焰结构、火焰传播速度、火焰稳定、火焰极限、点火和熄灭等诸多物理化学现象或知识，导致概念难理解、现象直观性差、缺少学科前沿科学等问题。学生对于层流预混火焰、射流扩散火焰、液滴火焰及煤粉火焰燃烧等现象没有直观认识。为弥补课堂教学的缺点，提高学生学习兴趣、培养学生实践动手能力，我校燃烧学课程设置了5 项基础的实物实验，但仍然缺少学科前沿科学，及不能解决教学中实现煤粉火焰燃烧的直观认识问题。

随着电脑计算能力、互联网技术、数值计算方法的快速发展，以高开放性、高技术集中、高参与自由度和低成本易实现为主要特征的虚拟仿真实验越来越受到全球高等教育的重视。我国近年来非常重视虚拟仿真教学实验的建设和发展，并于2017 年8 月正式发布《教育部办公厅关于开展2017 年度示范性虚拟仿真实验教学项目认定工作的通知》，全面推进高等院校不同学科的虚拟仿真实验教学项目建设。陈敏捷等［3］以Unity开发引擎和UG 与3dsMax 建模软件为依托，搭建了液压虚拟仿真实验系统，能够进行多项液压虚拟仿真实验。尹龙等［4］利用虚拟仿真技术进行企业运营环境、企业业务流程的仿真实验。杨建华等［5］开设了水利工程关键施工过程的虚拟仿真实验。马然等［6］构建了现代轨道交通的运输组织虚拟仿真、行车控制虚拟仿真、运行车辆虚拟仿真3 方面实验教学资源。卢艳丽等［7］开设了材料基础、材料专业及材料创新3 个实验平台的9 个虚拟仿真实验。

我校师生也充分认识到虚拟仿真对提高教学质量和学生实践能力和创新创业能力有重要影响［8-12］。燃烧学课程教学考虑课堂教学和实验室实物教学的缺点，立足增加学科前沿科学及实现煤粉火焰燃烧的直观认识，将虚拟仿真技术引入实验教学。利用当前科研中获取的大量实际锅炉仿真计算结果［13-15］，开发火电站锅炉虚拟仿真实验平台，以虚实结合的方式开展实验，构建燃烧学课程实践与虚拟仿真一体化教学模式，以期形成便利的课程学习和创新实践平台，培养学生的自主性、探索性和研究性学习的能力。

1 实物实验教学与虚拟实验教学的比较

实验教学是高等学校教学工作的重要组成部分，是全面实施人才培养计划，提高教学质量的重要教学环节。实验教学分为实物实验和虚拟实验教学两部分。

实物实验通常需要两人或多人配合完成，可以有效地培养学生的团结协作精神。学生在实物实验中可以有效地掌握实验原理及测量方法，观察实验现象，及掌握基本变量对实验结果的影响，探究各种问题，进而及时解决。在实践中有效培养学生的动手能力。因此可以在燃烧学课程中开展层流预混燃烧及射流扩散火焰的测量等基础实验项目。

虚拟实验在实践中可以将理论与实践进行融合，可以解决湍流火焰为主、作用机理复杂，测量十分困难的实验项目。火电站锅炉燃烧设备结构复杂，煤粉及空气经燃烧器进入炉内燃烧特性、NOx生成特性等相关问题的实验，影响因素众多复杂，实验工况不易稳定、变化快、难以调节，同时伴随高污染，高危险、高成本，且难以把握现象全貌，无法用实物实验为学生开设。近年来发展起来的计算燃烧学和计算流体力学的发展，通过建立燃烧过程的物理模型对动量、能量、化学反应等微分方程组进行数值求解，从而使对锅炉内的流场、燃料的着火和燃烧传热过程、火的稳定等问题的研究取得明显的进展，成为当前科研的重要方法。而虚拟实验以当前广泛使用的FLUENT商用软件为平台，可以实现多因素火电站锅炉内燃烧情况的仿真计算，最大限度地让学生了解实际燃烧设备内燃料的燃烧过程和调节燃烧状况的手段，及测试方法和判断依据，采用虚拟实验的方法既经济、环保，又可达到预期的教学目的。

但虚拟实验不能代替实物实验。首先，实验教学的本质目标就是在让学生对一些已知的规律进行理解与验证，让学生在实践中不断地提升自身的动手能力，加强对实验的累积，强化对各种实验方式与手段的掌握能力，进而不断地激发学生的探究能力。虚拟实验在实践中就是一种利用计算机模拟的方式，对于一些通过实物实验获得已知规律进行仿真实验，在实践中与实物实验有着本质的区别。在实物实验开展过程中会存在一些异常的问题与故障隐患，而在虚拟实验中是不会出现各种故障、异常问题以及安全隐患的，例如：在射流扩散火焰的测量中，存在燃气的泄漏、压力测量表针会出现一些打表以及表针反复摆动、热电偶补偿导线连接存在短路等相关故障问题，学生在虚拟实验中不可能遇到这种状况，学生也就会无法对这些问题进行发现、分析，进而解决。最后，基于教育的角度来说，教学活动就是师生交往活动，而在虚拟的实验中，如果教师没有通过自己的言传身教对其进行影响，就会缺乏真实的环境影响，虚拟实验无法代替实物实验，而将实物实验与虚拟实验进行充分的融合，形成虚实结合实验教学模式，才可以充分地提升教学效果与质量［16］。

2 燃烧学课程实验教学的开展

目前我校已开设的层流预混火焰、射流扩散火焰及水煤浆滴的实物实验，具体实验名称为：①Bensun火焰及Smithell法火焰分离；②预混火焰稳定浓度界限测定；③气体燃料的射流燃烧、火焰长度及温度的测定；④静压法气体燃料火焰传播速度测定；⑤水煤浆滴的燃烧实验。如图1 所示，3 或4 名学生相互配合，在燃烧综合实验台上完成相应实验内容。学生通过实验了解Bensun火焰的圈顶效应、壁面淬熄效应和火焰外凸效应，燃料浓度对火焰颜色的影响，气流速度对火焰形状的影响等各种火焰现象；观察预燃气与空气混火焰的回火和吹脱现象，测定预混火焰在发生圆锥、黄尖、吹脱及平面火焰等现象时的稳定浓度界限；比较射流扩散火焰与预混燃烧火焰的异同；观察贝克-舒曼火焰现象；测定射流扩散火焰温度分布及火焰长度与燃料体积流量之间的关系；测定静压法气体燃料火焰传播速度等；掌握水煤浆滴的加热、水分蒸发、煤粉挥发分的析出并燃烧、固定碳的着火燃烧过程，测定水煤浆滴温度随时间的变化曲线。

图1 学生在燃烧综合实验台上进行射流扩散火焰温度测量

3 燃烧学课程虚拟仿真教学的开展

火电站锅炉主要有旋流煤粉燃烧、直流煤粉燃烧和W火焰煤粉燃烧3 种技术，每种燃烧技术对应的燃烧器及炉膛结构有较大差别。旋流煤粉燃烧技术燃烧器布置在炉膛前后墙上，燃烧器独立组织燃烧；直流煤粉燃烧技术通常将燃烧器布置在炉膛4 角，燃烧器相互配合相互点燃；W火焰煤粉燃烧技术燃烧器布置在炉拱上，燃烧器独立组织燃烧。在运行的锅炉内煤粉、氧气和燃烧产物3 者之间进行着动量、热量和质量传递，形成火焰这种有多组分浓度梯度和不等温两相流动的复杂结构。开展煤粉在实际锅炉燃烧的仿真模拟，探索燃烧室内的速度、浓度、温度分布的规律以及它们之间的相互影响是掌握燃烧过程的重要内容。

学生通过观察虚拟仿真平台上的计算模型可以掌握煤种锅炉的炉膛结构及相应的主要燃烧器结构，见图2。以W火焰锅炉虚拟仿真实验平台为例，针对典型火电厂W火焰锅炉，预先设置锅炉运行参数及燃烧器结构参数变化时的虚拟仿真计算工况，供学生进行仿真优化参数设计。3 或4 人1 组，学生借助虚拟仿真实验平台，可以直接“看见”锅炉内流场、温度分布及煤粉颗粒的运动轨迹，明确煤粉的燃烧过程。学生能在相互讨论及平台的情景中观察现象、读取数据、探索研究对象的变化规律。通过实验掌握影响炉内煤粉燃烧过程和污染物排放的主要因素。本实验可以加深对专业知识的理解，培养学生的自学能力、创新精神和合作态度，使其能够适应专业课的学习，并能够将所学知识应用于解决工程实际问题，利用虚拟实验教学环节培养学生的工程意识和创新能力，提高学生的观察能力及分析和解决问题的能力。

学生通过虚拟仿真平台可以输出图3 所示的结果，从而掌握W火焰锅炉的空气动力场特性，即拱上喷出的前、后墙下行气流下行至三次风喷口区域然后折转向上，形成的“W”型流场。图中拱上二次风和拱下三次风风率配比改变时，炉内速度下设深度和流场对称性均有改变。学生输出如图4 所示结果时，掌握W火焰锅炉内温度的分布情况及高温区域出现的位置，分析利于高效、稳定燃烧的温度场形势，不易产生水冷壁超温及结渣的温度场形势。输出如图5 所示结果时，了解炉内浓相及淡相燃烧器出口煤粉颗粒的W型运动轨迹，了解浓淡相煤粉气流的着火距离，探讨颗粒轨迹位置对水冷壁结渣及锅炉效率的影响等。

图2 虚拟仿真平台上的计算模型

图3 W火焰锅炉拱上不同二次风和拱下三次风风率配比改变时炉内速度分布（单位：m/s）

图4 W火焰锅炉拱上不同二次风和拱下三次风风率配比改变时炉内温度分布（单位：K）

图5 W火焰锅炉内煤粉颗粒温度轨迹（K）

4 虚实结合实验教学模式的效果

燃烧学课程实物实验与虚拟仿真一体化教学实践表明，①学生能够在实验中接触到基本的实验测量设备，了解实际燃烧设备内燃料的燃烧过程和调节燃烧状况的手段，及测试方法和判断依据。②依托学科优势，将学科科研资源与成果转化为虚拟实验的创新类实验教学内容，以计算机多媒体技术及数值模拟与仿真技术为支撑，自主开发的虚拟仿真实验，促进能源动力专业实验与学科科学研究的深度融合，使学生接触学科前沿科学问题。③实验教学过程中虚实结合，优势互补，同时在经济、环保和有限的学时内，保证实验内容的全面性和系统性。教学实践证明，学生的专业兴趣和创新意识明显提高。

5 结 语

虚实结合教学模式，形成理论教学与实验教学统筹协调的理念和氛围；将先进的教育理念和教学指导思想贯彻到相关实验教学工作中，实现理论教学与实践教学一体化。实物实验与虚拟实验相结合，多层次、多模块、相互衔接的科学实验教学体系。在实验内容、实验方法、实验设备和实验技术等方面紧密跟踪学科发展，不断提高和完善，激发了学生的学习热情，拓宽了学生视野，为其后续发展打好了基础，提高了燃烧学课程的教学成效。在今后的发展过程中，虚实结合的实验教学模式具有非常广阔的应用前景。