开源软件Cantera在燃烧理论课程教学中的实践与探讨

冯运超 马立坤 朱家健 赵玉新 那旭东

摘  要：文章简介了国防科技大学燃烧理论课程的基本情况，分析了课程教学过程中存在的主要问题，并提出燃烧学分析软件的学习将有助于促进学员对理论知识的理解。介绍了开源软件Cantera的主要功能，并探讨了Cantera在辅助教学时的可行性、主要优势、注意事项以及基本思路。在燃烧理论课程教学过程中，引导学员自主学习使用Cantera软件，并以课堂作业的形式使学员完成了层流预混火焰传播问题的求解。通过教学实践表明，利用开源软件Cantera辅助教学能够加深学员对抽象概念的理解，培养学员对燃烧理论知识的学习兴趣，锻炼学员自主学习能力，并提升学员的科研水平，获得了较好的教学效果。

关键词：开源软件;燃烧理论;教学实践;研究生课程

中图分类号：G642       文献标志码：A          文章编号：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

燃燒现象是人类最早发现和利用的自然现象，燃烧过程的利用极大地推动了人类文明的进步，同时也推动了燃烧科学的发展[1]。在当今社会，燃烧在工程技术领域应用非常广泛，特别是在航空航天领域，高温、高压、高速等极端条件下的燃烧现象广泛存在于喷气发动机中。在这类发动机中，通过燃烧过程可以将储存在推进剂中的化学能转化为热能，进一步在喷管中转化为工质的动能，并产生推力。燃烧过程作为喷气发动机中能量转化的主要途径，对航空航天技术的发展有着重要推动作用。燃烧过程是一个同时包含热量传递、动量传递、质量传递和快速化学反应的综合物理化学过程，因此，燃烧学也是一门包含化学动力学、热力学、反应流体力学、传热传质学的综合交叉学科，其理论知识体系涉及面广、难度系数大、发展更新快[2]。近年来，随着航空航天技术的发展，国内许多高校都将燃烧学作为一门专业课进行教学。

一、燃烧理论课程简介

（一）课程现状

国防科技大学的燃烧理论课程是本校空天科学学院开设的面向航空宇航推进理论与工程专业研究生的专业基础课程。本门课程共计54个学时，系统讲述燃烧学相关的基础理论，并讲授燃烧过程的分析方法。本课程的主要参考教材为2008年国防科技大学出版社出版的《火箭发动机燃烧原理》，授课内容以火箭发动机的燃烧过程为导向，讲授燃烧科学的基础理论和分析方法，特别强调突出空天发动机中常见的多相燃烧过程相关知识。主要包括燃烧学基础知识（第1-3章）、燃料着火理论（第4章）、气态燃料燃烧（第5-6章）、液态燃料燃烧（第7章）、固态燃料燃烧（第8章）以及课程实践（第9章），如表1所示。内容设置紧贴我院空天发动机研究方向的特色和学员专业知识学习需求，获得了学员的认可。

本门课程的前期预修课程包括流体力学、工程热力学、传热学、计算流体力学等，并为本专业学生后续所学的发动机燃烧过程数值分析和高等燃烧学两门课程提供基础理论。本课程的教学目标是通过讲授燃烧科学的基础理论和分析方法，使学生掌握气态、液态和固态燃料的燃烧特点和规律，系统学习和掌握各种燃烧问题的理论分析方法，加深对空天发动机内部燃烧过程的认识和理解，可为学生今后从事相关科研工作奠定坚实的理论基础。

选课学生主要是空天发动机研究方向的硕士研究生和低年级的博士研究生，包括军人学员、无军籍学员以及其他单位的委培学员等。学生来源复杂，专业基础知识差别较大。选课学生在学习完本课程以后将会逐步开展课题研究，需要具备应用所学知识解决科研问题的能力[3]。