熱能與動力工程專業(yè)“燃料與燃燒”課程教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

周松　馮永明　孫鳳賢　楊龍濱

摘要：“燃料與燃燒”課程是哈爾濱工程大學(xué)熱機(jī)專業(yè)的重要必修課程，針對我校教學(xué)和科研特點(diǎn)，結(jié)合“燃料與燃燒”課程復(fù)雜性、多學(xué)科交叉和技術(shù)更新快的特點(diǎn)，對課程教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計進(jìn)行了探討，提出了課程教學(xué)內(nèi)容的重點(diǎn)，以拓展學(xué)生的視野，培養(yǎng)高素質(zhì)的創(chuàng)新型專業(yè)人才。

關(guān)鍵詞：燃燒；燃燒技術(shù)；教學(xué)內(nèi)容；熱能與動力工程

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）21-0055-02

目前，化石燃料在世界各國能源中占有主導(dǎo)地位，約占全球能源消費(fèi)的87%，而且在未來可以預(yù)見的時期內(nèi)，全球能源結(jié)構(gòu)仍是以化石燃料為主，其他新型能源為輔的格局。隨著社會和科技的發(fā)展，對能源的需求越來越多，能源短缺已成為一個全球各國共同面臨的現(xiàn)實(shí)問題。由于化石燃料的大規(guī)模使用，其所帶來的環(huán)境污染問題也日趨嚴(yán)重。目前，節(jié)能減排已成為世界各國當(dāng)前和未來的重要發(fā)展目標(biāo)。研究和開發(fā)高效、低污染燃燒裝置，提高燃料燃燒能量利用率，減少對環(huán)境的污染，是目前世界各國迫切需要解決的重大關(guān)鍵技術(shù)。

哈爾濱工程大學(xué)基于當(dāng)前對節(jié)能減排的迫切需求，自2006年起，在動力與能源工程學(xué)院熱機(jī)專業(yè)本科教學(xué)計劃中，開設(shè)了“燃料與燃燒”課程；自2007年起，分別在碩士研究生和博士研究生相關(guān)專業(yè)培養(yǎng)計劃中開設(shè)了“高等燃燒學(xué)”和“燃燒學(xué)的理論方法及應(yīng)用”等課程。

一、“燃料與燃燒”課程定位

哈爾濱工程大學(xué)作為工業(yè)和信息化部直屬學(xué)校，其動力與能源工程學(xué)院熱能與動力工程專業(yè)是國家級特色專業(yè)，同時擁有工信部教學(xué)中心和黑龍江省級教學(xué)示范中心。作為燃燒機(jī)械的基礎(chǔ)，“燃料與燃燒”與大學(xué)普通物理、工程熱力學(xué)和流體力學(xué)等多門基礎(chǔ)課程密切銜接，課程在科學(xué)理論指導(dǎo)下，密切聯(lián)系實(shí)際工程應(yīng)用。通過課程學(xué)習(xí)，可以拓寬學(xué)生專業(yè)眼界，了解燃燒學(xué)科發(fā)展前沿和發(fā)展重點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用知識的能力和動手能力。“燃料與燃燒”課程對于培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考能力、創(chuàng)新能力和團(tuán)隊合作能力具有重要作用[1，2]。自2006年設(shè)課以來，“燃料與燃燒”一直作為本科熱能與動力工程專業(yè)的骨干基礎(chǔ)課程。

“燃料與燃燒”課程的教學(xué)水平直接影響我校熱機(jī)各專業(yè)方向的學(xué)生素質(zhì)和教學(xué)質(zhì)量。對“燃料與燃燒”課程進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容改革，提高其教學(xué)質(zhì)量，對于提升哈爾濱工程大學(xué)熱能與動力工程專業(yè)在國內(nèi)的影響和地位具有重要意義。

二、“燃料與燃燒”課程教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

除基礎(chǔ)理論部分外，“燃料與燃燒”課程中工程應(yīng)用部分教學(xué)內(nèi)容更新很快。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，燃燒技術(shù)不斷進(jìn)步，燃料及燃燒裝置不斷推陳出新，相應(yīng)教學(xué)內(nèi)容也需不斷隨時更新，要求授課教師有堅實(shí)和廣闊的理論基礎(chǔ)，掌握國內(nèi)外燃燒理論和技術(shù)的最新發(fā)展。

哈爾濱工程大學(xué)是我國進(jìn)行船舶動力裝置研究和培養(yǎng)該領(lǐng)域高層次創(chuàng)新人才的重要基地，近年來對高性能船舶動力裝置進(jìn)行了大量深入的研究，承擔(dān)完成了包括工信部高技術(shù)船舶項目、省市部委項目和各級基金項目等多項課題研究，對發(fā)動機(jī)預(yù)混燃燒、擴(kuò)散燃燒、均質(zhì)燃燒、稀薄燃燒和低溫燃燒等燃燒模式均有深入的研究，取得了多項具有國內(nèi)外先進(jìn)水平的研究成果，發(fā)表了大量的相關(guān)論文和專利。這些科研成果為“燃料與燃燒”課程教學(xué)和師資平臺搭建提供了豐富的資源，對“燃料與燃燒”的教學(xué)改革起到了很大的推動作用。

隨著燃料技術(shù)、燃燒技術(shù)和燃燒裝置的不斷發(fā)展和進(jìn)步，為滿足教學(xué)需求，及時反映燃燒技術(shù)的最新進(jìn)展，我校教學(xué)團(tuán)隊編寫了《燃料與燃燒》本科教材。該教材是根據(jù)船舶動力裝置燃燒的特點(diǎn)，基于我?！叭Ｒ缓恕苯虒W(xué)和學(xué)科的研究特色編寫的?！度剂吓c燃燒》教材系統(tǒng)闡述了燃燒的基本原理和理論；詳細(xì)講述了燃料動力學(xué)燃燒的計算方法，詳細(xì)論述了燃燒熱力學(xué)和燃燒化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)，著重介紹了船舶動力裝置涉及的預(yù)混燃燒和油滴蒸發(fā)控制的擴(kuò)散燃燒；最后，為及時反映燃燒技術(shù)的研究進(jìn)展，增添了新型船舶動力裝置所采用的高效低排放燃燒技術(shù)[3]。在教材的編撰過程中，大量引用了我校燃燒理論和燃燒裝置研究領(lǐng)域相關(guān)教師及碩博研究生的研究成果和國內(nèi)外最新研究進(jìn)展。教材內(nèi)容豐富新穎、專業(yè)針對性強(qiáng)，可為我校及其他院校熱能與動力工程專業(yè)各研究方向本科生奠定系統(tǒng)的專業(yè)理論知識。通過課程學(xué)習(xí)，使學(xué)生在掌握扎實(shí)理論知識的同時，獲取燃料與燃燒相關(guān)工程應(yīng)用知識。教材強(qiáng)調(diào)了“燃料與燃燒”課程教學(xué)內(nèi)容的系統(tǒng)性、理論性以及工程應(yīng)用性，編寫過程中注重了教學(xué)內(nèi)容的易懂性，和培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識、實(shí)際動手實(shí)驗以及團(tuán)隊合作的能力。

通過“燃料與燃燒”課程的教學(xué)，使學(xué)生對燃料性質(zhì)、燃燒現(xiàn)象的本質(zhì)以及燃燒基本理論有一定的認(rèn)識，進(jìn)而掌握燃燒技術(shù)中所必須的熱化學(xué)、燃燒動力學(xué)及燃燒過程的基本知識與基本理論。掌握動力機(jī)械中氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)燃料的相互關(guān)系和區(qū)別，以及它們的特性、燃燒特點(diǎn)和規(guī)律，包括閃點(diǎn)、著火點(diǎn)和自燃點(diǎn)，不同燃料閃點(diǎn)、著火點(diǎn)和自燃點(diǎn)的變化規(guī)律，以及著火的形式和條件、火焰的傳播、燃燒產(chǎn)物的生成機(jī)理等。課程側(cè)重預(yù)混氣的爆震、層流預(yù)混燃燒、氣體擴(kuò)散燃燒和燃料液滴燃燒等與動力機(jī)械密切相關(guān)的燃燒理論[3]。

國內(nèi)外對動力裝置節(jié)能減排的要求實(shí)質(zhì)上推動了燃料、燃燒理論及燃燒裝置的快速發(fā)展，為確?！叭剂吓c燃燒”課程教學(xué)內(nèi)容能充分反映相關(guān)理論和技術(shù)的發(fā)展，最新國內(nèi)外燃料技術(shù)、新型燃燒技術(shù)及燃燒裝置應(yīng)作為課程教學(xué)的重點(diǎn)更新內(nèi)容?！叭剂吓c燃燒”課程先后介紹了燃料及燃料特性、化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)、燃燒理論和燃燒裝置等，涵蓋了燃料、燃料的燃燒計算、燃燒化學(xué)動力學(xué)、燃燒反應(yīng)系統(tǒng)的守恒方程、著火理論和燃燒界限、預(yù)混燃燒、擴(kuò)散燃燒、液體燃料的燃燒、固體燃料燃燒、燃燒排放控制和燃燒裝置等方面的教學(xué)內(nèi)容。課程各教學(xué)模塊內(nèi)容主要包括：（1）燃料，主要包括燃料的來源、種類、組成，燃料性質(zhì)、參數(shù)及變化規(guī)律，燃料物性計算方法；（2）燃燒過程的物質(zhì)平衡與熱平衡，包括生成焓、反應(yīng)焓、燃燒焓，固體燃料、液體燃料和氣體燃料的理論空氣需求量，實(shí)際空氣供給量和空氣過量系數(shù)，完全燃燒產(chǎn)物生成量、成分和密度，不完全燃燒產(chǎn)物及燃燒過程的質(zhì)量檢測，燃燒溫度和熱離解對燃燒溫度的影響；（3）燃燒與化學(xué)平衡，重點(diǎn)為化學(xué)反應(yīng)速度及化學(xué)平衡，反應(yīng)度與平衡常數(shù)的關(guān)系；（4）化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)，內(nèi)容包括基元反應(yīng)、質(zhì)量作用定律、反應(yīng)級數(shù)，化學(xué)反應(yīng)速率及其影響因素、各種級的單步化學(xué)反應(yīng)，鏈鎖反應(yīng)；（5）燃燒系統(tǒng)守恒方程，分子傳輸方程，基本守恒方程，流動邊界與熱邊界層；（6）著火和燃燒界限，熱自燃理論、強(qiáng)迫著火、熄火、著火爆炸與熄火現(xiàn)象為化學(xué)動力學(xué)控制的燃燒問題，燃燒界限的影響因素；（7）預(yù)混氣的燃燒，重點(diǎn)為燃燒波及其區(qū)別、瑞利公式、雨果尼奧曲線、雨果尼奧曲線上熵的分布、爆震波后已燃?xì)獾乃俣扰c當(dāng)?shù)芈曀俚谋容^、查普曼-焦格特爆震波速度的確定、爆震波的速度、開爆震性和化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)決定的爆震極限；（8）層流預(yù)混火焰，主要包括熱理論，參數(shù)對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?，火焰駐定原理，火焰淬熄；（9）層流擴(kuò)散燃燒，主要內(nèi)容為伯克和舒曼理論的基本假定和求解方法、燃料射流的唯象分析（層流火焰高度和湍流火焰高度）和層流擴(kuò)散火焰射流（層流射流的混合和有化學(xué)反應(yīng)的層流射流）；（10）氣體湍流燃燒，重點(diǎn)為湍流火焰的唯象方法；（11）液體燃料的擴(kuò)散燃燒，主要包括單油滴的蒸發(fā)及質(zhì)量燃燒速度，氣流中的燃料液滴，火焰的位置、燃料蒸汽、氧氣、產(chǎn)物及溫度的分布、噴霧燃燒及油滴群燃燒；（12）固體燃料的燃燒，內(nèi)容包括固體燃料的燃燒過程、固體碳粒的燃燒（擴(kuò)散燃燒、動力燃燒和過渡燃燒）、碳粒燃燒的化學(xué)反應(yīng)（碳和氧的反應(yīng)、碳和二氧化碳的反應(yīng)、碳和水蒸汽的反應(yīng)、一氧化碳的分解反應(yīng)）、多孔性碳粒的燃燒、二次反應(yīng)對碳粒燃燒的影響、碳粒燃燒速率及燃盡時間、灰分對碳燃燒的影響、固體燃料的燃燒方式和燃燒裝置；（13）燃燒排放控制，包括燃燒過程中NOx、SOx和顆粒等污染物的生成機(jī)理，影響污染物生成的因素，控制污染物排放的技術(shù)措施（改變?nèi)紵緩降拇胧┖秃筇幚泶胧?；?4）液體和氣體燃燒技術(shù)及燃燒裝置，主要包括船舶動力裝置（船舶柴油機(jī)、船用鍋爐和船用燃?xì)廨啓C(jī)等）的燃燒技術(shù)。

三、結(jié)論

“燃料與燃燒”是當(dāng)今國內(nèi)能源動力類本科專業(yè)前沿課程之一。作為哈爾濱工程大學(xué)動力與能源工程學(xué)院熱機(jī)專業(yè)方向的一門核心基礎(chǔ)課程，“燃料與燃燒”在我校熱能與動力工程本科教學(xué)體系中扮演著重要角色。通過對““燃料與燃燒”課程教學(xué)內(nèi)容設(shè)計的探討，確定了以船舶動力裝置共性燃燒理論作為基本的教學(xué)內(nèi)容，用國內(nèi)外最新燃料與燃燒技術(shù)的發(fā)展更新課程教學(xué)內(nèi)容，以期夯實(shí)學(xué)生的專業(yè)理論知識、擴(kuò)展學(xué)生的眼界、提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。根據(jù)燃料和燃燒應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，尤其是船舶發(fā)動機(jī)行業(yè)燃燒技術(shù)的發(fā)展，及時更新、豐富和優(yōu)化課程教學(xué)內(nèi)容，是實(shí)現(xiàn)課程教學(xué)目標(biāo)、培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的關(guān)鍵。通過教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計和改革，我校近幾年的教學(xué)實(shí)踐表明，“燃料與燃燒”課程教學(xué)取得了良好的效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]蘇磊.《燃燒學(xué)》教學(xué)有感[J].中國科教創(chuàng)新導(dǎo)刊，2009，（34）：134.

[2]曹玉春，吳金星，焦森林.熱能動力專業(yè)“燃燒學(xué)”課程教學(xué)的改革與創(chuàng)新[J].中國電力教育，2010，（4）：69-71.

[3]周松，孫鳳賢.燃料與燃燒[M].哈爾濱工程大學(xué)出版社，2016（即將出版）.