數(shù)值模擬技術(shù)在燃燒學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用

伍永福 李姝婷

摘 要：本文以內(nèi)蒙古科技大學(xué)燃燒實驗室的多功能實驗臺為研究對象，在燃燒學(xué)實驗教學(xué)中借助數(shù)值模擬技術(shù)，通過建立統(tǒng)一的算例模型，利用高性能計算服務(wù)工作站，讓學(xué)生自由自在地開展燃燒學(xué)實驗，結(jié)合有限次數(shù)的實驗操作就得到預(yù)混火焰，擴散火焰以及半預(yù)混火焰等多種實驗的火焰變化規(guī)律，克服了燃燒實驗過程中多參數(shù)調(diào)試過程帶來的危險隱患，同時加深了同學(xué)們對燃燒實驗現(xiàn)象的直觀認(rèn)識。在實驗課程中，結(jié)合數(shù)值模擬實驗明顯提高了學(xué)生的實踐動手次數(shù)及操作水平，擴展了學(xué)生的燃燒學(xué)知識面及新思路，對培養(yǎng)工程技術(shù)類創(chuàng)新型人才具有很好的引領(lǐng)作用。

關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬；燃燒學(xué)；實驗教學(xué)

【中圖分類號】G 【文獻標(biāo)識碼】B 【文章編號】1008-1216（2018）05B-0057-02

在能源日趨緊張和環(huán)境日益嚴(yán)峻的當(dāng)下，能源與動力工程專業(yè)具有較強的綜合性、實踐性和創(chuàng)新性，是我國急需的專門工程技術(shù)人才最短缺的專業(yè)之一。實驗教學(xué)對提高學(xué)生的實踐動手能力和拓展學(xué)生知識結(jié)構(gòu)面及創(chuàng)新精神具有非常重要的作用 。燃燒學(xué)作為能源與動力工程專業(yè)四大專業(yè)基礎(chǔ)課之一，實驗教學(xué)是其重要的教學(xué)手段，它不僅能使學(xué)生加深對課堂教學(xué)內(nèi)容的理解，同時通過操作能使學(xué)生掌握燃燒的基本實驗方法，從而提高動手能力，培養(yǎng)創(chuàng)新思維能力。然而，燃燒實驗操作的隨意性及不可控性帶來的安全隱患，一直是阻礙燃燒學(xué)實驗開展的主要原因。近年來，隨著燃燒學(xué)理論的完善及數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，很多老師在實驗教學(xué)過程中引入數(shù)值模擬技術(shù)，直觀展示復(fù)雜、危險實驗過程及內(nèi)部機理，取得了很好的實驗教學(xué)效果。本文根據(jù)燃燒實驗教學(xué)的特點，引進數(shù)值模擬技術(shù)開展相關(guān)的實驗教學(xué)，以減少實驗的次數(shù)保證燃燒實驗的安全性，同時通過實驗現(xiàn)象與數(shù)值模擬的結(jié)果對比，讓學(xué)生進一步分析燃燒實驗現(xiàn)象的本質(zhì)特征，從而提高燃燒實驗的教學(xué)效果。

一、數(shù)值模擬技術(shù)在燃燒學(xué)實驗教學(xué)中的設(shè)計

（一） 燃燒數(shù)值實驗教學(xué)地點與時間的選擇

數(shù)值實驗教學(xué)地點和時間的選擇，最好采用開放性和自由輕松的環(huán)境，能提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，同時讓學(xué)生感覺做這樣的數(shù)值實驗跟玩游戲一樣輕松自在。因此，在布置任務(wù)時應(yīng)結(jié)合實驗的實際操作，提前安排學(xué)生了解模擬的內(nèi)容及任務(wù)要求，提供富裕的時間，讓學(xué)生自主選擇時間和地點完成燃燒過程的模擬，并總結(jié)模擬結(jié)果規(guī)律，以便于實驗驗證。

在燃燒數(shù)值模擬演示教學(xué)時，采用數(shù)值模擬軟件中燃燒模型演示從網(wǎng)格生成和邊界條件設(shè)置到數(shù)值模擬整個求解過程，考慮本科生的實際情況可簡單講解所采用的理論，詳細講解結(jié)果分析方法，以及邊界條件的變化設(shè)置。同時創(chuàng)造條件為學(xué)生提供基于高性能計算工作站和CFD軟件，建議學(xué)生通過互聯(lián)網(wǎng)PBS作業(yè)提交系統(tǒng)在線提交作業(yè)，讓計算工作站完成模擬計算過程，減少學(xué)生的實際作業(yè)時間。

（二）建立燃燒模擬實驗算例，形成統(tǒng)一算例模型

數(shù)值模擬實驗以內(nèi)蒙古科技大學(xué)燃燒實驗室的多功能實驗臺為研究對象，實驗室設(shè)備中共有四根管，分別是Ⅰ號長噴管，Ⅱ號長噴管，Ⅰ號短噴管以及Ⅱ號短噴管。此多功能燃燒實驗臺可以完成預(yù)混火焰，擴散火焰以及半預(yù)混火焰等多種實驗，從而得到不同燃氣、空氣流量和壓力下的火焰變化規(guī)律。由于本科生對燃燒機理及相關(guān)數(shù)學(xué)方程了解比較少，為了減少學(xué)生模擬誤差，教師在示范教學(xué)過程中，需要根據(jù)實驗臺的特點，建立統(tǒng)一的實驗網(wǎng)格模型（如下圖），并設(shè)置好燃燒模型參數(shù)，建立統(tǒng)一的算例模型，學(xué)生只需根據(jù)算例模型，計算不同燃氣、空氣流量和壓力下的火焰變化規(guī)律。

（三）結(jié)合創(chuàng)新課題，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力

由于燃燒學(xué)課堂教學(xué)和實驗教學(xué)的時間限制，可以在建立燃燒模擬實驗算例，形成統(tǒng)一算例模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)老師的科研任務(wù)及學(xué)生的興趣布置較為復(fù)雜或略有難度的模擬任務(wù)。例如，修改幾何模型、改變邊界條件及各種參數(shù)等，探索燃燒裝置對火焰結(jié)構(gòu)的影響。也可結(jié)合本科生的畢業(yè)設(shè)計，研究生的課題任務(wù)，教師的部分科研任務(wù)也可以交給一些學(xué)有余力并對科研感興趣的學(xué)生完成。這樣，既鞏固課堂所學(xué)內(nèi)容，又可以引導(dǎo)學(xué)生拓展燃燒學(xué)的知識面，有利于培養(yǎng)學(xué)生獨立創(chuàng)新的科研能力。

二、數(shù)值模擬在燃燒學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用效果

從燃燒數(shù)值模擬形成的火焰特性曲線，選擇一兩組數(shù)據(jù)在實驗臺開展實驗驗證，一般誤差保持在8%以內(nèi)，充分驗證實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。在燃燒學(xué)實驗過程中，結(jié)合數(shù)值模擬技術(shù)，在提高實驗次數(shù)的同時，也解決了燃燒的安全隱患，而且使學(xué)生各方面能力得到明顯提高。

（一）對燃燒本質(zhì)的認(rèn)識和相關(guān)知識掌握更為深刻

通過建立統(tǒng)一的算例模型，學(xué)生避開了燃燒數(shù)值模擬技術(shù)內(nèi)部的復(fù)雜原理，只要簡單地更改邊界條件就能得到相應(yīng)的火焰結(jié)構(gòu)，能很快激發(fā)學(xué)生的實驗興趣。同時學(xué)生借助數(shù)值模擬直觀動態(tài)的處理技術(shù)后，首先，對燃燒實驗和火焰現(xiàn)象有了直觀的認(rèn)識。其次，由于數(shù)值模擬所獲得云圖觀賞性強，燃燒后的火焰各種參數(shù)可以通過云圖或者動畫顯示出來，使學(xué)生對燃燒的本質(zhì)理解準(zhǔn)確，同時借助各種云圖參數(shù)及燃燒過程動畫，學(xué)生可自主將實驗現(xiàn)象與燃燒理論知識結(jié)合，明確實驗操作參數(shù)目的，借助理論知識預(yù)分析燃燒過程的實驗現(xiàn)象，并有針對性地提出問題、發(fā)現(xiàn)問題，從而，探索新的燃燒方法，以此提高其理論聯(lián)系實際的能力。

（二）燃燒實驗的安全性和學(xué)生實踐動手能力顯著提高

以氣體燃料的射流燃燒、火焰長度及火焰溫度的測定實驗為例，學(xué)生通過改變?nèi)細饬髁亢涂諝鈮毫?，利用?shù)值模擬很容易做出多種火焰長度和火焰溫度的云圖，從而，建立燃氣流速與火焰長度的關(guān)系，然后通過一兩次實際操作實驗獲得結(jié)果，就可以確定關(guān)系式的正確性。因此，大量減少了實際操作實驗的次數(shù)，增加了實驗的安全性。同時學(xué)生可以通過數(shù)值模擬結(jié)果預(yù)判實驗現(xiàn)象趨勢，討論燃燒實驗方案的不足之處，提出改進方案，從而進一步完善燃燒實驗過程。

一些學(xué)生通過燃燒實驗，不僅掌握了燃燒學(xué)的相關(guān)知識，同時通過數(shù)值模擬技術(shù)對流體流動、傳熱傳質(zhì)等相關(guān)知識的掌握提升到了更高層次。更重要的是，在智能制造的時代又掌握了數(shù)值模擬技術(shù)，為開展與專業(yè)密切相關(guān)的科研實驗實現(xiàn)數(shù)值化研究提供了基礎(chǔ)，對于學(xué)生畢業(yè)后的就業(yè)和考研都有積極的作用。

三、結(jié)論

燃燒學(xué)是能源與動力工程專業(yè)的一門專業(yè)必修基礎(chǔ)課，要求學(xué)生牢固掌握燃燒過程的規(guī)律與原理，實驗教學(xué)是其重要的教學(xué)內(nèi)容。本文以內(nèi)蒙古科技大學(xué)燃燒實驗室的多功能實驗臺為研究對象，通過建立統(tǒng)一的算例模型，借助CFD技術(shù)模擬得到預(yù)混火焰，擴散火焰以及半預(yù)混火焰等多種實驗的火焰變化規(guī)律，克服了燃燒實驗過程中多種數(shù)據(jù)調(diào)試過程帶來的危險隱患，同時加深了同學(xué)們對燃燒實驗現(xiàn)象的直觀認(rèn)識，提升了學(xué)生的實踐動手能力和實踐操作水平，對培養(yǎng)創(chuàng)新型人才具有積極的作用。

基金項目：內(nèi)蒙古科技大學(xué)教改項目（JY2014033，JY2013034）。

參考文獻：

[1]路勇，馬修真，韓偉，韓國臣，李玩幽.高校能源動力類專業(yè)實驗教學(xué)改革研究與探索[J].理工高教研究， 2010，（3）.

[2]胡曉紅，金晶.燃燒學(xué)實驗教學(xué)的改革與實踐[J].上海理工大學(xué)學(xué)報，2015，（3）.

[3]蔣光彪，陽杰，殷水平，何永森.流體數(shù)值實驗系統(tǒng)的構(gòu)建及在教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2015，（17）.