計算流體力學(xué)在高校鍋爐原理課程教學(xué)中的應(yīng)用

管曉艷 董智廣

【摘要】鍋爐原理課程是能源與動力工程專業(yè)重要的專業(yè)課，具有較強的學(xué)科交叉性。為使教學(xué)內(nèi)容更加形象化，增強學(xué)生對理論知識的理解，本文提出將計算流體力學(xué)應(yīng)用于鍋爐原理課程的教學(xué)過程中。以煤粉燃燒器為例，采用計算流體力學(xué)軟件模擬燃燒器內(nèi)流動特性，通過較為直觀的方式讓學(xué)生掌握煤粉燃燒器的工作原理，增強了學(xué)生學(xué)習興趣，提高了教學(xué)效果。

【關(guān)鍵詞】計算流體力學(xué) 鍋爐原理 教學(xué)方法

【中圖分類號】G424 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2019）07-0242-01

一、前言

能源與動力工程專業(yè)是我國高等院校的傳統(tǒng)專業(yè)。鍋爐原理課程是能源與動力工程專業(yè)重要的專業(yè)課程。通過本課程的學(xué)習，學(xué)生可以掌握鍋爐的基本結(jié)構(gòu)和原理，了解鍋爐內(nèi)部的轉(zhuǎn)能轉(zhuǎn)換過程以及鍋爐安全經(jīng)濟運行的基本知識，為從事鍋爐相關(guān)行業(yè)的工作以及科學(xué)研究打下基礎(chǔ)。

二、鍋爐原理課程特點

鍋爐原理課程主要教學(xué)內(nèi)容包括：1）燃燒和燃燒特性；2）燃燒計算和熱平衡；3）制粉系統(tǒng)；4）燃燒設(shè)備及燃燒新技術(shù)；5）鍋爐內(nèi)各種換熱器；6）鍋爐熱力計算和受熱面布置?？梢婂仩t原理課程涉及的教學(xué)內(nèi)容廣而雜。“爐前”涉及制粉系統(tǒng)，“爐內(nèi)”涉及燃燒器、多種換熱器，“爐外”涉及尾部煙氣凈化。隨著先進技術(shù)的發(fā)展，在鍋爐原理教學(xué)過程中，除了傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容外，也在不斷融入國際上先進的煤粉燃燒新技術(shù)，豐富教學(xué)內(nèi)容。此外，鍋爐原理涉及傳熱學(xué)、工程熱力學(xué)、流體力學(xué)、燃燒學(xué)等多個學(xué)科領(lǐng)域。這對鍋爐原理課程的教學(xué)也提出了更高的要求。

三、計算流體力學(xué)在鍋爐原理教學(xué)中應(yīng)用舉例

近年來，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，多媒體教學(xué)被廣泛應(yīng)用到專業(yè)教學(xué)過程中。一部分教學(xué)內(nèi)容以圖片、動畫、聲音等方式在課堂上呈現(xiàn)出來，增強了學(xué)生對鍋爐設(shè)備結(jié)構(gòu)和工作原理的直觀認識，提高了教學(xué)效果。多媒體教學(xué)過程中素材的選擇是多媒體教學(xué)效果好壞的關(guān)鍵因素。

計算流體力學(xué)是20世紀60年代隨著計算機科學(xué)的發(fā)展而迅速崛起的一門學(xué)科。經(jīng)過多年的發(fā)展，多種計算流體力學(xué)軟件也應(yīng)運而生，在諸多工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。利用CFD軟件對模擬對象內(nèi)的流動特性進行模擬，可以獲取模擬對象內(nèi)部的濃度場、速度場、溫度場等信息，以矢量圖、等勢圖、云圖等多種類型的圖片或動態(tài)演示來反應(yīng)模擬對象內(nèi)的流場特點。

鍋爐設(shè)備中存在著廣泛的多相流問題。本文以煤粉燃燒器為例，采用計算流體力學(xué)軟件Fluent模擬燃燒器內(nèi)氣固流動特性。圖1為燃燒器內(nèi)煤粉濃度分布圖。由圖可見，高濃度的煤粉顆粒集中在隔板和濃側(cè)壁面之間，點火油槍布置在濃煤粉區(qū)域有利于煤粉的順利點火。圖2為煤粉燃燒器內(nèi)顆粒軌跡圖。由圖可見，5μm的顆粒具有較好的氣流跟隨性；隨著煤粉顆粒粒徑的增加，煤粉顆粒經(jīng)過葉片附近時被葉片阻擋，反彈至濃煤粉氣流測，形成高濃度區(qū)。除了上述的濃度圖、顆粒軌跡圖之外，還可以獲取燃燒器內(nèi)氣相和固相的速度圖、流場動態(tài)演示圖等。這些圖片和動態(tài)演示過程可以作為鍋爐原理課程多媒體教學(xué)過程的素材，豐富教學(xué)內(nèi)容。

四、總結(jié)

在傳授給學(xué)生鍋爐基本知識的同時，更要把國際上先進的鍋爐技術(shù)帶到課堂上，拓展學(xué)生視野。根據(jù)授課內(nèi)容合理設(shè)計多媒體教學(xué)過程，利用計算流體力學(xué)軟件模擬鍋爐相關(guān)設(shè)備流場特性，獲取的圖片或動態(tài)演示過程可以更加直觀地反應(yīng)設(shè)備的工作原理，有效補充教學(xué)過程中語言描述的不足。筆者在今后的教學(xué)過程中，將進一步完善教學(xué)過程設(shè)計，以計算流體力學(xué)為工具，充分發(fā)揮多媒體教學(xué)的優(yōu)勢，進一步提高教學(xué)效果。

參考文獻：

[1]顧海明，葛曉霞，畢小龍，等.“鍋爐原理”教學(xué)方法探討 [J].科教文匯，2017（9）.