虛擬試驗(yàn)在“鍋爐原理”教學(xué)中的應(yīng)用

摘要：為了在教學(xué)過(guò)程中使理論知識(shí)形象化，提出將虛擬試驗(yàn)應(yīng)用于“鍋爐原理”教學(xué)過(guò)程中。以直流煤粉燃燒器四角布置切圓燃燒方式為例，給出了通過(guò)虛擬試驗(yàn)得到的結(jié)果，并按教學(xué)過(guò)程中的講解方式展示出來(lái)。通過(guò)該實(shí)例可明顯看出，虛擬試驗(yàn)將抽象的文字描述形象化，可增強(qiáng)學(xué)生對(duì)鍋爐結(jié)構(gòu)及其工作原理的學(xué)習(xí)興趣，提升課堂教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：虛擬試驗(yàn)；鍋爐原理；教學(xué)；切向燃燒

作者簡(jiǎn)介：張維蔚（1978-），女，內(nèi)蒙古呼和浩特人，內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，講師。（內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）張偉杰（1978-），男，內(nèi)蒙古呼和浩特人，中國(guó)航天科工集團(tuán)第六研究院，工程師。（內(nèi)蒙古 呼和浩特 010072）

基金項(xiàng)目：本文系內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)校基金項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：200828）、內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)校級(jí)教改項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2013028）的研究成果。

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2013）22-0168-02

“鍋爐原理”是熱能與動(dòng)力工程專(zhuān)業(yè)的主要專(zhuān)業(yè)課之一。該課程以電站煤粉鍋爐為教學(xué)對(duì)象，系統(tǒng)地闡述了電站鍋爐的主要系統(tǒng)、主要設(shè)備及工作原理，內(nèi)容包括鍋爐用燃料、煤粉制備系統(tǒng)及設(shè)備、燃燒基本理論及燃燒設(shè)備、鍋爐主要受熱面、蒸汽凈化及鍋爐機(jī)組的熱力計(jì)算方法等。通過(guò)“鍋爐原理”課程教學(xué)可讓學(xué)生認(rèn)識(shí)和了解鍋爐，掌握有關(guān)鍋爐的設(shè)備構(gòu)造、工作原理、設(shè)計(jì)選型等有關(guān)知識(shí)。[1]

“鍋爐原理”是一門(mén)經(jīng)典的傳統(tǒng)專(zhuān)業(yè)課程，很多教學(xué)工作者在鍋爐教學(xué)過(guò)程中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。專(zhuān)業(yè)課程的教學(xué)內(nèi)容與基礎(chǔ)課程有所不同，知識(shí)點(diǎn)既與基礎(chǔ)課內(nèi)容聯(lián)系，又與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)。這就要求課程教學(xué)過(guò)程中既能及時(shí)地反映相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，又要注重與基礎(chǔ)理論知識(shí)結(jié)合。

“鍋爐原理”教學(xué)過(guò)程中，如何采用現(xiàn)代教學(xué)手段使學(xué)生更好地了解鍋爐的結(jié)構(gòu)及其工作原理是每一位“鍋爐原理”課程的任課教師所面臨的最棘手的問(wèn)題。傳統(tǒng)的教學(xué)方式是通過(guò)教材的圖片并輔之以語(yǔ)言描述來(lái)講解鍋爐的結(jié)構(gòu)和工作原理，這種教學(xué)方式對(duì)理論的講述較為抽象、不易理解。[2]現(xiàn)代教學(xué)中加入了多媒體教學(xué)、模型教學(xué)等現(xiàn)代教學(xué)手段，在結(jié)構(gòu)講解中起到了較好的效果，但也不能把抽象的理論形象化。

針對(duì)這種情況，筆者提出將虛擬試驗(yàn)應(yīng)用于“鍋爐原理”課程的教學(xué)過(guò)程，即利用虛擬試驗(yàn)將一些較為抽象的理論或者在真實(shí)試驗(yàn)中難以測(cè)出的數(shù)據(jù)以圖片的形式展示出來(lái)，通過(guò)鍋爐結(jié)構(gòu)和工作原理仿真的方式，以增強(qiáng)學(xué)生對(duì)鍋爐原理某些知識(shí)的認(rèn)識(shí)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動(dòng)性，優(yōu)化教師的課堂教學(xué)過(guò)程，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

一、虛擬試驗(yàn)介紹

本文提到的虛擬試驗(yàn)實(shí)際上是使用計(jì)算流體力學(xué)軟件來(lái)模擬鍋爐中煙氣、工質(zhì)的流動(dòng)、傳熱等過(guò)程，并給出模擬計(jì)算的結(jié)果。

計(jì)算流體力學(xué)是近代流體力學(xué)、數(shù)值數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)結(jié)合的產(chǎn)物，是一門(mén)具有強(qiáng)大生命力的邊緣科學(xué)。它以電子計(jì)算機(jī)為工具，應(yīng)用各種離散化的數(shù)學(xué)方法，對(duì)流體力學(xué)的各類(lèi)問(wèn)題進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn)、計(jì)算機(jī)模擬和分析研究，以解決各種實(shí)際問(wèn)題。目前只要是與流體、傳熱及化學(xué)反應(yīng)等有關(guān)的工業(yè)均可使用，是除了真實(shí)試驗(yàn)之外的“虛擬試驗(yàn)”，可以給出真實(shí)試驗(yàn)?zāi)軌驕y(cè)量到的流體的速度分布、溫度分布、濃度分布等參數(shù)，而這些內(nèi)容也恰好是“鍋爐原理”教學(xué)中涉及到的。采用虛擬試驗(yàn)方法，可在不做實(shí)驗(yàn)的情況下，仍能形象地向?qū)W生展示鍋爐中煙氣、工質(zhì)等流體真實(shí)的流動(dòng)、傳熱等情況，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量。

二、“鍋爐原理”教學(xué)中虛擬試驗(yàn)的應(yīng)用實(shí)例

“鍋爐原理”教學(xué)中涉及煙氣、工質(zhì)流動(dòng)、傳熱、燃燒的知識(shí)點(diǎn)較多，例如爐膛內(nèi)煤粉氣流的燃燒過(guò)程、煙道中煙氣的流動(dòng)、受熱面管內(nèi)工質(zhì)的流動(dòng)等等。本文以直流燃燒器四角切圓燃燒為例，介紹虛擬試驗(yàn)在“鍋爐原理”教學(xué)中的應(yīng)用。

直流煤粉燃燒器四角布置切圓燃燒方式是現(xiàn)代大型煤粉鍋爐主要的燃燒方式之一，應(yīng)用非常廣泛。直流燃燒器四角切圓燃燒方式中，燃燒器布置在爐膛四個(gè)角上，為便于描述，四個(gè)角分別記為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，如圖1所示。四個(gè)角上布置的直流煤粉燃燒器射出的四股氣流在爐膛中心形成一個(gè)穩(wěn)定的強(qiáng)烈旋轉(zhuǎn)火炬，在離心力的作用下，氣流向四周擴(kuò)展，爐膛中心形成真空，即無(wú)風(fēng)區(qū)；無(wú)風(fēng)區(qū)的外面是氣流強(qiáng)烈旋轉(zhuǎn)的強(qiáng)風(fēng)區(qū)；最外圍是弱風(fēng)區(qū)。不同的區(qū)域由于壓力不同，所以氣流的流動(dòng)方向是不同的。要充分說(shuō)明直流煤粉燃燒器四角切圓燃燒方式下?tīng)t膛內(nèi)空氣動(dòng)力特性對(duì)燃燒的影響，需要對(duì)氣流的流動(dòng)方式加以分析說(shuō)明。

本文以虛擬試驗(yàn)方式介紹的是燃用煙煤的410t/h煤粉鍋爐直流煤粉燃燒器四角切圓燃燒方式下二次風(fēng)形成的爐膛冷態(tài)空氣動(dòng)力特性。鍋爐的爐膛深度為8.81m，爐膛寬度為9.6m，二次風(fēng)速為40m/s，二次風(fēng)在爐膛中心形成了直徑為85600mm的假想切圓，如圖1所示。

當(dāng)二次風(fēng)速為40m/s時(shí)，二次風(fēng)在爐內(nèi)形成的強(qiáng)烈旋轉(zhuǎn)氣流的速度矢量圖和壓力等高線圖如圖2（a）、（b）所示。從圖2（a）可以看出，四個(gè)角上布置的燃燒器射出的四股氣流在爐膛中心形成一個(gè)穩(wěn)定的強(qiáng)烈旋轉(zhuǎn)火炬。在煤粉氣流實(shí)際燃燒過(guò)程中，這種流動(dòng)方式每支氣流都會(huì)受到來(lái)自上游鄰角氣流的沖擊，會(huì)被上游氣流加熱，使之可以著火燃燒，并以此再去點(diǎn)燃下游鄰角的氣流，使相鄰煤粉氣流互相引燃，對(duì)煤粉氣流的著火燃燒非常有利。

另外，由于離心力作用，旋轉(zhuǎn)氣流使?fàn)t膛中心的無(wú)風(fēng)區(qū)形成負(fù)壓，從圖2（b）可以看出，無(wú)風(fēng)區(qū)壓力較周?chē)鷧^(qū)域要低很多，這樣上、下壓力較高區(qū)域的高溫?zé)煔饩蜁?huì)回流到此區(qū)域，可以卷席到部分的高溫?zé)煔猓诿悍蹥饬鲗?shí)際燃燒過(guò)程中對(duì)煤粉氣流的著火燃燒也是非常有利的。另外，切圓燃燒方式使煤粉氣流呈螺旋形旋轉(zhuǎn)上升，也延長(zhǎng)了煤粉在爐內(nèi)的停留時(shí)間。

再以噴口Ⅰ為例，從圖2（a）可以看出，由于四股氣流在爐膛內(nèi)要形成假想切圓，因此氣流從燃燒器噴口噴入爐膛時(shí)與相鄰兩壁面夾角并不是相等的，即圖1中的夾角α>β，所以氣流噴入爐膛后卷吸兩側(cè)高溫?zé)煔獾那闆r不同，氣流兩側(cè)的速度矢量分布也不相同。從圖2（a）可以看到氣流從噴口Ⅰ噴出后的速度矢量，夾角α區(qū)域的氣流速度方向是朝向主氣流的，而夾角β區(qū)域的氣流速度方向與主氣流速度方向類(lèi)似，這充分說(shuō)明α側(cè)補(bǔ)氣條件比β側(cè)要充分。從圖2（b）也可以看到噴口Ⅰ附近的壓力分布，α側(cè)和β側(cè)的壓力分布也是不同的。

圖1 四角切圓燃燒的爐內(nèi)空氣動(dòng)力特性圖

圖2 四角切圓燃燒二次風(fēng)速度矢量圖和壓力等高圖

在鍋爐實(shí)際運(yùn)行中，為了使直流煤粉燃燒器四角布置切圓燃燒方式得到良好的爐內(nèi)空氣動(dòng)力特性，四角配風(fēng)必須均勻。因?yàn)橄噜弮山巧淞飨嗷プ饔茫绻滹L(fēng)不均勻會(huì)造成切圓位置偏斜。圖3是噴口Ⅱ氣流速度偏低時(shí)爐膛內(nèi)的速度矢量圖。由于噴口Ⅱ氣流速度偏低，導(dǎo)致動(dòng)量降低而使剛性減弱，在噴口Ⅰ的射流作用下偏轉(zhuǎn)增大而有貼近后墻的趨勢(shì)，而且這種情況下四股氣流的作用點(diǎn)發(fā)生改變，噴口Ⅳ的射流也有貼近前墻的趨勢(shì)。另外，從圖3還可以看出，由于四股氣流速度不同，假想切圓中心位置發(fā)生了明顯偏斜，而且氣流擾動(dòng)趨勢(shì)較圖2也有明顯減弱。這種情況不僅影響燃燒，而且會(huì)造成局部水冷壁結(jié)渣。[3]

圖3 噴口Ⅱ氣流速度偏低時(shí)爐膛內(nèi)空氣動(dòng)力特性

通過(guò)上述幾張圖，可以清楚、形象地向?qū)W生展示四角切圓燃燒爐膛內(nèi)的空氣動(dòng)力特性，彌補(bǔ)了語(yǔ)言描述存在的不足，會(huì)在學(xué)生心中留下較深刻的印象，有助于加強(qiáng)課堂的教學(xué)效果。上述例子是通過(guò)二次風(fēng)形成的空氣動(dòng)力特性分析了對(duì)煤粉氣流燃燒的影響，虛擬試驗(yàn)中還可以考慮煤粉氣流的流動(dòng)以及燃燒過(guò)程。

三、結(jié)語(yǔ)

課堂教學(xué)過(guò)程中，任課教師可將虛擬試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果以圖片的形式向?qū)W生展示，圖片中有詳細(xì)的流體速度分布、壓力分布或者溫度分布等信息，并可根據(jù)教學(xué)情況改變某些參數(shù)，重新得到試驗(yàn)結(jié)果。通過(guò)這一教學(xué)環(huán)節(jié)，學(xué)生會(huì)對(duì)這一部分內(nèi)容中涉及到的流體流動(dòng)、傳熱等方面的內(nèi)容以及在鍋爐中的應(yīng)用有深刻的認(rèn)識(shí)。

本論文僅以直流燃燒器切向燃燒為例介紹了虛擬試驗(yàn)，除此之外，“鍋爐原理”教學(xué)中這種鍋爐結(jié)構(gòu)與流體流動(dòng)、傳熱結(jié)合的例子很多，都可采用現(xiàn)代教學(xué)方法結(jié)合虛擬試驗(yàn)向?qū)W生展示。將虛擬試驗(yàn)應(yīng)用于熱能與動(dòng)力工程專(zhuān)業(yè)“鍋爐原理”的教學(xué)過(guò)程，將虛擬試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果和教師的課堂講授有機(jī)結(jié)合，可使抽象的內(nèi)容具體、形象化，有效地調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；另外，也可以使任課教師有效地組織教學(xué)活動(dòng)，提升課堂教學(xué)效果。這樣不僅使學(xué)生對(duì)鍋爐結(jié)構(gòu)有深刻的認(rèn)識(shí)，還可以與專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課緊密結(jié)合，為電力系統(tǒng)培養(yǎng)理論基礎(chǔ)扎實(shí)、實(shí)踐能力強(qiáng)的優(yōu)秀人才。

參考文獻(xiàn)：

[1]葉江明.電廠鍋爐原理及設(shè)備[M].北京：中國(guó)電力出版社，2008.

[2]車(chē)德勇，王虎，張立棟.動(dòng)畫(huà)仿真技術(shù)在“鍋爐原理”課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國(guó)電力教育，2008，（5）.

[3]岑可法.鍋爐燃燒試驗(yàn)研究方法及測(cè)量技術(shù)[M].北京：水利電力出版社，1987.

（責(zé)任編輯：孫晴）