熱能與動力工程專業“燃料與燃燒”課程教學內容設計

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熱機專業的重要必修課程，針對我校教學和科研特點，結合“燃料與燃燒”課程復雜性、多學科交叉和技術更新快的特點，對課程教學內容的設計進行了探討，提出了課程教學內容的重點，以拓展學生的視野，培養高素質的創新型專業人才。

關鍵詞：燃燒；燃燒技術；教學內容；熱能與動力工程

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：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地位，約占全球能源消費的87%，而且在未來可以預見的時期內，全球能源結構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實問題。由于化石燃料的大規模使用，其所帶來的環境污染問題也日趨嚴重。目前，節能減排已成為世界各國當前和未來的重要發展目標。研究和開發高效、低污染燃燒裝置，提高燃料燃燒能量利用率，減少對環境的污染，是目前世界各國迫切需要解決的重大關鍵技術。

哈爾濱工程大學基于當前對節能減排的迫切需求，自2006年起，在動力與能源工程學院熱機專業本科教學計劃中，開設了“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專業培養計劃中開設了“高等燃燒學”和“燃燒學的理論方法及應用”等課程。

一、“燃料與燃燒”課程定位

哈爾濱工程大學作為工業和信息化部直屬學校，其動力與能源工程學院熱能與動力工程專業是國家級特色專業，同時擁有工信部教學中心和黑龍江省級教學示范中心。作為燃燒機械的基礎，“燃料與燃燒”與大學普通物理、工程熱力學和流體力學等多門基礎課程密切銜接，課程在科學理論指導下，密切聯系實際工程應用。通過課程學習，可以拓寬學生專業眼界，了解燃燒學科發展前沿和發展重點，培養學生綜合運用知識的能力和動手能力。“燃料與燃燒”課程對于培養學生的獨立思考能力、創新能力和團隊合作能力具有重要作用[1，2]。自2006年設課以來，“燃料與燃燒”一直作為本科熱能與動力工程專業的骨干基礎課程。

“燃料與燃燒”課程的教學水平直接影響我校熱機各專業方向的學生素質和教學質量。對“燃料與燃燒”課程進行教學內容改革，提高其教學質量，對于提升哈爾濱工程大學熱能與動力工程專業在國內的影響和地位具有重要意義。

二、“燃料與燃燒”課程教學內容設計

除基礎理論部分外，“燃料與燃燒”課程中工程應用部分教學內容更新很快。隨著科學技術的不斷發展，燃燒技術不斷進步，燃料及燃燒裝置不斷推陳出新，相應教學內容也需不斷隨時更新，要求授課教師有堅實和廣闊的理論基礎，掌握國內外燃燒理論和技術的最新發展。

哈爾濱工程大學是我國進行船舶動力裝置研究和培養該領域高層次創新人才的重要基地，近年來對高性能船舶動力裝置進行了大量深入的研究，承擔完成了包括工信部高技術船舶項目、省市部委項目和各級基金項目等多項課題研究，對發動機預混燃燒、擴散燃燒、均質燃燒、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外先進水平的研究成果，發表了大量的相關論文和專利。這些科研成果為“燃料與燃燒”課程教學和師資平臺搭建提供了豐富的資源，對“燃料與燃燒”的教學改革起到了很大的推動作用。

隨著燃料技術、燃燒技術和燃燒裝置的不斷發展和進步，為滿足教學需求，及時反映燃燒技術的最新進展，我校教學團隊編寫了《燃料與燃燒》本科教材。該教材是根據船舶動力裝置燃燒的特點，基于我校“三海一核”教學和學科的研究特色編寫的。《燃料與燃燒》教材系統闡述了燃燒的基本原理和理論；詳細講述了燃料動力學燃燒的計算方法，詳細論述了燃燒熱力學和燃燒化學反應動力學，著重介紹了船舶動力裝置涉及的預混燃燒和油滴蒸發控制的擴散燃燒；最后，為及時反映燃燒技術的研究進展，增添了新型船舶動力裝置所采用的高效低排放燃燒技術[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域相關教師及碩博研究生的研究成果和國內外最新研究進展。教材內容豐富新穎、專業針對性強，可為我校及其他院校熱能與動力工程專業各研究方向本科生奠定系統的專業理論知識。通過課程學習，使學生在掌握扎實理論知識的同時，獲取燃料與燃燒相關工程應用知識。教材強調了“燃料與燃燒”課程教學內容的系統性、理論性以及工程應用性，編寫過程中注重了教學內容的易懂性，和培養學生應用所學知識、實際動手實驗以及團隊合作的能力。

通過“燃料與燃燒”課程的教學，使學生對燃料性質、燃燒現象的本質以及燃燒基本理論有一定的認識，進而掌握燃燒技術中所必須的熱化學、燃燒動力學及燃燒過程的基本知識與基本理論。掌握動力機械中氣態、液態和固態燃料的相互關系和區別，以及它們的特性、燃燒特點和規律，包括閃點、著火點和自燃點，不同燃料閃點、著火點和自燃點的變化規律，以及著火的形式和條件、火焰的傳播、燃燒產物的生成機理等。課程側重預混氣的爆震、層流預混燃燒、氣體擴散燃燒和燃料液滴燃燒等與動力機械密切相關的燃燒理論[3]。

國內外對動力裝置節能減排的要求實質上推動了燃料、燃燒理論及燃燒裝置的快速發展，為確保“燃料與燃燒”課程教學內容能充分反映相關理論和技術的發展，最新國內外燃料技術、新型燃燒技術及燃燒裝置應作為課程教學的重點更新內容。“燃料與燃燒”課程先后介紹了燃料及燃料特性、化學反應動力學、燃燒理論和燃燒裝置等，涵蓋了燃料、燃料的燃燒計算、燃燒化學動力學、燃燒反應系統的守恒方程、著火理論和燃燒界限、預混燃燒、擴散燃燒、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內容。課程各教學模塊內容主要包括：（1）燃料，主要包括燃料的來源、種類、組成，燃料性質、參數及變化規律，燃料物性計算方法；（2）燃燒過程的物質平衡與熱平衡，包括生成焓、反應焓、燃燒焓，固體燃料、液體燃料和氣體燃料的理論空氣需求量，實際空氣供給量和空氣過量系數，完全燃燒產物生成量、成分和密度，不完全燃燒產物及燃燒過程的質量檢測，燃燒溫度和熱離解對燃燒溫度的影響；（3）燃燒與化學平衡，重點為化學反應速度及化學平衡，反應度與平衡常數的關系；（4）化學反應動力學，內容包括基元反應、質量作用定律、反應級數，化學反應速率及其影響因素、各種級的單步化學反應，鏈鎖反應；（5）燃燒系統守恒方程，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、強迫著火、熄火、著火爆炸與熄火現象為化學動力學控制的燃燒問題，燃燒界限的影響因素；（7）預混氣的燃燒，重點為燃燒波及其區別、瑞利公式、雨果尼奧曲線、雨果尼奧曲線上熵的分布、爆震波后已燃氣的速度與當地聲速的比較、查普曼-焦格特爆震波速度的確定、爆震波的速度、開爆震性和化學反應動力學決定的爆震極限；（8）層流預混火焰，主要包括熱理論，參數對火焰傳播速度的影響，火焰駐定原理，火焰淬熄；（9）層流擴散燃燒，主要內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）和層流擴散火焰射流（層流射流的混合和有化學反應的層流射流）；（10）氣體湍流燃燒，重點為湍流火焰的唯象方法；（11）液體燃料的擴散燃燒，主要包括單油滴的蒸發及質量燃燒速度，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，內容包括固體燃料的燃燒過程、固體碳粒的燃燒（擴散燃燒、動力燃燒和過渡燃燒）、碳粒燃燒的化學反應（碳和氧的反應、碳和二氧化碳的反應、碳和水蒸汽的反應、一氧化碳的分解反應）、多孔性碳粒的燃燒、二次反應對碳粒燃燒的影響、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理，影響污染物生成的因素，控制污染物排放的技術措施（改變燃燒途徑的措施和后處理措施）；（14）液體和氣體燃燒技術及燃燒裝置，主要包括船舶動力裝置（船舶柴油機、船用鍋爐和船用燃氣輪機等）的燃燒技術。

三、結論

“燃料與燃燒”是當今國內能源動力類本科專業前沿課程之一。作為哈爾濱工程大學動力與能源工程學院熱機專業方向的一門核心基礎課程，“燃料與燃燒”在我校熱能與動力工程本科教學體系中扮演著重要角色。通過對““燃料與燃燒”課程教學內容設計的探討，確定了以船舶動力裝置共性燃燒理論作為基本的教學內容，用國內外最新燃料與燃燒技術的發展更新課程教學內容，以期夯實學生的專業理論知識、擴展學生的眼界、提高學生的綜合素質。根據燃料和燃燒應用技術的發展，尤其是船舶發動機行業燃燒技術的發展，及時更新、豐富和優化課程教學內容，是實現課程教學目標、培養創新型人才的關鍵。通過教學內容的設計和改革，我校近幾年的教學實踐表明，“燃料與燃燒”課程教學取得了良好的效果。

參考文獻：

[1]蘇磊.《燃燒學》教學有感[J].中國科教創新導刊，2009，（34）：134.

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

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