CFD軟件在“燃燒學”教學中的實踐與探討

范寶偉+潘劍鋒+潘振華+唐愛坤+邵霞

摘 要：本文簡要分析了“燃燒學”教學過程中存在的問題，并介紹了CFD（Computational Fluid Dynamics）技術以及CFD軟件的代表Star-CD。針對熱能與動力工程專業學生在學習“燃燒學”課程中液體燃料噴射和擴散火焰這部分時所面臨的難點，根據在“燃燒學”科研與教學實踐中的經驗，將CFD軟件演示教學應用到了“燃燒學”課程的教學中。通過使用CFD軟件的模擬配合多媒體技術的使用，使學生非常直觀的了解了液體燃料的霧化、擴散和燃燒的整個過程。結果表明，該方法對促進學生學習基礎知識以及加強工程實踐能力都具有顯著的促進作用，取得了良好的教學效果，同時也豐富了“燃燒學”課程的教學方法。

關鍵詞：燃燒學 CFD軟件 Star-CD 多媒體教學

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）10（c）-0197-02

“燃燒學”是由熱力學、化學動力學、流體力學和傳熱傳質學等組成的一門科學，是研究燃料和氧化劑進行物理準備過程以及激烈化學反應的一門學科。它又是一門應用面廣泛的專業基礎課，是工程熱物理學科、動力機械及工程學科的重要研究內容和組成部分，其建立在流體力學、傳熱學、工程熱力學等課程相關知識的基礎上，也是后續專業課如內燃機設計、燃燒污染與控制、燃燒技術與測試等課程的學習基礎。隨著能源和環境危機的加劇以及我國對節能減排這一項基本國策的深入推進，“燃燒學”作為能源動力類專業的一門重要專業課，其重要性得到不斷凸顯[1]。

1 燃燒課程存在的問題

“燃燒學”的課程內容涉及到傳熱、傳質、化學反應等過程，難度系數較大。其以高等數學、流體力學、傳熱學、工程熱力學等為先修課程，對學生的理論學習基礎要求較高[2]。正因上述原因，學生在面臨同時涉及多個課程知識的復雜章節時，有時會表現出似懂非懂、不知所措的表情。隨著課程難度的增加，一些學生就表現出學習基礎不牢、學習興趣缺乏的現象。比如，在學習“燃燒學”課程中的液體燃料噴射和擴散火焰這一章節時，由于該部分內容涉及到氣流運動、液體燃料液滴的蒸發以及擴散燃燒等知識，學生很容易因為概念抽象、知識面廣以及教學方法枯燥等多方面原因而導致學習效果不佳。因此，這種情況下為學生提供一種直觀、生動、趣味性強的教學過程就顯得十分重要。

2 CFD技術簡介

隨著計算機性能的快速發展，現階段CFD（Computa tional Fluid Dynamics）技術被普遍應用于解決燃燒問題并已經取得了可喜的進展[3]。作為CFD軟件之一的STAR-CD（Simulation of turbulent flow in Arbitrary Regions和Computational Dynamics Ltd的合并簡稱）是全球第一個采用完全非結構化網格生成技術和有限體積方法來研究工業領域中復雜流動的流體分析商用軟件包。STAR-CD軟件最初是由流體力學鼻祖——英國帝國理工大學計算流體力學領域的專家教授開發的，他們根據傳統傳熱基礎理論，合作開發了基于有限體積算法的非結構化網格計算程序。先后有來自全球多個國家的多位知名學者對STAR-CD的完全不連續網格、滑移網格和網格修復等關鍵技術進行補充和完善，使STAR-CD軟件成為計算流體力學仿真軟件中網格適應性、計算穩定性和收斂性最好的軟件之一[4-5]。

3 CFD軟件教學中的優勢以及需要注意的問題

3.1 CFD在課堂教學中的優勢

（1）CFD軟件可以提高學生學習“燃燒學”的興趣。“燃燒學”課程由于涉及多門專業課基礎知識，所以學生在短時間內無法掌握學習的要點，從而感到枯燥無味。CFD軟件簡單的案例操作可使學生親自參與到課程教學中時，從而提升學生學習的熱情和興趣。

（2）CFD軟件可以活躍課堂氣氛和增加課題趣味性。CFD軟件計算所獲得的計算云圖以及曲線圖，可以通過先進的多媒體方法進行圖片和視頻的展示。這種生動形象的展示，不但提高了課堂教學的趣味性，也在很大程度上活躍了課堂氣氛。

（3）CFD軟件可以引導學生獨立思考的能力。通過布置簡單的計算案例，讓學生分組在課外完成，并且在課堂進行分組展示。在展示過程中，學生可以對比發現自己的計算結果與真實實驗結果的差距。然后，通過引導學生加深對“燃燒學”課本知識的理解以及提高學生運用課本知識的能力，最終達到提高學生獨立思考能力的目的。

（4）CFD軟件可以提高學生的工程實踐能力。由于CFD的快速發展，該技術不但在科研中作為一個重要的研究手段，而且其在企業研發部門也得到廣泛應用。因此，提前接觸并掌握比較簡單的CFD軟件，對以后學生參加工作后快速掌握復雜的CFD軟件很有幫助。

3.2 CFD在課堂教學中應注意的問題

（1）CFD軟件選擇時要注意難度。由于CFD軟件種類眾多，選擇CFD軟件時需要考慮其是否符合專業方向，并且其對學生是否容易掌握。因為CFD教學面對的是大學本科生，應該選擇操作簡單明了的CFD軟件，如STAR-CD和FLUENT等。如果CFD軟件的難度過大，反而增加學生的學習負擔。

（2）CFD軟件的教學中要注意模型的講解深度。由于CFD軟件在使用過程中需要選擇合理的湍流模型、點火模型和燃燒模型。對于這些模型的介紹應該更注重整體上的把握，而不是把每個模型所用到的大量公式進行詳細講解。如果引入大量且復雜公式，反而會使整個課堂更加枯燥。

（3）CFD案例引入課堂教學時要注意展示方式。CFD軟件計算會得到大量的數據，如果這些數據使用Excel表格呈現在課堂上，同樣會使得CFD教學失去趣味性。所以，應該通過后處理軟件對CFD軟件計算結果進行后處理，使得數據以圖片和視頻形式進行展示，這樣才能達到提高學生興趣的目的。

4 CFD軟件的教學實例endprint

針對“燃燒學”中關于液體燃料噴射和擴散火焰這一章節的教學，以某柴油機為計算對象，通過STAR-CD軟件實現對缸內噴霧和燃燒過程的動態數值模擬[6]。采用ES-ICE工具建立燃燒室動網格，由于該柴油機采用四孔噴油器，四個孔周向均布，因此只采取燃燒室的1/4生成計算網格（如圖1）。

針對柴油機壓縮性高、運動劇烈、瞬變性強等特點，對噴霧和燃燒過程相關的氣流運動、燃油霧化、燃燒和排放模型進行適當的選定，然后通過設置邊界條件并采用有限體積法進行計算。計算對象發動機的燃油在上止點前14°CA開始噴入缸內。圖2上止點后4°CA（停止噴油時刻）缸內可燃混合物分布情況和缸內溫度分布情況。

由圖2可以看出：在上止點后4°CA，供油基本結束，縮口ω型燃燒室的燃油主要分布在燃燒室的側壁，此時整個燃燒室基本都是高溫區域，表明燃燒主要在燃燒室內進行，燃燒較為充分。可見，通過對柴油發動機缸內噴霧和擴散燃燒的動態模擬，可以把原本難以捕捉的液體燃料噴射和擴散火焰這一章節的教學內容生動地展現出來，把抽象問題具體化、形象化，大大加深學生對傳熱過程的理解，激發大家對“燃燒學”的興趣。

5 結語

針對本專業學生在“燃燒學”課程學習中液體燃料噴射和擴散火焰這一章節中所面臨的難點，筆者根據在“燃燒學”科研與教學實踐中的經驗，基于多媒體教學思路，將CFD軟件應用到燃燒學課程教學中，模擬計算了柴油發動機缸內燃油霧化和擴散燃燒的過程，通過分析計算結果對液體燃料霧化和燃燒過程有了清晰的認識。結果表明，該方法對激發學生學習化學知識的興趣具有顯著的促進作用，取得了良好的教學效果，同時也豐富了“燃燒學”課程教學的方法。

參考文獻

[1] 潘劍鋒，王謙，潘振華，等.燃燒學理論基礎及其應用[M].鎮江：江蘇大學出版社，2013.

[2] 龍鵬.應用型教學模式在《燃燒學》上的探索與實踐[J]. 亞太教育，2016（12）：123-124.

[3] 柏靜儒，辛思諭，王擎.CFD軟件在傳熱學教學中的應用及淺析[J].中國電力教育，2014（29）：43-45.

[4] 王福軍.計算流體動力學分析——CFD軟件原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2004.

[5] 劉楊先.量子化學Gaussian軟件在“燃燒學”教學中的應用[J].中國電力教育，2012（19）：41-42.

[6] 潘劍鋒，盧青波，王謙，等.柴油機燃燒過程的數值模擬及燃燒室改進[J].江蘇大學學報：自然科學版，2012， 33（4）：390-395.endprint