基于工業應用實例的《多相流動在線測試方法》課程案例教學設計

楊斌，楊楊，王瑩

（上海理工大學 能源與動力工程學院，上海）

一 引言

動力工程及工程熱物理學科主要研究熱和功及其他形式能量的轉換、傳遞規律，以及按照這些規律實現的設備與系統，涵蓋工程熱物理、熱能工程、動力機械與工程、流體機械與工程、制冷及低溫工程等，與化工、航空航天、生物、醫學、信息、環境、機械等學科高度交叉，是我國工業領域不可或缺的重要學科之一，具有明顯突出的工程實踐特點[1]。該學科研究生教育主要是為了培養熱和功及其他形式能量的轉換、傳遞的研究人員，以及熱功轉換設備與系統的工程技術人員等。因此，動力工程及工程熱物理學科專業課程的教學應注重培養學生工程實踐能力。《多相流動在線測試方法》研究生課程是上海理工大學能源與動力工程學院研究生教學課程體系中的專業課程之一，授課對象涉及動力工程及工程熱物理專業研究生（含留學生），為研究生從事動力工程及工程熱物理專業相關的多相流動在線測試方法的理論、實驗研究和應用奠定理論基礎，是動力工程及工程熱物理學科中具有多學科交叉度高、工程實踐性強特點的課程。這一課程的建設對于同類型研究生專業課程的教學具有重要參考價值。

案例教學是一種根據教學內容與目標，通過引入典型案例的情景式課堂教學方法，在工科課程的教學上優勢明顯，能夠通過案例加深學生對于書本知識的理解與掌握，更加突出工程實踐與應用[2-3]。通過案例教學，學生在教師的引導下了解工業需求的背景，學習課程知識點的基礎知識，通過基礎知識的運用，解決工程實際問題，可以有效提升該類課程的教學水平，促進學生對理論知識的工程實踐能力[4-5]。因此，在《多相流動在線測試方法》研究生課程教學過程中，圍繞課程教學大綱確定的教學知識點，依托教學團隊科學研究優勢，依托實驗室資源，選擇典型工業應用實例，可以有效引導學生建立科研實踐思維，使學生明確知識點在工業實踐中的應用，促進學生學以致用。通過基于工業應用實例的課程案例教學能夠賦予專業課程更多的內涵和工程實踐意義。

二 課程概況與現狀

多相流動主要為兩種及以上氣態、液態、固態物質混合流動，廣泛存在于能源、化工、材料、環境、生物、醫學、航空航天等領域[6]。多相流動研究關注氣、液、固各相的相含率、尺寸、速度、溫度與壓強等參數，這些參數的測量對揭示多相流動機理，獲得各類工業系統中多相流動的規律，實現工業系統的優化運行都具有極為重要的意義。因此，多相流動測試長期以來都是多相流動研究及工業系統設計與優化運行關注的熱點和難點問題。

《多相流動在線測試方法》研究生課程是動力工程及工程熱物理學科專業課，主要為從事多相流動在線測試方法相關的理論、實驗和應用研究奠定理論基礎，課程內容按照測試方法類型分為激光多普勒測速技術、粒子圖像測速技術、激光誘導熒光技術、過程層析技術等。課程具有多學科交叉度高、工程實踐性強等特點，但長期以來，課程教學主要以專題課堂教學為主，這種教學方式難以滿足對課程教學目標的實現，學生較難理解相關理論知識，無法明確各類測試方法的特點及其適用范圍，學生自主學習較為困難。

三 基于工業應用實例的案例教學設計

針對《多相流動在線測試方法》研究生課程特點，依托上海市動力工程多相流動與傳熱重點實驗室，結合實驗室科研方向，設置了5個典型工業應用實例涵蓋光散射法、圖像法、輻射測溫法、激光光譜法等多相流動在線測試方法，具體包括：（1）光脈動法工業粉體輸運顆粒參數測量應用；（2）角散射法鍋爐排放煙塵濃度測量應用；（3）圖像法噴嘴霧化參數測量應用；（4）輻射光譜法鍋爐傳熱參數測量應用；（5）激光吸收光譜法發動機羽流溫度測量應用。以下將簡要介紹各工業實例的特點、測量原理與系統組成。

（一） 光脈動法工業粉體氣力輸運顆粒參數測量

工業粉體氣力輸送是典型的氣固兩相流動，主要借助氣體的流動實現在管道中輸送固體顆粒。其中，固體顆粒的粒徑、濃度與速度參數是該過程的關鍵參數。

光脈動法是利用透射光強的隨機變化規律結合光散射理論在線測量氣固兩相流顆粒參數的方法，具有結構簡單、對測量環境要求低、長時間運行可靠等優點，適合應用于工業粉體氣力輸送。如圖1所示，雙光束平行激光穿越含有顆粒的兩相流，由于顆粒的散射衰減作用，透射光強隨時間變化，光強衰減程度與顆粒粒徑與濃度有關，并且雙光束透射衰減信號具有相關性，根據雙光路信號相關分析，可得到顆粒運動速度。

圖1 光脈動法氣固兩相流顆粒參數測量原理

應用光脈動法設計氣固兩相流顆粒參數測量系統開展工業粉體氣力輸送顆粒參數測量，如圖2所示，可獲得管道內氣固兩相流顆粒粒徑、濃度與速度參數，為工業粉體氣力輸送過程監控與優化提供直接數據支撐。

圖2 光脈動法工業粉體氣力輸運顆粒參數測量應用

（二） 角散射法鍋爐排放煙塵濃度測量

隨著燃煤電廠大氣污染物排放標準進一步加嚴，對燃煤電站煙氣顆粒物控制技術提出了更高要求，相應的燃煤電廠超低排放對低濃度顆粒物在線監測也提出了更高要求。

如圖3所示，角散射法通過測量顆粒在空間某一（或多個）角度下的散射光強或散射光能信號，從而求得被測顆粒濃度信息，具有高靈敏度、實時測量優勢。

圖3 角散射法顆粒濃度測量原理

應用角散射法研制鍋爐排放煙塵濃度測量系統開展鍋爐排放煙塵濃度監測，如圖4所示，實時監測鍋爐排放煙塵濃度。

圖4 角散射法鍋爐排放煙塵濃度測量應用

（三） 圖像法噴嘴霧化參數測量

噴嘴霧化被廣泛應用于工業過程，噴霧霧化特性參數是其性能與設計優化的關鍵依據。例如在燃燒應用中，液滴粒徑是提高燃燒效率的重要參數之一；工業除塵應用中，霧化角、液滴粒徑與液滴運動速度直接關系到除塵效率；農業灌溉應用中，霧化角與液滴粒徑是節水的關鍵。

圖像法主要是利用背光陰影成像技術，如圖5所示，通過適當延長曝光時間拍攝在光源照射下運動顆粒的軌跡圖像來獲得宏觀形態、顆粒粒徑與運動速度等參數。在距離噴嘴出口不同位置拍攝液滴軌跡圖像，處理得到霧化角、液滴粒徑、液滴運動速度及分布參數。

圖5 圖像法噴霧霧化參數測量原理

應用圖像法研制噴霧霧化參數測量系統開展扇形噴嘴霧化參數測量，如圖6所示，可獲得霧化角、液滴粒徑、液滴速度及其分布。

圖6 圖像法噴霧霧化參數測量應用

（四） 輻射光譜法鍋爐傳熱參數測量

輻射傳熱作為煤粉爐等燃燒設備主要的傳熱方式之一，對優化傳熱過程、提高能源利用率具有重要意義。

如圖7所示，輻射光譜法通過測量高溫燃燒環境內的輻射光強能量隨波長的分布，并對輻射光譜進行參數擬合求解得到溫度與輻射強度等輻射傳熱參數。

圖7 輻射光譜法輻射傳熱參數測量原理

應用輻射光譜法研制輻射光譜法鍋爐傳熱參數測量系統，如圖8所示，通過獲得高溫燃燒顆粒輻射光譜反演得到輻射強度、輻射溫度與輻射率參數。

圖8 輻射光譜法鍋爐傳熱參數測量應用

（五） 激光吸收光譜法發動機羽流溫度測量

發動機羽流溫度是表征發動機工作狀態以及內部燃燒狀態的重要參數之一。

激光吸收光譜法將激光波長調制到特定組分吸收頻域，如圖9所示，通過測量激光束經待測區域的衰減程度實現氣態流場溫度參數測量。具有高靈敏度、高光譜分辨率、快時間響應、高可靠性和非接觸等特點。

圖9 激光吸收光譜法溫度測量原理

應用激光吸收光譜法研制激光吸收光譜法發動機羽流溫度測量系統，如圖10所示，通過測量氣體分子吸收光譜獲得羽流溫度參數。

圖10 激光吸收光譜法發動機羽流溫度測量應用

四 基于工業應用實例的案例教學思考

根據上述案例教學設計，在促進學生實踐思維的培養、提高學生工程應用能力取得了較好的效果，后續應進一步總結案例教學經驗，豐富工業應用案例庫，拓寬研究生的學科視野，具體舉措建議如下：

（一） 教學案例庫模塊化構建及實踐

教學案例庫是案例教學的基礎，應進一步優化《多相流動在線測試方法》課程教學大綱，重點結合研究團隊科研項目，對科研項目實施的過程進行模塊化分解，確定案例工業背景、目的需求、選取測量方法及其優勢、測量系統、測量結果、取得成果與效益等元素，按這些元素進行單元模塊化構建，從而豐富教學案例庫。

（二） 案例學習小組研討形式的實踐

為提高研究生學習的興趣與積極性，可引入案例學習小組研討的形式，根據案例，劃分學習小組，由學習小組按照案例內容進行查閱資料，學習相關理論知識，了解該案例類似應用情況，最終形成總結報告，并按照匯報進行考核。

（三） 對應實驗教學案例設計與實踐

課堂教學對研究生工程實踐能力的提高仍然有限，后續應依托實驗室資源，針對教學案例設計對應的實驗教學案例，使研究生在案例學習后有進一步的實踐條件，進一步促進學生學以致用。

五 結語

《多相流動在線測試方法》研究生課程主要為動力工程及工程熱物理專業研究生從事多相流動在線測試方法相關的理論、實驗和應用研究奠定理論基礎，是一門注重工程實踐的研究生專業課程，更為注重培養研究生解決實際問題的能力與提高研究生創新實踐水平。基于工業應用實例的課程案例教學方法在本課程的教學上具有明顯優勢。圍繞課程教學大綱確定的教學知識點，依托教學團隊科學研究優勢，依托實驗室資源，選擇典型工業應用實例，引導學生建立科研實踐思維，使學生明確知識點在工業實踐中的應用，促進學生學以致用。因此，通過基于工業應用實例的課程案例教學能夠賦予專業課程更多的內涵和工程實踐意義。