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摘 要：本文以内蒙古科技大学燃烧实验室的多功能实验台为研究对象，在燃烧学实验教学中借助数值模拟技术，通过建立统一的算例模型，利用高性能计算服务工作站，让学生自由自在地开展燃烧学实验，结合有限次数的实验操作就得到预混火焰，扩散火焰以及半预混火焰等多种实验的火焰变化规律，克服了燃烧实验过程中多参数调试过程带来的危险隐患，同时加深了同学们对燃烧实验现象的直观认识。在实验课程中，结合数值模拟实验明显提高了学生的实践动手次数及操作水平，扩展了学生的燃烧学知识面及新思路，对培养工程技术类创新型人才具有很好的引领作用。
关键词：数值模拟；燃烧学；实验教学
【中图分类号】G 【文献标识码】B 【文章编号】1008-1216（2018）05B-0057-02
在能源日趋紧张和环境日益严峻的当下，能源与动力工程专业具有较强的综合性、实践性和创新性，是我国急需的专门工程技术人才最短缺的专业之一。实验教学对提高学生的实践动手能力和拓展学生知识结构面及创新精神具有非常重要的作用 。燃烧学作为能源与动力工程专业四大专业基础课之一，实验教学是其重要的教学手段，它不仅能使学生加深对课堂教学内容的理解，同时通过操作能使学生掌握燃烧的基本实验方法，从而提高动手能力，培养创新思维能力。然而，燃烧实验操作的随意性及不可控性带来的安全隐患，一直是阻碍燃烧学实验开展的主要原因。近年来，随着燃烧学理论的完善及数值模拟技术的发展，很多老师在实验教学过程中引入数值模拟技术，直观展示复杂、危险实验过程及内部机理，取得了很好的实验教学效果。本文根据燃烧实验教学的特点，引进数值模拟技术开展相关的实验教学，以减少实验的次数保证燃烧实验的安全性，同时通过实验现象与数值模拟的结果对比，让学生进一步分析燃烧实验现象的本质特征，从而提高燃烧实验的教学效果。
一、数值模拟技术在燃烧学实验教学中的设计
（一） 燃烧数值实验教学地点与时间的选择
数值实验教学地点和时间的选择，最好采用开放性和自由轻松的环境，能提高学生自主学习的能力，同时让学生感觉做这样的数值实验跟玩游戏一样轻松自在。因此，在布置任务时应结合实验的实际操作，提前安排学生了解模拟的内容及任务要求，提供富裕的时间，让学生自主选择时间和地点完成燃烧过程的模拟，并总结模拟结果规律，以便于实验验证。
在燃烧数值模拟演示教学时，采用数值模拟软件中燃烧模型演示从网格生成和边界条件设置到数值模拟整个求解过程，考虑本科生的实际情况可简单讲解所采用的理论，详细讲解结果分析方法，以及边界条件的变化设置。同时创造条件为学生提供基于高性能计算工作站和CFD软件，建议学生通过互联网PBS作业提交系统在线提交作业，让计算工作站完成模拟计算过程，减少学生的实际作业时间。
（二）建立燃烧模拟实验算例，形成统一算例模型
数值模拟实验以内蒙古科技大学燃烧实验室的多功能实验台为研究对象，实验室设备中共有四根管，分别是Ⅰ号长喷管，Ⅱ号长喷管，Ⅰ号短喷管以及Ⅱ号短喷管。此多功能燃烧实验台可以完成预混火焰，扩散火焰以及半预混火焰等多种实验，从而得到不同燃气、空气流量和压力下的火焰变化规律。由于本科生对燃烧机理及相关数学方程了解比较少，为了减少学生模拟误差，教师在示范教学过程中，需要根据实验台的特点，建立统一的实验网格模型（如下图），并设置好燃烧模型参数，建立统一的算例模型，学生只需根据算例模型，计算不同燃气、空气流量和压力下的火焰变化规律。
（三）结合创新课题，培养学生的创新能力
由于燃烧学课堂教学和实验教学的时间限制，可以在建立燃烧模拟实验算例，形成统一算例模型的基础上，根据老师的科研任务及学生的兴趣布置较为复杂或略有难度的模拟任务。例如，修改几何模型、改变边界条件及各种参数等，探索燃烧装置对火焰结构的影响。也可结合本科生的毕业设计，研究生的课题任务，教师的部分科研任务也可以交给一些学有余力并对科研感兴趣的学生完成。这样，既巩固课堂所学内容，又可以引导学生拓展燃烧学的知识面，有利于培养学生独立创新的科研能力。
二、数值模拟在燃烧学实验教学中的应用效果
从燃烧数值模拟形成的火焰特性曲线，选择一两组数据在实验台开展实验验证，一般误差保持在8%以内，充分验证实验结果的准确性。在燃烧学实验过程中，结合数值模拟技术，在提高实验次数的同时，也解决了燃烧的安全隐患，而且使学生各方面能力得到明显提高。
（一）对燃烧本质的认识和相关知识掌握更为深刻
通过建立统一的算例模型，学生避开了燃烧数值模拟技术内部的复杂原理，只要简单地更改边界条件就能得到相应的火焰结构，能很快激发学生的实验兴趣。同时学生借助数值模拟直观动态的处理技术后，首先，对燃烧实验和火焰现象有了直观的认识。其次，由于数值模拟所获得云图观赏性强，燃烧后的火焰各种参数可以通过云图或者动画显示出来，使学生对燃烧的本质理解准确，同时借助各种云图参数及燃烧过程动画，学生可自主将实验现象与燃烧理论知识结合，明确实验操作参数目的，借助理论知识预分析燃烧过程的实验现象，并有针对性地提出问题、发现问题，从而，探索新的燃烧方法，以此提高其理论联系实际的能力。
（二）燃烧实验的安全性和学生实践动手能力显著提高
以气体燃料的射流燃烧、火焰长度及火焰温度的测定实验为例，学生通过改变燃气流量和空气压力，利用数值模拟很容易做出多种火焰长度和火焰温度的云图，从而，建立燃气流速与火焰长度的关系，然后通过一两次实际操作实验获得结果，就可以确定关系式的正确性。因此，大量减少了实际操作实验的次数，增加了实验的安全性。同时学生可以通过数值模拟结果预判实验现象趋势，讨论燃烧实验方案的不足之处，提出改进方案，从而进一步完善燃烧实验过程。
一些学生通过燃烧实验，不仅掌握了燃烧学的相关知识，同时通过数值模拟技术对流体流动、传热传质等相关知识的掌握提升到了更高层次。更重要的是，在智能制造的时代又掌握了数值模拟技术，为开展与专业密切相关的科研实验实现数值化研究提供了基础，对于学生毕业后的就业和考研都有积极的作用。
三、结论
燃烧学是能源与动力工程专业的一门专业必修基础课，要求学生牢固掌握燃烧过程的规律与原理，实验教学是其重要的教学内容。本文以内蒙古科技大学燃烧实验室的多功能实验台为研究对象，通过建立统一的算例模型，借助CFD技术模拟得到预混火焰，扩散火焰以及半预混火焰等多种实验的火焰变化规律，克服了燃烧实验过程中多种数据调试过程带来的危险隐患，同时加深了同学们对燃烧实验现象的直观认识，提升了学生的实践动手能力和实践操作水平，对培养创新型人才具有积极的作用。
基金项目：内蒙古科技大学教改项目（JY2014033，JY2013034）。
參考文献：
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