计算流体力学在高校锅炉原理课程教学中的应用

管晓艳 董智广

【摘要】锅炉原理课程是能源与动力工程专业重要的专业课，具有较强的学科交叉性。为使教学内容更加形象化，增强学生对理论知识的理解，本文提出将计算流体力学应用于锅炉原理课程的教学过程中。以煤粉燃烧器为例，采用计算流体力学软件模拟燃烧器内流动特性，通过较为直观的方式让学生掌握煤粉燃烧器的工作原理，增強了学生学习兴趣，提高了教学效果。

【关键词】计算流体力学 锅炉原理 教学方法

【中图分类号】G424 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2019）07-0242-01

一、前言

能源与动力工程专业是我国高等院校的传统专业。锅炉原理课程是能源与动力工程专业重要的专业课程。通过本课程的学习，学生可以掌握锅炉的基本结构和原理，了解锅炉内部的转能转换过程以及锅炉安全经济运行的基本知识，为从事锅炉相关行业的工作以及科学研究打下基础。

二、锅炉原理课程特点

锅炉原理课程主要教学内容包括：1）燃烧和燃烧特性；2）燃烧计算和热平衡；3）制粉系统；4）燃烧设备及燃烧新技术；5）锅炉内各种换热器；6）锅炉热力计算和受热面布置。可见锅炉原理课程涉及的教学内容广而杂。“炉前”涉及制粉系统，“炉内”涉及燃烧器、多种换热器，“炉外”涉及尾部烟气净化。随着先进技术的发展，在锅炉原理教学过程中，除了传统教学内容外，也在不断融入国际上先进的煤粉燃烧新技术，丰富教学内容。此外，锅炉原理涉及传热学、工程热力学、流体力学、燃烧学等多个学科领域。这对锅炉原理课程的教学也提出了更高的要求。

三、计算流体力学在锅炉原理教学中应用举例

近年来，随着信息技术的发展，多媒体教学被广泛应用到专业教学过程中。一部分教学内容以图片、动画、声音等方式在课堂上呈现出来，增强了学生对锅炉设备结构和工作原理的直观认识，提高了教学效果。多媒体教学过程中素材的选择是多媒体教学效果好坏的关键因素。

计算流体力学是20世纪60年代随着计算机科学的发展而迅速崛起的一门学科。经过多年的发展，多种计算流体力学软件也应运而生，在诸多工程领域得到广泛应用。利用CFD软件对模拟对象内的流动特性进行模拟，可以获取模拟对象内部的浓度场、速度场、温度场等信息，以矢量图、等势图、云图等多种类型的图片或动态演示来反应模拟对象内的流场特点。

锅炉设备中存在着广泛的多相流问题。本文以煤粉燃烧器为例，采用计算流体力学软件Fluent模拟燃烧器内气固流动特性。图1为燃烧器内煤粉浓度分布图。由图可见，高浓度的煤粉颗粒集中在隔板和浓侧壁面之间，点火油枪布置在浓煤粉区域有利于煤粉的顺利点火。图2为煤粉燃烧器内颗粒轨迹图。由图可见，5μm的颗粒具有较好的气流跟随性；随着煤粉颗粒粒径的增加，煤粉颗粒经过叶片附近时被叶片阻挡，反弹至浓煤粉气流测，形成高浓度区。除了上述的浓度图、颗粒轨迹图之外，还可以获取燃烧器内气相和固相的速度图、流场动态演示图等。这些图片和动态演示过程可以作为锅炉原理课程多媒体教学过程的素材，丰富教学内容。

四、总结

在传授给学生锅炉基本知识的同时，更要把国际上先进的锅炉技术带到课堂上，拓展学生视野。根据授课内容合理设计多媒体教学过程，利用计算流体力学软件模拟锅炉相关设备流场特性，获取的图片或动态演示过程可以更加直观地反应设备的工作原理，有效补充教学过程中语言描述的不足。笔者在今后的教学过程中，将进一步完善教学过程设计，以计算流体力学为工具，充分发挥多媒体教学的优势，进一步提高教学效果。

参考文献：

[1]顾海明，葛晓霞，毕小龙，等.“锅炉原理”教学方法探讨 [J].科教文汇，2017（9）.