CFD软件在“燃烧学”教学中的实践与探讨

范宝伟+潘剑锋+潘振华+唐爱坤+邵霞

摘 要：本文简要分析了“燃烧学”教学过程中存在的问题，并介绍了CFD（Computational Fluid Dynamics）技术以及CFD软件的代表Star-CD。针对热能与动力工程专业学生在学习“燃烧学”课程中液体燃料喷射和扩散火焰这部分时所面临的难点，根据在“燃烧学”科研与教学实践中的经验，将CFD软件演示教学应用到了“燃烧学”课程的教学中。通过使用CFD软件的模拟配合多媒体技术的使用，使学生非常直观的了解了液体燃料的雾化、扩散和燃烧的整个过程。结果表明，该方法对促进学生学习基础知识以及加强工程实践能力都具有显著的促进作用，取得了良好的教学效果，同时也丰富了“燃烧学”课程的教学方法。

关键词：燃烧学 CFD软件 Star-CD 多媒体教学

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）10（c）-0197-02

“燃烧学”是由热力学、化学动力学、流体力学和传热传质学等组成的一门科学，是研究燃料和氧化剂进行物理准备过程以及激烈化学反应的一门学科。它又是一门应用面广泛的专业基础课，是工程热物理学科、动力机械及工程学科的重要研究内容和组成部分，其建立在流体力学、传热学、工程热力学等课程相关知识的基础上，也是后续专业课如内燃机设计、燃烧污染与控制、燃烧技术与测试等课程的学习基础。随着能源和环境危机的加剧以及我国对节能减排这一项基本国策的深入推进，“燃烧学”作为能源动力类专业的一门重要专业课，其重要性得到不断凸显[1]。

1 燃烧课程存在的问题

“燃烧学”的课程内容涉及到传热、传质、化学反应等过程，难度系数较大。其以高等数学、流体力学、传热学、工程热力学等为先修课程，对学生的理论学习基础要求较高[2]。正因上述原因，学生在面临同时涉及多个课程知识的复杂章节时，有时会表现出似懂非懂、不知所措的表情。随着课程难度的增加，一些学生就表现出学习基础不牢、学习兴趣缺乏的现象。比如，在学习“燃烧学”课程中的液体燃料喷射和扩散火焰这一章节时，由于该部分内容涉及到气流运动、液体燃料液滴的蒸发以及扩散燃烧等知识，学生很容易因为概念抽象、知识面广以及教学方法枯燥等多方面原因而导致学习效果不佳。因此，这种情况下为学生提供一种直观、生动、趣味性强的教学过程就显得十分重要。

2 CFD技术简介

随着计算机性能的快速发展，现阶段CFD（Computa tional Fluid Dynamics）技术被普遍应用于解决燃烧问题并已经取得了可喜的进展[3]。作为CFD软件之一的STAR-CD（Simulation of turbulent flow in Arbitrary Regions和Computational Dynamics Ltd的合并简称）是全球第一个采用完全非结构化网格生成技术和有限体积方法来研究工业领域中复杂流动的流体分析商用软件包。STAR-CD软件最初是由流体力学鼻祖——英国帝国理工大学计算流体力学领域的专家教授开发的，他们根据传统传热基础理论，合作开发了基于有限体积算法的非结构化网格计算程序。先后有来自全球多个国家的多位知名学者对STAR-CD的完全不连续网格、滑移网格和网格修复等关键技术进行补充和完善，使STAR-CD软件成为计算流体力学仿真软件中网格适应性、计算稳定性和收敛性最好的软件之一[4-5]。

3 CFD软件教学中的优势以及需要注意的问题

3.1 CFD在课堂教学中的优势

（1）CFD软件可以提高学生学习“燃烧学”的兴趣。“燃烧学”课程由于涉及多门专业课基础知识，所以学生在短时间内无法掌握学习的要点，从而感到枯燥无味。CFD软件简单的案例操作可使学生亲自参与到课程教学中时，从而提升学生学习的热情和兴趣。

（2）CFD软件可以活跃课堂气氛和增加课题趣味性。CFD软件计算所获得的计算云图以及曲线图，可以通过先进的多媒体方法进行图片和视频的展示。这种生动形象的展示，不但提高了课堂教学的趣味性，也在很大程度上活跃了课堂气氛。

（3）CFD软件可以引导学生独立思考的能力。通过布置简单的计算案例，让学生分组在课外完成，并且在课堂进行分组展示。在展示过程中，学生可以对比发现自己的计算结果与真实实验结果的差距。然后，通过引导学生加深对“燃烧学”课本知识的理解以及提高学生运用课本知识的能力，最终达到提高学生独立思考能力的目的。

（4）CFD软件可以提高学生的工程实践能力。由于CFD的快速发展，该技术不但在科研中作为一个重要的研究手段，而且其在企业研发部门也得到广泛应用。因此，提前接触并掌握比较简单的CFD软件，对以后学生参加工作后快速掌握复杂的CFD软件很有帮助。

3.2 CFD在课堂教学中应注意的问题

（1）CFD软件选择时要注意难度。由于CFD软件种类众多，选择CFD软件时需要考虑其是否符合专业方向，并且其对学生是否容易掌握。因为CFD教学面对的是大学本科生，应该选择操作简单明了的CFD软件，如STAR-CD和FLUENT等。如果CFD軟件的难度过大，反而增加学生的学习负担。

（2）CFD软件的教学中要注意模型的讲解深度。由于CFD软件在使用过程中需要选择合理的湍流模型、点火模型和燃烧模型。对于这些模型的介绍应该更注重整体上的把握，而不是把每个模型所用到的大量公式进行详细讲解。如果引入大量且复杂公式，反而会使整个课堂更加枯燥。

（3）CFD案例引入课堂教学时要注意展示方式。CFD软件计算会得到大量的数据，如果这些数据使用Excel表格呈现在课堂上，同样会使得CFD教学失去趣味性。所以，应该通过后处理软件对CFD软件计算结果进行后处理，使得数据以图片和视频形式进行展示，这样才能达到提高学生兴趣的目的。

4 CFD软件的教学实例endprint

针对“燃烧学”中关于液体燃料喷射和扩散火焰这一章节的教学，以某柴油机为计算对象，通过STAR-CD软件实现对缸内喷雾和燃烧过程的动态数值模拟[6]。采用ES-ICE工具建立燃烧室动网格，由于该柴油机采用四孔喷油器，四个孔周向均布，因此只采取燃烧室的1/4生成计算网格（如图1）。

针对柴油机压缩性高、运动剧烈、瞬变性强等特点，对喷雾和燃烧过程相关的气流运动、燃油雾化、燃烧和排放模型进行适当的选定，然后通过设置边界条件并采用有限体积法进行计算。计算对象发动机的燃油在上止点前14°CA开始喷入缸内。图2上止点后4°CA（停止喷油时刻）缸内可燃混合物分布情况和缸内温度分布情况。

由图2可以看出：在上止点后4°CA，供油基本结束，缩口ω型燃烧室的燃油主要分布在燃烧室的侧壁，此时整个燃烧室基本都是高温区域，表明燃烧主要在燃烧室内进行，燃烧较为充分。可见，通过对柴油发动机缸内喷雾和扩散燃烧的动态模拟，可以把原本难以捕捉的液体燃料喷射和扩散火焰这一章节的教学内容生动地展现出来，把抽象问题具体化、形象化，大大加深学生对传热过程的理解，激发大家对“燃烧学”的兴趣。

5 结语

针对本专业学生在“燃烧学”课程学习中液体燃料喷射和扩散火焰这一章节中所面临的难点，笔者根据在“燃烧学”科研与教学实践中的经验，基于多媒体教学思路，将CFD软件应用到燃烧学课程教学中，模拟计算了柴油发动机缸内燃油雾化和扩散燃烧的过程，通过分析计算结果对液体燃料雾化和燃烧过程有了清晰的认识。结果表明，该方法对激发学生学习化学知识的兴趣具有显著的促进作用，取得了良好的教学效果，同时也丰富了“燃烧学”课程教学的方法。

参考文献

[1] 潘剑锋，王谦，潘振华，等.燃烧学理论基础及其应用[M].镇江：江苏大学出版社，2013.

[2] 龙鹏.应用型教学模式在《燃烧学》上的探索与实践[J]. 亚太教育，2016（12）：123-124.

[3] 柏静儒，辛思谕，王擎.CFD软件在传热学教学中的应用及浅析[J].中国电力教育，2014（29）：43-45.

[4] 王福军.计算流体动力学分析——CFD软件原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004.

[5] 劉杨先.量子化学Gaussian软件在“燃烧学”教学中的应用[J].中国电力教育，2012（19）：41-42.

[6] 潘剑锋，卢青波，王谦，等.柴油机燃烧过程的数值模拟及燃烧室改进[J].江苏大学学报：自然科学版，2012， 33（4）：390-395.endprint