虚拟试验在“锅炉原理”教学中的应用

摘要：为了在教学过程中使理论知识形象化，提出将虚拟试验应用于“锅炉原理”教学过程中。以直流煤粉燃烧器四角布置切圆燃烧方式为例，给出了通过虚拟试验得到的结果，并按教学过程中的讲解方式展示出来。通过该实例可明显看出，虚拟试验将抽象的文字描述形象化，可增强学生对锅炉结构及其工作原理的学习兴趣，提升课堂教学效果。

关键词：虚拟试验；锅炉原理；教学；切向燃烧

作者简介：张维蔚（1978-），女，内蒙古呼和浩特人，内蒙古工业大学能源与动力工程学院，讲师。（内蒙古 呼和浩特 010051）张伟杰（1978-），男，内蒙古呼和浩特人，中国航天科工集团第六研究院，工程师。（内蒙古 呼和浩特 010072）

基金项目：本文系内蒙古工业大学校基金项目（项目编号：200828）、内蒙古工业大学校级教改项目（项目编号：2013028）的研究成果。

中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）22-0168-02

“锅炉原理”是热能与动力工程专业的主要专业课之一。该课程以电站煤粉锅炉为教学对象，系统地阐述了电站锅炉的主要系统、主要设备及工作原理，内容包括锅炉用燃料、煤粉制备系统及设备、燃烧基本理论及燃烧设备、锅炉主要受热面、蒸汽净化及锅炉机组的热力计算方法等。通过“锅炉原理”课程教学可让学生认识和了解锅炉，掌握有关锅炉的设备构造、工作原理、设计选型等有关知识。[1]

“锅炉原理”是一门经典的传统专业课程，很多教学工作者在锅炉教学过程中积累了丰富的经验。专业课程的教学内容与基础课程有所不同，知识点既与基础课内容联系，又与现代科学技术的发展密切相关。这就要求课程教学过程中既能及时地反映相关技术的发展，又要注重与基础理论知识结合。

“锅炉原理”教学过程中，如何采用现代教学手段使学生更好地了解锅炉的结构及其工作原理是每一位“锅炉原理”课程的任课教师所面临的最棘手的问题。传统的教学方式是通过教材的图片并辅之以语言描述来讲解锅炉的结构和工作原理，这种教学方式对理论的讲述较为抽象、不易理解。[2]现代教学中加入了多媒体教学、模型教学等现代教学手段，在结构讲解中起到了较好的效果，但也不能把抽象的理论形象化。

针对这种情况，笔者提出将虚拟试验应用于“锅炉原理”课程的教学过程，即利用虚拟试验将一些较为抽象的理论或者在真实试验中难以测出的数据以图片的形式展示出来，通过锅炉结构和工作原理仿真的方式，以增强学生对锅炉原理某些知识的认识，充分调动学生学习的积极性、主动性，优化教师的课堂教学过程，提高学生的学习效率。

一、虚拟试验介绍

本文提到的虚拟试验实际上是使用计算流体力学软件来模拟锅炉中烟气、工质的流动、传热等过程，并给出模拟计算的结果。

计算流体力学是近代流体力学、数值数学和计算机科学结合的产物，是一门具有强大生命力的边缘科学。它以电子计算机为工具，应用各种离散化的数学方法，对流体力学的各类问题进行数值实验、计算机模拟和分析研究，以解决各种实际问题。目前只要是与流体、传热及化学反应等有关的工业均可使用，是除了真实试验之外的“虚拟试验”，可以给出真实试验能够测量到的流体的速度分布、温度分布、浓度分布等参数，而这些内容也恰好是“锅炉原理”教学中涉及到的。采用虚拟试验方法，可在不做实验的情况下，仍能形象地向学生展示锅炉中烟气、工质等流体真实的流动、传热等情况，以激发学生的学习兴趣，提高教学质量。

二、“锅炉原理”教学中虚拟试验的应用实例

“锅炉原理”教学中涉及烟气、工质流动、传热、燃烧的知识点较多，例如炉膛内煤粉气流的燃烧过程、烟道中烟气的流动、受热面管内工质的流动等等。本文以直流燃烧器四角切圆燃烧为例，介绍虚拟试验在“锅炉原理”教学中的应用。

直流煤粉燃烧器四角布置切圆燃烧方式是现代大型煤粉锅炉主要的燃烧方式之一，应用非常广泛。直流燃烧器四角切圆燃烧方式中，燃烧器布置在炉膛四个角上，为便于描述，四个角分别记为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，如图1所示。四个角上布置的直流煤粉燃烧器射出的四股气流在炉膛中心形成一个稳定的强烈旋转火炬，在离心力的作用下，气流向四周扩展，炉膛中心形成真空，即无风区；无风区的外面是气流强烈旋转的强风区；最外围是弱风区。不同的区域由于压力不同，所以气流的流动方向是不同的。要充分说明直流煤粉燃烧器四角切圆燃烧方式下炉膛内空气动力特性对燃烧的影响，需要对气流的流动方式加以分析说明。

本文以虚拟试验方式介绍的是燃用烟煤的410t/h煤粉锅炉直流煤粉燃烧器四角切圆燃烧方式下二次风形成的炉膛冷态空气动力特性。锅炉的炉膛深度为8.81m，炉膛宽度为9.6m，二次风速为40m/s，二次风在炉膛中心形成了直径为85600mm的假想切圆，如图1所示。

当二次风速为40m/s时，二次风在炉内形成的强烈旋转气流的速度矢量图和压力等高线图如图2（a）、（b）所示。从图2（a）可以看出，四个角上布置的燃烧器射出的四股气流在炉膛中心形成一个稳定的强烈旋转火炬。在煤粉气流实际燃烧过程中，这种流动方式每支气流都会受到来自上游邻角气流的冲击，会被上游气流加热，使之可以着火燃烧，并以此再去点燃下游邻角的气流，使相邻煤粉气流互相引燃，对煤粉气流的着火燃烧非常有利。

另外，由于离心力作用，旋转气流使炉膛中心的无风区形成负压，从图2（b）可以看出，无风区压力较周围区域要低很多，这样上、下压力较高区域的高温烟气就会回流到此区域，可以卷席到部分的高温烟气，在煤粉气流实际燃烧过程中对煤粉气流的着火燃烧也是非常有利的。另外，切圆燃烧方式使煤粉气流呈螺旋形旋转上升，也延长了煤粉在炉内的停留时间。

再以喷口Ⅰ为例，从图2（a）可以看出，由于四股气流在炉膛内要形成假想切圆，因此气流从燃烧器喷口喷入炉膛时与相邻两壁面夹角并不是相等的，即图1中的夹角α>β，所以气流喷入炉膛后卷吸两侧高温烟气的情况不同，气流两侧的速度矢量分布也不相同。从图2（a）可以看到气流从喷口Ⅰ喷出后的速度矢量，夹角α区域的气流速度方向是朝向主气流的，而夹角β区域的气流速度方向与主气流速度方向类似，这充分说明α侧补气条件比β侧要充分。从图2（b）也可以看到喷口Ⅰ附近的压力分布，α侧和β侧的压力分布也是不同的。

图1 四角切圆燃烧的炉内空气动力特性图

图2 四角切圆燃烧二次风速度矢量图和压力等高图

在锅炉实际运行中，为了使直流煤粉燃烧器四角布置切圆燃烧方式得到良好的炉内空气动力特性，四角配风必须均匀。因为相邻两角射流相互作用，如果配风不均匀会造成切圆位置偏斜。图3是喷口Ⅱ气流速度偏低时炉膛内的速度矢量图。由于喷口Ⅱ气流速度偏低，导致动量降低而使刚性减弱，在喷口Ⅰ的射流作用下偏转增大而有贴近后墙的趋势，而且这种情况下四股气流的作用点发生改变，喷口Ⅳ的射流也有贴近前墙的趋势。另外，从图3还可以看出，由于四股气流速度不同，假想切圆中心位置发生了明显偏斜，而且气流扰动趋势较图2也有明显减弱。这种情况不仅影响燃烧，而且会造成局部水冷壁结渣。[3]

图3 喷口Ⅱ气流速度偏低时炉膛内空气动力特性

通过上述几张图，可以清楚、形象地向学生展示四角切圆燃烧炉膛内的空气动力特性，弥补了语言描述存在的不足，会在学生心中留下较深刻的印象，有助于加强课堂的教学效果。上述例子是通过二次风形成的空气动力特性分析了对煤粉气流燃烧的影响，虚拟试验中还可以考虑煤粉气流的流动以及燃烧过程。

三、结语

课堂教学过程中，任课教师可将虚拟试验的试验结果以图片的形式向学生展示，图片中有详细的流体速度分布、压力分布或者温度分布等信息，并可根据教学情况改变某些参数，重新得到试验结果。通过这一教学环节，学生会对这一部分内容中涉及到的流体流动、传热等方面的内容以及在锅炉中的应用有深刻的认识。

本论文仅以直流燃烧器切向燃烧为例介绍了虚拟试验，除此之外，“锅炉原理”教学中这种锅炉结构与流体流动、传热结合的例子很多，都可采用现代教学方法结合虚拟试验向学生展示。将虚拟试验应用于热能与动力工程专业“锅炉原理”的教学过程，将虚拟试验的试验结果和教师的课堂讲授有机结合，可使抽象的内容具体、形象化，有效地调动学生的积极性，培养学生的学习兴趣；另外，也可以使任课教师有效地组织教学活动，提升课堂教学效果。这样不仅使学生对锅炉结构有深刻的认识，还可以与专业基础课紧密结合，为电力系统培养理论基础扎实、实践能力强的优秀人才。

参考文献：

[1]叶江明.电厂锅炉原理及设备[M].北京：中国电力出版社，2008.

[2]车德勇，王虎，张立栋.动画仿真技术在“锅炉原理”课程教学中的应用[J].中国电力教育，2008，（5）.

[3]岑可法.锅炉燃烧试验研究方法及测量技术[M].北京：水利电力出版社，1987.

（责任编辑：孙晴）