实验辅助教学在“燃烧理论”课程中的应用研究
冯运超 马立坤 朱家健 那旭东 赵玉新
[摘 要] 通过介绍国防科技大学“燃烧理论”课程的基本情况，分析了课程教学过程中存在的主要问题，并提出将经典的燃烧实验装置引入“燃烧理论”课程的教学，以辅助学生对燃烧学知识的理解。燃烧实验装置主要有预混火焰炉、扩散火焰炉、金属粉末燃烧实验装置和固体推进剂燃烧实验装置，介绍了这四种典型燃烧实验装置的主要结构、实验现象、实验辅助教学的流程。利用上述燃烧实验装置开展“燃烧理论”课程实践教学，获得了良好的教学效果。实践表明，实验辅助教学可以激发学生对“燃烧理论”课程的学习兴趣，加深学生对抽象燃烧学知识的认识和理解，并进一步培养学生实验操作的动手能力，为学生今后开展燃烧学相关研究课题奠定基础。
[关键词] 燃烧理论;实验;辅助教学;研究生课程
[基金项目] 2020年度湖南省教育厅湖南省学位与研究生教育改革研究项目“基于开源软件的燃烧学教学辅助平台搭建与学员实践能力培养”（2020JGYB017）;2020年度湖南省教育厅湖南省普通高等学校教学改革研究项目“基于问题导向的‘燃烧学原理研究性教学改革探索与实践”（HNJG-2020-0009）
[作者简介] 冯运超（1989—），男，河北邢台人，工学博士，国防科技大学空天科学学院讲师，主要从事航空宇航推进理论与工程学科理论研究。
[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2021）39-0128-04 [收稿日期] 2021-06-07
一、引言
航空航天技术的发展是以空天发动机技术的发展为基础的。当前，我国的航空航天技术在大飞机研制、国际空间站建设、火星探测等领域不断取得突破，这离不开空天发动机技术的进步。其中，以化学能为能量来源的空天发动机是绝大多数航空航天飞行器的动力装置。在这类发动机中，通过燃烧过程将推进剂或燃料的化学能转化为工质内能，并通过喷管进一步转化为飞行器的动能，实现高速飞行。燃烧过程作为空天发动机中重要的能量转化环节，深入了解燃烧过程对空天发动机的设计具有十分重要的意义。随着航空航天技术的发展，燃烧学在国内许多高校都被作为专业课进行教学，其重要性也不断得到凸显。
二、“燃烧理论”课程的基本情况
（一）课程现状
国防科技大学的“燃烧理论”课程是本校航空宇航科学与技术专业的基础课程。该课程共计54课时，其中课堂讲授45课时，课程实践9课时。课堂授课内容主要包括课程绪论、化学热力学与化学动力学基础、多组分反应流体基本守恒方程、燃料的着火理论、层流燃烧、湍流燃烧、液滴与喷雾燃烧、固体颗粒与推进剂燃烧等;课程实践以文献阅读报告的形式完成，主要通过阅读国际一流燃烧学期刊近期发表的英文文献，联系课程所学燃烧理论知识，并进行文献阅读理解报告[1]。选课学生主要为硕士和博士研究生，包括军人学院、地方生学员和其他单位的修课生学员，学生的专业背景均为空天发动机相关专业。
学生通过系统地学习本门课程，可以掌握经典的燃烧科学基本理论和对工程问题的燃烧建模与求解方法;能够掌握典型气态、液态和固态燃料的燃烧特点和规律，包括燃料着火的形成和条件、火焰传播和火焰稳定、固体颗粒和金属颗粒的燃烧模型等;掌握湍流燃烧问题中常用的湍流燃烧模型和数值处理方法;了解目前燃烧科学的前沿发展动态和发展趋势。该课程的主要任务是通过各个教学环节，运用各种教学手段和方法，使学生能够系统掌握燃烧科学的基本理论和方法，为后续“发动机燃烧过程数值分析”和“高等燃烧学”等课程的学习提供基础理论。通过学习此课程，学生能够对典型空天发动机，包括固体火箭发动机、液体火箭发动机和冲压发动机内部的典型燃烧过程、燃烧现象、燃烧规律和燃烧机理有较为深入的认识，掌握从事改进该类燃烧设备、提高燃烧效率、避免燃烧异常现象、控制和减少有害污染物排放的基本理论，并为以后从事空天发动机、热能工程和环境工程等专业的研究工作奠定了扎实的基础。
（二）课程问题分析
“燃烧理论”课程是一门综合性的专业课程，对专业知识要求较高，其先修课程主要包括“流体力学”“工程热力学”“传热学”和“计算流体力学”等。该课程涉及的知识面广、难度系数大、专业理论性强、知识更新快[2] （P196-205），同时，很多知识点十分抽象，学生学习起来比较吃力，导致授课效果不佳。在多年的课程教学过程中，我们梳理了在该门课程教学中存在的主要问题。
1.该课程对学生兴趣点的回应不够。很多学生对典型的燃烧现象表现出十分浓厚的兴趣，比如层流燃烧火焰和湍流燃烧火焰的结构、液滴蒸发燃烧的火焰现象、固体推进剂和金属粉末燃料燃烧现象等，然而在以往的教学过程中，主要通过实验录像或动画模拟的手段向学生宏观介绍上述典型燃烧现象，难以进一步激发学生对相应知识点的学习兴趣和加深学生对燃烧理论知识的理解。
2.学生对典型燃烧过程缺乏直观、深刻的认识。通过课堂调查统计，大多数学生没有机会直接观察典型的燃烧过程，例如预混火焰的传播过程、液滴燃烧过程、金属粉末燃烧过程和固体推进剂燃烧过程等。这些燃烧现象在我们的日常生活中很少见，但对于燃烧理论知识的学习又十分重要。学生在学习过程中，主要是通过想象力对这些燃烧现象进行构思，缺乏直观、深刻的认识。
3.燃烧理论知识与实验操作实践存在一定的脱节。本门课程的大多数学生在课程学习之后会参与课题组的科研课题研究。课堂中大量的理論知识学习可以为学生构建一套较强的理论知识体系，但难以与实际的实验操作联系在一起，这就导致学生在从事课题研究过程中难以直接设计相关燃烧过程的实验研究系统。因此，在对基础理论知识进行授课的同时，应以一定的实验辅助教学提升学生的综合素质。
三、实验辅助教学构想
虚拟仿真实验虽然可以近乎真实地模拟燃烧实验现象[3]，但虚拟仿真实验难以使学生直接观察到真实的燃烧现象，且不能锻炼学生的动手能力。实验教学在培养学生严谨的科学思维和创新能力、理论联系实际等方面有着不可替代的作用[4，5]，并且能够为学生在理论知识学习和工程实践之间架起一座桥梁，为学生日后从事相关专业研究奠定重要的基础。因此，为了突出“燃烧学”理论发展与工程运用并重的学科特点，“燃烧理论”课程将实验教学引入课程教学，利用一定的实验实际操作，加深学生对典型燃烧基本过程的认识和理解，并培养学生的实际操作能力。
“燃烧理论”课程有3个课时的实验教学，安排在基础知识授课之后。一方面，可以让学生在學习了一定的燃烧基础知识后参与实验教学，从而具备理解典型燃烧过程的基础;另一方面，通过实验教学增强学生对燃烧理论课程的兴趣，使其对后续授课内容充满期待，并且可以辅助学生对后续课程知识的理解。
基于前期“燃烧理论”课程的授课经验，学生对课程中层流燃烧和湍流燃烧的区别、金属颗粒燃烧、固体推进剂燃烧等知识点的理解存在一定的疑惑，但又对这些燃烧现象兴趣浓厚，因此，有必要开展一定的燃烧实验教学。特别是固体金属颗粒燃料和固体推进剂的燃烧过程在日常生活中十分少见，但是在固体火箭发动机、固体冲压发动机等固体动力系统中又十分常见。因此，课程从学生关心的主要知识点、课程教学任务和学生以后从事的科学研究等角度出发，以结构简单、形象直观、操作简便和用途广泛为实验装置的设计原则，将燃烧学中经典的预混火焰炉、扩散火焰炉等实验装置，以及新型的金属粉末燃烧实验装置和固体推进剂燃烧实验装置引入“燃烧理论”课程教学，预计将取得较好的教学效果。
四、典型实验装置
“燃烧理论”课程中使用的主要教学实验装置有预混火焰炉、扩散火焰炉、金属粉末燃烧实验装置和固体推进剂实验装置。
（一）预混火焰炉
预混火焰炉是一种将氧化剂与燃料预先掺混再燃烧的燃烧器。由于预混火焰炉中的氧化剂和燃料在燃烧前已经均匀混合，其火焰结构均匀，燃烧效率较高，是一种经典的燃烧器。典型的火焰炉有McKenna火焰炉和本生灯等。“燃烧理论”课程设计了一种结构较为简单的预混平面火焰炉，主要结构如图1（a）所示。该火焰炉以甲烷为燃料，以空气为氧化剂，首先在预混腔和疏松多孔介质中掺混均匀后，再通过多孔炉盘进行燃烧。典型火焰图如图1（b）所示，从图中可以看出典型的预混火焰结构均匀，燃烧稳定，没有明显的碳烟生成。此外，该预混火焰炉还可以用来测量预混气体的火焰传播速度。该实验装置可以为学生提供预混燃烧火焰的直观现象。
（二）扩散火焰炉
与预混火焰炉不同，扩散火焰炉中的氧化剂与燃料再燃烧之前是分开的，氧化剂和燃料通过扩散接触后再燃烧。由于这种火焰炉中的氧化剂和燃料是隔离开的，燃烧前并未混合，其在使用过程中较为安全，不易产生火焰回火的现象，并且容易营造高温高压的燃烧环境。“燃烧理论”课程设计了一种非预混的扩散平面火焰炉，主要结构如图2（a）所示。课程实验中的燃料采用甲烷，氧化剂采用空气。甲烷首先进入燃料腔内，之后通过疏松介质进行整流，进入燃料微管;同时空气进入空气腔后再通过多孔介质沿燃料微管外壁面进入燃烧区域，与从燃料微管导出的甲烷形成扩散火焰。该扩散火焰炉共有500多根燃料微管，可以形成由500多个小尺寸扩散火焰组成的平面火焰，如图2（b）所示。相比预混火焰，该扩散火焰均匀度较差，且产生的碳烟也较多，但可以调节更宽的实验工况。该实验装置可以为学生演示贫氧、富氧等扩散火焰现象，辅助其对扩散火焰的认识。
（三）金属粉末燃烧实验装置
金属粉末作为燃料，在先进的空天动力系统中的应用十分广泛。在火箭发动机中，以铝粉为代表的金属粉末通常作为金属添加剂应用于固体推进剂中，从而提升能量密度;在固体冲压发动机中，硼粉通常作为金属添加剂提升发动机的比冲性能;在粉末燃料冲压发动机中，通常选用镁粉、铝粉等金属粉末作为燃料。这些金属粉末的燃烧过程是航空宇航推进理论与工程专业的学生十分感兴趣的教学内容。通过设计金属粉末燃烧实验装置和开展金属粉末燃烧演示实验，学生对金属粉末的燃烧过程有了直观的认识。
（四）固体推进剂燃烧实验装置
固体推进剂是固体火箭发动机的能量来源，其燃烧过程对发动机的性能具有重要影响。教学组开发了一套可视化固体推进剂燃烧实验装置（见图3（a）），该装置主要包括供气系统、燃烧器及观测系统。该装置可以实现固体推进剂药条在不同压强环境下的点火燃烧，并可以直接观测其点火燃烧动态过程。图3（b）展示了采用该实验装置获得的非金属固体推进剂和铝基固体推进剂燃烧过程的实验现象。“燃烧理论”课程会对典型固体推进剂，如双基固体推进剂、改性双基固体推进剂和复合固体推进剂等燃烧模型进行介绍，因此，固体推进剂的燃烧实验现象对学生深入理解其燃烧过程和燃烧模型具有重要的启示意义。
五、参观与实践
“燃烧理论”课程将上述实验装置的参观与实践安排在燃烧学基础知识讲授之后，利用3个课时来完成。选课学员划分为3个学习小组，参观实践工位有3个，分别是预混火焰炉与粉末燃烧实验装置、扩散火焰炉、固体推进剂燃烧实验装置。每个学习小组在每个实践工位参观与实践1个课时，每个实践工位配备1名教员和1名实验员。
在参观实践之前，需要向学生发放相关的实验装置介绍资料，并详细讲解安全注意事项，使学生在课前对实验装置有一定的了解，并将安全事宜牢记于心。在每个工位的参观实践过程中，首先是对照实物向学生详细介绍实验装置的结构组成和工作原理，并进一步强调安全注意事项;其次是向学生演示典型实验过程，并对照实验现象讲解其燃烧的基本原理和规律;最后是让学生自己动手操作，观察并记录实验现象。在参观实践之后，安排学生撰写参观实践心得。
通过课程教学实践，将燃烧实验引入“燃烧理论”课程教学，可以激发学生对该门课程的学习兴趣，加深学生对抽象燃烧学知识的认识和理解，并进一步培养学生实验操作的动手能力，为学生今后开展燃烧学相关研究课题奠定基础。
六、结语
“燃烧理论”课程是国防科技大学航空宇航科学与技术专业的基础课程。该课程系统讲授了燃烧学的基本理论知识、着火理论、气体燃料的层流燃烧和湍流燃烧，以及液体、固体燃料的燃烧等内容。由于该课程是一门理论性较强的专业课程，知识面涉及广泛，概念抽象，在课程授课过程中发现学生对课程学习缺乏兴趣，对典型的燃烧过程缺乏认识，等等。基于此，本课程将燃烧学中经典的预混火焰炉、扩散火焰炉等实验装置，以及新型的金属粉末燃烧实验装置和固体推进剂燃烧实验装置引入“燃烧理论”课程教学，教学效果有了明显改善，并得到了学生较好的评价。
参考文献
[1]于江飞，马立坤，朱家健，等.双一流军校《燃烧理论》翻转课堂模式和差异化教学的思考与探索[J].高教学刊，2020（14）：23-27.
[2]陈军，王栋，封锋.火箭发动机燃烧基础[M].北京：北京航空航天大学出版社，2015.
[3]隋春杰，张斌，周艳.虚拟仿真实验在燃烧学教学过程中的应用實践[J].中国教育信息化，2020（20）：32-35.
[4]伍永福，李姝婷.数值模拟技术在燃烧学实验教学中的应用[J].内蒙古教育，2018（10）：57-58.
[5]胡刚刚，杨志平，徐鸿，等.能源动力类实验教学示范中心的建设与完善[J].实验技术与管理，2010，27（7）：112-114.
Research on the Application of Experiment Assisted Instruction in Combustion Theory Course
FENG Yun-chao， MA Li-kun， ZHU Jia-jian， NA Xu-dong， ZHAO Yu-xin
（School of Aerospace Science， National University of Defense Technology， Changsha，
Hunan 410073， China）
Abstract：
In this paper， the course of combustion Theory in National University of Defence Technology is introduced， and the main problems existing in the course teaching are also analyzed. This paper points that the classic combustion experimental setup can be introduced in this course teaching to help students understanding the comprehend combustion theory. This paper introduces the main structure， experimental phenomena and experimental auxiliary teaching process of the four above typical combustion experimental devices. Using this combustion experimental devices， better teaching effects are achieved in this course. The teaching practice result of combustion theory indicates that experiment assisted instruction in the course can inspire the students interest in learning， deepen understanding of the knowledge， foster the practical ability and creation ability. Besides， experiment assisted instruction can also help the students lay the foundation for professional research.
Key words：
combustion theory; experiment; assisted instruction; postgraduate course