熱能動力工程論文范文

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1.熱能與動力工程存在的問題分析

早在商周時期，我們國家就已經開始了工業爐的生產工作，那時主要是通過加熱來提煉銅器。鑄鐵工藝最早出現于春秋戰國時期。與此同時熔煉鑄鐵相關高爐出現于十八世紀九十年代，且馬丁于十九世紀六十年代有機改造同氣體燃料相關的那些加熱平爐。此時的熱能項目在鍋爐中應用中獲取了一些成績，不過還是有不利點。熱能與動力工程中工業爐的應用發展分析對于工業生產來講，工業爐的地位非常關鍵。在早些時候，工業爐一般是經由燃燒材料的方法來提供熱能。在這種過程中，人們發現此種方法雖然能夠帶來熱能，但是也會對我們的環境產生非常惡劣的影響。隨著技術的不斷發展，人們發現可以通過工業爐來實現電和熱的有效轉化。目前熱能相關的研究工作在不斷開展，而且鍋爐的管理能力也得到了很大的提升，目前已經可以使用電腦控制鍋爐，這就在無形中將能量的利用率顯著的提升了。當前鍋爐有兩大類型，分別是推鋼型的和步進型。這兩者的差別是它們的輸送材料方法不一樣。

2.熱能項目中風機面對的問題

鍋爐設計風機的目的是為了壓縮并且運輸氣體，也就是說把機械能合理的變化為動能。當設備運行的時候，風機能夠將有關的氣體運輸到特定的設備中，它的功效比較顯著。最近幾年，我們國家的經濟和社會獲取了非常顯著的成就，人們對于能源也更為需求，有關能源生產單位若想在激烈的競爭中獲取發展，實現效益最大化，就應該切實的提升鍋爐的工作總量。正是因為不斷的增加其活動量導致風機因為長久的運轉而發生破損，一旦破壞就會影響到設備的正常運行。所以必須變換風機的工作模式。除此之外我們還需要注意一個事項，葉輪本身結構非常復雜，在其測量溫度的時候外在要素會對它的工作產生一定干擾。對于這個問題當前還沒有合理的解決方法。雖然如此，然而值得一提的是為采取熱能與動力工程已研發出的相關軟件可從多種方向對風機葉片燃燒的速度進行有效測定，且可對數值進行二維模型的模擬，通過此創建來對網格進行有效劃分，之后采取求解器對網格輸出、所需結果進行有效求取，最終獲取較為準確的一些模擬結果。

二、熱能與動力工程的廣泛運用了所取得的科技創新

1.燃燒控制

對于設備的燃燒控制來講，其中非常重要的一個部分是怎樣調節能量。我們國家的設備大多數使用的是人力模式，通過手工將燃料放到爐中，這樣能夠保證運轉穩定，不過非常的耗費人力。最近幾年大部分的單位都開始使用自動化模式。當前的燃燒方式有以下類型：第一是持續控制體系，它是由控制器和有關分析部件組合得到的，利用熱電來測定數值，進而使用電腦分析存在的偏差數值，只有這種方法可以確保結果是精確的，進而對設備燃燒合理控制。通過不斷的實踐我們發現上述這種設備在開工時存在一定的偏差，所以需要進行合理的研究以此來保證數值的精確性。交叉式燃燒控制系統。鍋爐由燃燒的控制器、燒嘴、流量閥、熱電偶等相關部分構成，其對所需測量的溫度進行轉換是經過溫度進行計算測量，分析設備能否和設定好的數值保持一致，進而起到控制燃燒的意義。這種燃燒方法的優點非常多，不但能夠節省零件，還能夠更為精準的控制溫度，所以在當前的工業生產中被大范圍的應用。

2.仿真類鍋爐風機的翼型

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關鍵詞：燃燒；燃燒技術；教學內容；熱能與動力工程

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）21-0055-02

目前，化石燃料在世界各國能源中占有主導地位，約占全球能源消費的87%，而且在未來可以預見的時期內，全球能源結構仍是以化石燃料為主，其他新型能源為輔的格局。隨著社會和科技的發展，對能源的需求越來越多，能源短缺已成為一個全球各國共同面臨的現實問題。由于化石燃料的大規模使用，其所帶來的環境污染問題也日趨嚴重。目前，節能減排已成為世界各國當前和未來的重要發展目標。研究和開發高效、低污染燃燒裝置，提高燃料燃燒能量利用率，減少對環境的污染，是目前世界各國迫切需要解決的重大關鍵技術。

哈爾濱工程大學基于當前對節能減排的迫切需求，自2006年起，在動力與能源工程學院熱機專業本科教學計劃中，開設了“燃料與燃燒”課程；自2007年起，分別在碩士研究生和博士研究生相關專業培養計劃中開設了“高等燃燒學”和“燃燒學的理論方法及應用”等課程。

一、“燃料與燃燒”課程定位

哈爾濱工程大學作為工業和信息化部直屬學校，其動力與能源工程學院熱能與動力工程專業是國家級特色專業，同時擁有工信部教學中心和黑龍江省級教學示范中心。作為燃燒機械的基礎，“燃料與燃燒”與大學普通物理、工程熱力學和流體力學等多門基礎課程密切銜接，課程在科學理論指導下，密切聯系實際工程應用。通過課程學習，可以拓寬學生專業眼界，了解燃燒學科發展前沿和發展重點，培養學生綜合運用知識的能力和動手能力。“燃料與燃燒”課程對于培養學生的獨立思考能力、創新能力和團隊合作能力具有重要作用[1，2]。自2006年設課以來，“燃料與燃燒”一直作為本科熱能與動力工程專業的骨干基礎課程。

“燃料與燃燒”課程的教學水平直接影響我校熱機各專業方向的學生素質和教學質量。對“燃料與燃燒”課程進行教學內容改革，提高其教學質量，對于提升哈爾濱工程大學熱能與動力工程專業在國內的影響和地位具有重要意義。

二、“燃料與燃燒”課程教學內容設計

除基礎理論部分外，“燃料與燃燒”課程中工程應用部分教學內容更新很快。隨著科學技術的不斷發展，燃燒技術不斷進步，燃料及燃燒裝置不斷推陳出新，相應教學內容也需不斷隨時更新，要求授課教師有堅實和廣闊的理論基礎，掌握國內外燃燒理論和技術的最新發展。

哈爾濱工程大學是我國進行船舶動力裝置研究和培養該領域高層次創新人才的重要基地，近年來對高性能船舶動力裝置進行了大量深入的研究，承擔完成了包括工信部高技術船舶項目、省市部委項目和各級基金項目等多項課題研究，對發動機預混燃燒、擴散燃燒、均質燃燒、稀薄燃燒和低溫燃燒等燃燒模式均有深入的研究，取得了多項具有國內外先進水平的研究成果，發表了大量的相關論文和專利。這些科研成果為“燃料與燃燒”課程教學和師資平臺搭建提供了豐富的資源，對“燃料與燃燒”的教學改革起到了很大的推動作用。

隨著燃料技術、燃燒技術和燃燒裝置的不斷發展和進步，為滿足教學需求，及時反映燃燒技術的最新進展，我校教學團隊編寫了《燃料與燃燒》本科教材。該教材是根據船舶動力裝置燃燒的特點，基于我校“三海一核”教學和學科的研究特色編寫的。《燃料與燃燒》教材系統闡述了燃燒的基本原理和理論；詳細講述了燃料動力學燃燒的計算方法，詳細論述了燃燒熱力學和燃燒化學反應動力學，著重介紹了船舶動力裝置涉及的預混燃燒和油滴蒸發控制的擴散燃燒；最后，為及時反映燃燒技術的研究進展，增添了新型船舶動力裝置所采用的高效低排放燃燒技術[3]。在教材的編撰過程中，大量引用了我校燃燒理論和燃燒裝置研究領域相關教師及碩博研究生的研究成果和國內外最新研究進展。教材內容豐富新穎、專業針對性強，可為我校及其他院校熱能與動力工程專業各研究方向本科生奠定系統的專業理論知識。通過課程學習，使學生在掌握扎實理論知識的同時，獲取燃料與燃燒相關工程應用知識。教材強調了“燃料與燃燒”課程教學內容的系統性、理論性以及工程應用性，編寫過程中注重了教學內容的易懂性，和培養學生應用所學知識、實際動手實驗以及團隊合作的能力。

通過“燃料與燃燒”課程的教學，使學生對燃料性質、燃燒現象的本質以及燃燒基本理論有一定的認識，進而掌握燃燒技術中所必須的熱化學、燃燒動力學及燃燒過程的基本知識與基本理論。掌握動力機械中氣態、液態和固態燃料的相互關系和區別，以及它們的特性、燃燒特點和規律，包括閃點、著火點和自燃點，不同燃料閃點、著火點和自燃點的變化規律，以及著火的形式和條件、火焰的傳播、燃燒產物的生成機理等。課程側重預混氣的爆震、層流預混燃燒、氣體擴散燃燒和燃料液滴燃燒等與動力機械密切相關的燃燒理論[3]。

國內外對動力裝置節能減排的要求實質上推動了燃料、燃燒理論及燃燒裝置的快速發展，為確保“燃料與燃燒”課程教學內容能充分反映相關理論和技術的發展，最新國內外燃料技術、新型燃燒技術及燃燒裝置應作為課程教學的重點更新內容。“燃料與燃燒”課程先后介紹了燃料及燃料特性、化學反應動力學、燃燒理論和燃燒裝置等，涵蓋了燃料、燃料的燃燒計算、燃燒化學動力學、燃燒反應系統的守恒方程、著火理論和燃燒界限、預混燃燒、擴散燃燒、液體燃料的燃燒、固體燃料燃燒、燃燒排放控制和燃燒裝置等方面的教學內容。課程各教學模塊內容主要包括：（1）燃料，主要包括燃料的來源、種類、組成，燃料性質、參數及變化規律，燃料物性計算方法；（2）燃燒過程的物質平衡與熱平衡，包括生成焓、反應焓、燃燒焓，固體燃料、液體燃料和氣體燃料的理論空氣需求量，實際空氣供給量和空氣過量系數，完全燃燒產物生成量、成分和密度，不完全燃燒產物及燃燒過程的質量檢測，燃燒溫度和熱離解對燃燒溫度的影響；（3）燃燒與化學平衡，重點為化學反應速度及化學平衡，反應度與平衡常數的關系；（4）化學反應動力學，內容包括基元反應、質量作用定律、反應級數，化學反應速率及其影響因素、各種級的單步化學反應，鏈鎖反應；（5）燃燒系統守恒方程，分子傳輸方程，基本守恒方程，流動邊界與熱邊界層；（6）著火和燃燒界限，熱自燃理論、強迫著火、熄火、著火爆炸與熄火現象為化學動力學控制的燃燒問題，燃燒界限的影響因素；（7）預混氣的燃燒，重點為燃燒波及其區別、瑞利公式、雨果尼奧曲線、雨果尼奧曲線上熵的分布、爆震波后已燃氣的速度與當地聲速的比較、查普曼-焦格特爆震波速度的確定、爆震波的速度、開爆震性和化學反應動力學決定的爆震極限；（8）層流預混火焰，主要包括熱理論，參數對火焰傳播速度的影響，火焰駐定原理，火焰淬熄；（9）層流擴散燃燒，主要內容為伯克和舒曼理論的基本假定和求解方法、燃料射流的唯象分析（層流火焰高度和湍流火焰高度）和層流擴散火焰射流（層流射流的混合和有化學反應的層流射流）；（10）氣體湍流燃燒，重點為湍流火焰的唯象方法；（11）液體燃料的擴散燃燒，主要包括單油滴的蒸發及質量燃燒速度，氣流中的燃料液滴，火焰的位置、燃料蒸汽、氧氣、產物及溫度的分布、噴霧燃燒及油滴群燃燒；（12）固體燃料的燃燒，內容包括固體燃料的燃燒過程、固體碳粒的燃燒（擴散燃燒、動力燃燒和過渡燃燒）、碳粒燃燒的化學反應（碳和氧的反應、碳和二氧化碳的反應、碳和水蒸汽的反應、一氧化碳的分解反應）、多孔性碳粒的燃燒、二次反應對碳粒燃燒的影響、碳粒燃燒速率及燃盡時間、灰分對碳燃燒的影響、固體燃料的燃燒方式和燃燒裝置；（13）燃燒排放控制，包括燃燒過程中NOx、SOx和顆粒等污染物的生成機理，影響污染物生成的因素，控制污染物排放的技術措施（改變燃燒途徑的措施和后處理措施）；（14）液體和氣體燃燒技術及燃燒裝置，主要包括船舶動力裝置（船舶柴油機、船用鍋爐和船用燃氣輪機等）的燃燒技術。

三、結論

“燃料與燃燒”是當今國內能源動力類本科專業前沿課程之一。作為哈爾濱工程大學動力與能源工程學院熱機專業方向的一門核心基礎課程，“燃料與燃燒”在我校熱能與動力工程本科教學體系中扮演著重要角色。通過對““燃料與燃燒”課程教學內容設計的探討，確定了以船舶動力裝置共性燃燒理論作為基本的教學內容，用國內外最新燃料與燃燒技術的發展更新課程教學內容，以期夯實學生的專業理論知識、擴展學生的眼界、提高學生的綜合素質。根據燃料和燃燒應用技術的發展，尤其是船舶發動機行業燃燒技術的發展，及時更新、豐富和優化課程教學內容，是實現課程教學目標、培養創新型人才的關鍵。通過教學內容的設計和改革，我校近幾年的教學實踐表明，“燃料與燃燒”課程教學取得了良好的效果。

參考文獻：

[1]蘇磊.《燃燒學》教學有感[J].中國科教創新導刊，2009，（34）：134.

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論文關鍵詞：專業實驗 開放 教學 素質培養

論文摘要：本文通過對專業實驗室傳統實驗教學模式對學生綜合素質培養存在的不足，結合專業實驗室的特點，討論了專業實驗室開放型實驗教學的模式和相應的保障措施。

隨著社會對人才要求的不斷變化，對高等教育的要求也在發生著變化。現代社會對人才的需求要求高等學校對學生的培養應注重能力和素質的培養，特別是加強創新意識、創新能力和實踐能力的培養[1]。高等學校的實驗室是培訓學生實驗能力、進行實驗教學、開展科學研究和社會科技服務的重要基地。尤其是專業實驗室，由于其教學內容非常貼近科學研究，實驗設施又多為科研成果的轉化產物，最有利于學生的科研能力、創新能力和實踐能力的培養[2]。

我校車輛與動力學院設有3個專業實驗室：車輛與交通實驗室、熱能動力工程實驗室和農業工程實驗室，分別承擔車輛工程、熱能與動力工程、農業機械及其自動化、交通運輸等專業的實驗教學任務和科學研究工作。長期以來，各專業實驗室的運行一直沿襲著傳統教學和管理模式，沒有發揮出專業實驗室在提高學生專業素質、培養學生實踐動手能力和創新能力上的作用，影響到對學生思維和創新能力及綜合素質的培養。而專業實驗室施行開放不僅可以提高實驗室的效率和效益，而且有利于培養學生的思維能力和創新能力，提高學生的綜合素質。

因此，開展專業實驗室對學生全面開放的實踐探索，對充分發揮專業實驗室在實踐教學中的重要作用、加強對學生綜合素質的培養是非常必要的。

一、專業實驗教學目前存在的問題

長期以來，專業實驗教學一直沿用傳統的教學模式和管理模式，這種傳統的教學管理模式對于培養學生的綜合素質而言，存在許多問題：

1.在實驗內容與實驗時間上，學生只能在規定的時間內、按照指導書規定的內容進行實驗；同時，由于實驗指導書內容過于詳細，學生實際上只能完成實驗過程。由于在內容、時間和教材方面存在上述問題，而學生實際動手能力和主觀積極性存在差異，因而不能做到因人、因材施教，無法調動學生的主動性，學生實驗的積極性不高。

2.由于專業實驗設備比較昂貴，專業性強，實驗室購置專業設備多為單臺套購置，為了保證實驗室實驗教學的進行，在實驗分組方面必然會由于分組人數多而導致使部分學生沒有充分的操作機會，實驗教學效果不理想；另一方面分組過細也會使實驗周期拖得很長，嚴重影響整個實驗室實驗教學工作的正常進行。

3.由于某些專業實驗設備只為某門課程的實驗教學服務，而一門課的實驗時間畢竟有限，從而導致一些投資很大的專業實驗設備和場地利用率很低。由于專業發展等因素，幾年后設備又需要更新，幾乎沒怎么用的設備就被淘汰了，造成很大的浪費。

4.目前專業實驗教學多為驗證性實驗，從屬于某一門專業課程，設計性、綜合性和研究性實驗少。無法調動學生的主觀能動性，不利于學生的思維能力、獨立工作能力和創造能力的培養，不利于學生的個性發展。

由于現行的實驗教學模式存在的問題，嚴重制約了學生實際動手能力、創新能力的培養。實行專業實驗室開放，有利于克服現行實驗教學模式存在的問題，有利學生綜合素質的培養和提高實驗教學的水平。

二、專業實驗室開放式實驗教學的形式

專業實驗室是本科生專業素質培養的重要場所，承擔學生專業技能、實際操作和動手能力訓練的教學任務。面向學生實行全方位開放，是專業實驗室運行方式發展的趨勢，專業實驗室面向學生開放主要有以下形式：

1.對專業課程實驗教學開放

在保質保量地完成課程大綱所要求的基本實驗教學任務的前提下，專業實驗室可以時間上和內容上要適當開放。在時間開放方面采用預約實驗方式，將實驗項目、完成實驗的基本人數和及進行實驗的時間對學生公布，學生可以根據自己的安排預約實驗。這種開放形式，在時間上給學生較大的靈活性， 可以提高學生學習的主動性，而且由于實驗人數不致過多，使每個學生都有動手參與實驗的機會，可以改善實驗效果。

在實驗內容方面，可以在教學大綱的基礎上，根據專業課程的內容開設部分選做實驗。在課程要求的基本實驗后， 學生可以根據自己的興趣愛好，在選做實驗中選擇實驗。這有利于發揮學生的學習專業知識和專業技能的主動性。

2.對專業課程設計、畢業設計開放

車輛動力工程學院的車輛工程、熱能動力機械、農業機械及其自動化均為產品設計類專業，主要是培養產品開發設計、產品性能改進的高級專業技術人才。在人才培養過程中，專業課程設計和畢業設計是非常的重要實踐性教學環節，是學生在運用所學基礎理論知識和專業知識基礎上對專業問題進行分析的綜合能力培養的重要環節。而專業實驗室在相關專業產品結構認知、產品性能試驗與檢測等方面為學生進行專業課程設計、畢業設計、提供了良好的必備基礎條件，所以，在專業課程設計、畢業設計過程中，專業實驗室起著關鍵作用。實驗室對學生進行專業課程設計、畢業設計開放，有利于提高專業課程設計和畢業設計的質量。

3.對學生參與科學研究活動開放

專業實驗室有較為先進的儀器設備和較高水平的教師，學科專業承擔了大量的科學研究和產品開放課題，將教師的科研活動和學生的專業素質和科研創新能力培養有機地結合起來， 將科研活動融入到教學過程中， 鼓勵和吸收學生參與一定的科研工作。通過參與科學研究活動， 學生可以了解科學研究的過程和科學研究方法， 體會科研工作的艱辛和成功的喜悅， 激發起學生的成就感和創造欲望。

三、專業實驗室開放式實驗教學的組織和實施

為了加強專業實驗室面向學生全面開放、促進實驗教學效果的改善，提高學生參與專業實踐性環節訓練的積極性和主動性，還應由完善的管理制度和相應的激勵措施，保證專業實驗室開放式實驗教學的組織和實施。結合我們專業實驗室的特點，主要應有以下幾方面的措施：

1.制定相關的政策，提高學生參加開放型實驗的主動性和積極性

目前，學校制定了《學生課外素質教育學分管理辦法》，對學生參加科技創新、科學研究活動等規定了課外素質教育學分，以鼓勵學生通過參加各類活動提高自身的綜合素質。但沒有與開放型實驗相對應的素質教育學分，現行的專業培養計劃和專業課程大綱也無相應的要求，這不利于調動學生的積極性。所以應在《學生課外素質教育學分管理辦法》（或專業培養計劃）中增加與開放型實驗環節相對應的素質教育學分規定。根據開放實驗的數量、難度，設置相應的學分，并規定畢業生必須獲得的最低實驗分數，以鼓勵學生主動參與開放型實驗，發揮學生學習的主動性。

2.發揮專業教師的引導作用

學生進入專業課學習階段，專業理論知識還處在學習和逐漸積累的過程中，此時，授課教師在學生專業知識和相關專業技能的傳授方面具有非常重要的作用。因此，授課教師在講授專業理論知識的同時，應結合課程內容和相關的學科進展、學科專業正在進行的有關科研項目以及專業技術人員所必須掌握的基本技能的要求，主動引導學生注重專業操作技能和動手能力的訓練，使學生了解參與開放型實驗對自身素質提高的重要性，從而調動學生參與開放型實驗的積極性，并積極參與到開放性實驗的具體指導。

3.適當改善實驗教師的待遇和增加實驗運行費的投入

專業實驗室的實驗設備大多比較復雜，一個實驗需要3-5人分別操作，實驗人員之間需要相互協調，合作完成。同時，開放型實驗多為學生自主實驗，因此，在實驗過程中，學生在實驗儀器設備的操作、實驗過程的進行、實驗數據的分析處理遇到的問題問題較多，這對指導教師的進行設備維護管理、實驗管理、專業知識儲備和實驗指導能力提出了更高的要求，實驗指導教師也就必然要付出更多的辛勤勞動，因此實驗指導教師的待遇應當適當提高，適當增加他們的工作量補貼，調動他們的積極性和主動性，讓他們有更多的精力投入開放實驗室的建設和完善，投入開放型實驗的指導工作。

由于開放型實驗多為學生自主實驗，是學生根據自己的興趣和想法來選擇和設計實驗，因此，實驗室的實驗設備必須保持良好的狀態，以滿足學生進行實驗的需求。隨著開放型實驗的進行，實驗設備的使用率提高，實驗材料的消耗也相應增加，實驗設備的運行費用相應提高。因此，為保證實驗室開放的正常進行，有必要加大相應的經費投入。經費的來源可改革實驗室投資機制，多渠道籌措資金，為實驗室開放創造條件。

4.建立完善的實驗室開放監督和評估體系

在開放型實驗教學活動中，為了保證實驗教學的質量，必須建立有效的監督和評估體系。應當對實驗項目的確定、開放型實驗計劃、開放型實驗的實施、開放型實驗的效果考核、儀器設備使用和維護等一系列過程的監督和評估，通過監督和評估，可以發現在實驗室開放過程存在的問題，不斷加以改進，提高專業實驗教學的整體水平。

三、結束語

傳統的專業實驗教學模式在學生實踐動手能力和專業技能培養方面存在許多不足，專業實驗室對學生實行開放型實驗教學模式，有利于學生綜合素質的培養。

為使專業實驗室開放型實驗教學獲得良好的教學效果，可采取以下措施：

1.通過政策引導，激勵學生主動參與開放型實驗，發揮學生學習的主動性；

2.發揮專業理論課教師的作用，在專業理論教學過程中引導學生注重專業操作技能和動手能力的訓練，積極參與開放型實驗；

3.適當提高實驗教師的待遇，增加實驗運行經費投入；

4.建立完善的實驗室開放監督和評估體系，不斷提高專業實驗教學的整體水平。

通過上述措施，通過學校和實驗教學人員等多方共同努力，加強實驗室建設和管理水平，專業實驗室的開放型實驗教學必將在學生的專業操作技能、實踐動手能力、科研創新能力等方面發揮不可替代的作用，成為高素質專業人才培養過程中重要的實踐性教學環節。

參考文獻

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論文關鍵詞：工程流體力學；教學研究；改革探索

“工程流體力學”課程在能源動力類工科專業中占有非常重要的地位，主要研究流體（液體和氣體）的平衡、運動規律及其實際工程應用的技術科學，是力學的一個重要的分支學科。通過本課程流體力學的基本概念和基本原理的學習，學生掌握分析和解決本專業中涉及流體力學問題的能力，為后續專業課程學習奠定基礎，然而當前的教學效果并不理想。自然界和人類生活中，以及工農業生產的各行各業中均廣泛存在流體流動現象，但是由于缺乏對生活的觀察，學生很難做到對課本講授內容形成直觀映像。此外，自然界中的流動現象往往包含多種流動方式，在理論分析與公式推導中涉及許多復雜的數學理論與方法，經驗公式多，且不易理解記憶，給學生的學習帶來很大困難，導致教師難教、學生難學，實踐與應用起來更是難上加難，教學效果不理想，教學目的難以實現。還對后續專業課的學習造成很大影響，進而影響本科教學的整體質量。因此，“工程流體力學”教學改革勢在必行。

一、“工程流體力學”教學調查研究

“工程流體力學”課程通常是開設于熱能動力工程專業二年級階段。對揚州大學的學生的問卷調查顯示，多數學生對“工程流體力學”課程的評價是“難學”。為何會有這樣的評價，通過分析發現，存在幾個方面的原因。

1.研究對象比較抽象

“工程流體力學”課程本身研究對象是流體，沒有一定的形狀和具有流動性，這是流體區別于固體的本質特征。這一特征決定了流體力學研究理論比較抽象、經驗公式繁多且推導過程復雜不易理解、易混淆，進而導致了本課程教師難教、學生難學，教學效果不夠理想。因此，能否將前面學習過的對“固體”平衡和運動物理規律的分析方法通過比擬的方式移植到“流體”上，并使其形成正向的學習遷移是學生能否很快的掌握本門課程學習方法、學好本課程的一個很重要的方面。

2.教師與學生

“教學”包括“教”與“學”兩個方面的內容，忽視任何一個方面都有可能造成教學效果的不理想。理論課教學是工程流體力學課程教學的主要方面，是進行實驗指導和應用于工程實踐的基礎。某些任課教師為了自己的方便省事，教材和教學內容仍然是多年前的老教材，對現階段流體力學的發展方向和研究成果，以及本學科的最新科技前沿理論及工程應用進展不能做到及時更新，教學內容與實際應用嚴重脫節。

教學方法單一呆板，無法吸引學生的興趣。經常看到這樣一種現象：教師在講臺上只顧著自己滔滔不絕地講，忽視了課堂教學的互動性和學生的主觀能動性，學生了無興趣的在座位上睡覺、開小差、玩手機，基本上是教師在向學生單方面地傳授知識，這樣的教學效果是很低的。

本專業本科生新的培養方案中課程設置有這樣一個特點：課程增加，課時壓縮，總學分保持不變。“工程流體力學”課程理論課學時從64壓縮到48學時，在教學內容總量不變的情況下，每堂課教授的內容，即學生需要接受的信息量就大大增加了，嚴重增加了學生的負擔。“浮躁”是當代很多大學生所普遍具有的心理特征，導致的直接結果是學生自制力差、怕吃苦，上課前不預習、課后不認真復習、作業普遍抄襲。

二、教學改革的目標

圍繞當前“工程流體力學”課程教學中存在的問題，以提高課程教學質量、實現教學目標為目的，進行了如下方面的改革：改變教育理念，以課程改革與教學適應新時代的要求為目的；加強教學方法與教學手段的改革，提高“教”的質量；加強課程的應用性，解決基礎理論課程的知識教育、應用能力與創新能力的培養，全面提升學生的綜合素質；加強課程教學評價與考核體系改革，引入全程教學評價與考核機制。

三、“工程流體力學”教學改革探索

從上面的分析可知，“工程流體力學”課程教學效果不理想存在很多方面的原因，因此，教學改革也要同時從多方面入手才可以起到事半功倍的效果。以下是筆者在揚州大學熱能與動力工程專業本科生課程教學中進行的探索與嘗試，取得了較好的效果。

1.教學方法的探索與實踐

（1）俗話說“良好的開端是成功的一半”，第一堂課的重要性也就不言而喻了。興趣是學生學習的直接原動力，能否在開始就激發學生對“工程流體力學”課程的學習興趣是學好本課程的關鍵。運用多媒體技術，通過生動的視頻和動畫向學生展示生活中隨處可見的流體力學現象。如，男孩子喜歡足球、乒乓球的比較多，可以用“香蕉球”和“弧圈球”現象的流體力學解釋來吸引他們的注意力，還有其他的現象如高爾夫球表面的凹坑設計依據，飛機機翼能夠產生巨大升力，跑車外形設計成流線型又是什么道理等等。此外我國正在實施的“南水北調”工程同樣涉及很多流體力學相關知識，以上這些事例都是學生所非常熟悉而又在學習之前無法用理論來解釋的現象，很容易引起學生的注意力和想要探索的興趣。

（2）合理使用多媒體。在流體力學的教學過程中，采用多媒體有利于學生對流動現象的感性認識，加深對概念的理解，提高學習興趣。但是，采用過多或華麗的多媒體也會產生一些負面作用，如多媒體教學替代板書節約了時間，增加了授課容量，但相應的講課速度也就比較快，學生不易吸收和消化，容易造成學生“跟不上”進度，產生厭學情緒。因此，傳統板書與多媒體有機結合的教學方式可以充分利用各自的優點，達到最佳教學效果。當然，不同教學方式之間的比例分配的“度”是需要關注的問題。

2.教學內容的選擇

“工程流體力學”課程是機械、能源、化工、動力、建筑、生物、航天等專業的重要的專業基礎課，這些專業具有不同的特點，對流體力學知識需求的側重點也不同。因此，教材的選取要有針對性，即根據本專業特點和要求、學生層次來選擇教材。此外，教師要能夠跟蹤掌握現階段流體力學最新的發展方向與研究成果，不斷更新和補充教學內容，做到課程內容的與時俱進。

3.重視實驗教學

實驗教學是“工程流體力學”課程教學必不可少的組成部分，屬于實踐教學環節。通過實驗對理論進行驗證，從而加深對課程基本概念和理論的理解和掌握。在基礎實驗外增加設計性實驗、建立開放性實驗室，鍛煉學生的動手能力，培養學生發現問題、分析問題和綜合運用所學知識解決實際問題的能力。

4.課程評價與考核體系

對于“工程流體力學”課程來說，學習要達到的目的是學生運用所學知識對實際工程問題的進行分析和解決的能力，而不是對課本理論知識和大量復雜公式的記憶能力。因此建立合理、公正、客觀的課程評價與考核體系非常重要。針對學生普遍存在的平時不努力、考前幾天突擊考試的現象，摒棄“一考定成績”的考核方式，采用靈活的、全程考核方式取得了很好的教學效果。具體做法是：提高平時成績所占最終成績權重，包括出勤率、課堂互動和討論、小測試、作業質量等平時學習各方面的表現；期末考試成績權重減少，采用閉卷方式，但考題中所涉及的公式、圖表等會在試卷中集中給出，并增加一些干擾公式進去，既避免了學生花大量時間去記憶毫無規律可言、而又易忘的經驗公式，同時也達到了考核學生選取基本理論和公式去分析、解決實際問題的能力，實現了教學目的。

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自學考試時間

遼寧遼陽2020年上半年理論課考試時間為4月11日星期六、12日星期日（上午9:00-11:30；下午14:30-17:00），各專業考試課程和時間安排詳見（附表四、五）。2020年上半年實踐環節考核和論文答辯的時間由各主考學校確定，各專業實踐環節考核課程及時間安排詳見（附表六、七）。

停考專業和遺留問題處理

（一）停考專業

1．能源管理（專科和獨立本科段）專業自2017年下半年起停止接納新生報名，2020年下半年起不再安排課程考試。

2.會計、會計（會計電算化方向）、護理學、船舶與海洋工程（航海技術方向）、船舶與海洋工程（輪機工程方向）、法律、日語、機械制造及自動化（數控加工方向）、焊接、視覺傳達設計、廣告、環境藝術設計、飯店管理和信息管理與信息系統等14個專科專業和電廠熱能動力工程（應用本科）、數控技術（應用本科）、園林（應用本科）、計算機器件及設備（應用本科）、英語、物流管理、日語、石油工程、機電一體化工程、采礦工程、珠寶及材料工藝學、模具設計與制造、廣告學、旅游管理、工業工程和新聞學等16個本科專業自2018年上半年起停止接納新生報名，2021年上半年起不再安排課程考試。

3.藝術設計（人物形象設計方向）1個專科專業和服裝設計與工程（應用本科）、營養、食品與健康、應用化學、機電設備與管理（礦山方向）、電子信息工程和教育技術等6個本科專業自2018年下半年起停止接納新生報名，2021年下半年起不再安排課程考試。

以上停止接納新生報名的39個專業的專業代碼和專業名稱不進行調整，仍按照原專業名稱和專業代碼報名考試及辦理轉考、免考和畢業，2021年下半年起停止頒發畢業證書。

（二）停考專業遺留問題處理

停考專業停止安排課程考試后，該專業的考生可按下述辦法選擇遺留問題處理方式：

1、停考專業中未合格的課程，可選擇其它專業中名稱和課程代碼相同的課程進行考試。

2、停考專業中，尚有二門以下（含二門）理論課沒有合格成績不能畢業的，可自主選擇自學考試其它原則上相近專業的相關課程參加考試，取得原專業考試計劃規定的課程門數和學分即可按原專業申請畢業，最后辦理畢業時間為2021年6月30日。

3、停考專業中，尚有二門以上理論課沒有合格成績不能畢業的，可按自學考試相關規定轉入其它專業參加考試，取得專業考試計劃規定的合格成績后，按照轉入專業申請畢業。

開考專業

專科專業：漢語言文學、英語、連鎖經營管理、汽車檢測與維修技術、數控技術、機電設備維修與管理、文秘、學前教育、計算機應用技術和物聯網應用技術等10個專業。

專升本專業：漢語言文學、旅游管理、電子商務、計算機科學與技術、動物醫學、電氣工程及其自動化、軟件工程、視覺傳達設計、機械設計制造及其自動化、市場營銷、動畫、土木工程、護理學、藥學、中藥學、眼視光學、公安管理學、社會工作、化學工程與工藝、過程裝備與控制工程、自動化、交通運輸、人力資源管理、汽車服務工程、學前教育、環境設計、數字媒體藝術、小學教育、國際經濟與貿易、金融學、船舶與海洋工程、會計學、工商管理、工程管理、法學和物聯網工程等36個專業。

根據《教育部辦公廳關于印發〈高等教育自學考試專業設置實施細則〉和〈高等教育自學考試開考專業清單〉的通知》（教職成廳〔2018〕1號）文件精神，我省制定了《2018年遼寧省高等教育自學考試專業調整工作實施方案》，從2018年下半年起，開考的專業全部調整為《高等教育自學考試開考專業清單》（已下簡稱《專業清單》）內專業，原開考專業不在《專業清單》內的，專業調整后全部取消，并停止接納新生報考，2021年下半年起停止頒發畢業證書。專業調整對照情況詳見（附表一、二、三）。專業調整后，原本科專業“第二學歷”專業計劃文件已不適用，2018年下半年起停止接納新生報考“第二學歷”，不再按照“第二學歷”專業計劃給新生辦理課程免考。

旅游管理、電子商務、市場營銷、人力資源管理、金融學、會計學（AB計劃）和工商管理（AB計劃）等九個專業，按照教育部文件要求，計劃中增加公共政治課“基本原理概論”（課程代碼：03709）。2019年下半年起報考該九個專業的新生，須考“基本原理概論”（課程代碼：03709）。符合《遼寧省高等教育自學考試學歷認定和課程免考實施細則》（遼招考委字〔2009〕21號）要求的考生，可以申請課程免考。

附表四：遼寧省自學考試2020年4月考試課程安排表（開考專業）（點擊鏈接查看）

附表五：遼寧省自學考試2020年4月考試課程安排表（停考專業）（點擊鏈接查看）

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關鍵詞：電煤 鍋爐 煤質特性 煤灰特性

中圖分類號：TK22文獻標識碼： A

目前，我國霧霾天氣頻現，多方證據表明燃煤是霧霾天氣產生的主要原因之一。而我國動力煤消費在煤炭消費中占據很大的比重，電煤需求量又占到了動力煤總需求量的60%以上。所以選取高效綠色煤源，進一步提高燃煤運行鍋爐熱效率將成為電煤應用中首先考慮的問題。準格爾煤田煤層平均厚度32.8米，屬低硫、中等水分、中等灰分、較高揮發分、較高發熱量和高灰熔點的長焰煤。其煤質特性和煤灰特性在電煤應用中優勢明顯，適合多數大型電廠煤粉爐燃燒，同時也適合同其他煤種一起摻燒以提高煤炭利用率。

1 煤質特性和燃燒特性分析

1.1煤質特性分析

以準能公司生產煤炭洗選產品準2、準5為例,2013年1月-10月每月平均煤質分析數據見表1、表2。

表1準2（4900千卡/公斤）煤質分析數據

表2準5（4300千卡/公斤）煤質分析數據

目前我國大多數電廠采用煤粉爐，鍋爐設計要求入爐煤的發熱量在（4000-5000）千卡/公斤范圍內。從表1和表2中可以看到準2、準5的發熱量正好與鍋爐爐型相適應，可以提高鍋爐熱效率，充分利用其熱能。其揮發分均維持在36%-37%，可以保證燃料的著火溫度不會太高。并且在發熱量相同的情況下，燃用揮發分高的煤，鍋爐的的熱效率會進一步提高。而且揮發分值小于38%，對于多數煤粉爐不必擔心因火焰中心逼近噴燃氣出口，可能因燒壞噴燃氣而停爐。從表1、表2中，我們還看到該煤磨制后折算出的水分也是不高不低恰到好處。不僅不會因為水分過大造成制粉系統堵塞，也不會因為汽化吸收帶走過多熱量，反而在水分蒸發后，煤層變疏松，可均勻通風，同高揮發分一樣有利于煤的燃燒。平均0.60%的硫分，不用過度擔心粉煤在燃燒過程中對設備的腐蝕和環境的污染。我們也可以判斷出該產品中硫化鐵含量非常低，不會造成磨煤部件的磨損。電廠在除硫方法和脫硫工藝的成本控制方面也有了更大的選擇余地。

灰分波動范圍在22%-33%，雖然離優質動力煤（Ad%

燃燒特性分析

準格爾煤田產品品種屬于長焰煤，作為電煤使用可用下面公式估算其著火溫度Td。

Td=654-1.9Vdaf+0.43Ad-4.5Mad（1）

將表1、表2中數據代入式（1）中，計算出Td的范圍是（580-588）°C。從下面表3可以判斷，該煤在鍋爐中燃燒具有非常好的穩定性。

表3燃燒穩定性判斷依據

將表1、表2中數據經過換算后代入到式（2），計算出Fz的范圍是3.0-5.0。從下面表4可以判斷，該煤屬極易燃煤，完全可以燃盡。

表4燃盡特性判斷依據

以準能公司煤場儲存大堆煤為例，從東至西隨機選取四個煤堆采樣，最終合并為四個總樣后做煤灰特性分析，具體數據見表5。

表5煤灰特性分析數據

評價煤灰是否容易結渣的一個重要指標，一般較常用的是軟化溫度。對于固態排渣爐，當ST>1350℃時,管壁上積灰層和附近煙氣的溫度很難超過灰的軟化溫度，所以不會發生結渣。從表5中可以看出該煤種ST全部大于1350℃，即使因為鍋爐方面的原因最多也是輕微結渣，易于處理。另外，由于煤灰中的酸性成分比堿性成分的熔點普遍要高一些，因此也可以從堿酸比來判斷煤灰結渣的難易。當堿酸比小于0.1時，一般可判斷該煤為不結渣煤。所以從堿酸比也可以判斷出準格爾煤田的產品在鍋爐中燃燒一般不會結渣。而灰中所含堿性物質（主要是Na2O和K2O）越多，灰的燒結性越強，過熱器就越容易積灰。從表5中可以看到，該煤種堿性物質含量很低，作為燃料吹灰除渣工作量相對較小。

更為重要的是，從表5中可以看到煤灰中硅（二氧化硅平均含量達到40%以上）和鋁（氧化鋁平均含量達到50%）含量較高，完全可以對其進行高附加值的資源化回收利用, 實現可持續發展。目前我國對從粉煤灰中提取氧化鋁、二氧化硅的工藝均有深入的研究，特別是提取氧化鋁已經可以進行規模化生產。不過要求粉煤灰中鋁含量至少要達到30%以上，超過45%才能保證生產的連續性和產品質量。從這一點來說，準格爾煤田產品在鍋爐中燃燒后產生的粉煤灰不僅不再是固體廢棄物，而且將為我國電力行業的可持續發展規模化道路探索做出巨大貢獻。

3 結論

準格爾煤田在電煤應用中具有其獨有的優勢。其低硫、中等水分、中等灰分、較高揮發分、較高發熱量和高灰熔點的煤、灰特性不僅可以讓其成為綠色、優質動力煤，保證鍋爐安全高效運行，而且可以和其他低揮發分或是低灰熔點的煤種混合摻燒，改變其他煤種在鍋爐中著火溫度高、不易燃盡和容易結渣的缺點，提高煤炭利用率，確保鍋爐的燃料供應。同時，該煤種作為燃料產生的粉煤灰不再是電力行業的主要廢棄物，可以對其進行資源化利用，最大限度地減少灰渣堆存占用土地面積，達到環境保護的要求，真正實現可持續發展。

參考文獻：

【1】孫路石，陸續東等．大型電站鍋爐煤種適應性分析實例．熱能動力工程，2002,4:353-355．

【2】樊泉桂，樊增權等．300MW鍋爐摻燒銅川長焰煤的運行特性分析．熱力發電，2004，7:43-45．

【3】高小濤．電站鍋爐燃用混煤的煤質特性分析．江蘇電機工程，2009，1：63-65．

篇7

論文摘要： 本文針對現行跨專業選修課教學模式和考試方式所存在的問題，探討了一系列的改革方案，如設立專題講座、采用一頁開卷式考試等，以努力提高高校的素質教育。

一直以來，由于面向的教學對象是沒有經過該學科前期基礎課程學習的學生，跨專業選修課在高校教學中一直是難以駕馭的課程類別。讓學生掌握晦澀難懂的外專業知識，激發學生學習外專業知識的興趣，提高學生的綜合素質，跨專業選修課教學模式和考試方式的改革勢在必行。下面筆者以我校的一門跨專業選修課《電力生產概論》的教學改革為例做一些探討。

1.現行教學模式及考試方式

我校基于電力行業背景，辦學形式有濃厚的電力特色。為了讓我校各專業學生都了解電力生產知識，《電力生產概論》課程應運而生。該課程為全校選修課，所有非熱能動力工程的學生都要選修這門課程，這樣就存在兩點問題：一是教學對象均為跨專業跨學科學生，沒有該專業的理論背景，有些甚至沒有工科背景；二是課堂容量較大，超過百人，課堂上難以做到面面俱到，控制較難。

現行的教學模式采用的是講稿式的多媒體教學。在這種模式下課堂教學內容死板，專業性較強，學生感覺專業跨度大，有很多晦澀難懂的專業名詞，學起來非常吃力，久而久之，不少學生對該課程提不起興趣，單純只為了賺學分，沒有達到讓學生了解先進的電力生產知識的教學目的，教學效果很差。

考試形式采取的是傳統的閉卷考試形式，往往是面對課本知識和課堂教學內容命題，考試功能單一，基本上是終結性的評價，而不是教育進行中的診斷性的評價和水平發展性的評價，偏重理論化，在這種情況下就造成學生為了考試而考試，考前死記硬背，考試基本上是考記憶力，考試內容不合理，局限于教材。客觀性試題比例大，而綜合性考題、分析論述題少，制約、干擾、阻礙了學生分析綜合能力的培養和創新精神的培養。

2.教學模式改革

2.1設立專題講座形式。

電力生產概論體系設置比較系統。根據我國的主要發電形式，教學內容分為火力發電、水力發電、核電、新能源發電等幾部分，其中新能源發電又包括風力發電、太陽能發電、生物質發電等。各章獨立，自成系統，各部分內容均有很多前沿的技術，而且發展迅速，僅靠講述書本知識已經不能適應科技的進步。因此設置專題講座形式，使學生學習起來更系統，而且在講座過程中，運用通俗易懂的語言，由淺入深，學生可以積極參與，對感興趣的問題進行提問，了解最新的發電技術，做到課堂互動，真正達到該課程的教學目的。

2.2改進多媒體，教學內容更加多樣化。

原有的多媒體是以文字為主的PPT，大多是從書本復制過來的講稿。對于沒有專業背景的外專業學生，顯然有些內容是晦澀難懂的，學生面對干巴巴的文字也提不起興趣。要讓這些專業內容變得通俗易懂、生動活潑，這就需要在多媒體的形式上多下功夫，大量地采用圖片、視頻、CAI課件、Flas等，做到圖、文、聲、像并茂，激發學生的學習興趣。

2.3分組討論，合作學習。

改變傳統單一的教師“教”的模式，把學生“學”生動地引入到課堂教學中去，改變一言堂教學。在每一個專題授課結束后，在課堂上教師布置與該專題的相關開放性課題，比如現代風力發電的諸多問題的研究，對班級學生進行分組，并要求各組成員課下去檢索相關資料，確定議題，就此議題發表各自看法。在下一次課上，每組派代表將自己的研究內容簡要報告，并進行討論。

這種分組討論合作學習的方式要想能夠達到預期效果，在實踐中必須強調合作學習的三意識：

（1）責任意識。讓學生明確參加小組討論是每個人的責任，在小組討論中有敞開心扉、暢所欲言的意識。

（2）質疑意識。善用批判思維，巧用發散思維，大膽質疑，提出問題，并在合作的過程中有所爭論、有所發現、有所創新。

（3）整體互補意識。在討論中既理性地審視自己，又海涵他人的智慧。不要怕爭論。許多真知灼見往往是在創造性氛圍下的沖突中產生的，這樣才能產生集體智慧高于個人智慧總和的效果。

3.考試方式改革

采用原有閉卷考試方式，學生考前突擊復習，死記硬背，試題內容單一，偏重理論知識，最終導致成績評定不能完全體現學生的真正學習水平。因此考試及成績評定宜由以下兩部分組成：

3.1撰寫小論文或調查報告。

其題材可以由教師提供，也可以學生自選；可以是綜述、述評，或做理論上的新闡釋、方法上的改造、技術上的創新、操作上的變革等，也可以是對已有觀點的新闡發或商榷等，但必須要以探索、創新、發展為其突出特征。在撰寫完成后，還需安排答辯，以檢驗其寫作的真實程度、下工夫程度，考查所獲取的與論文相關信息的廣度以及信息批判思維和信息創新思維的深度，作為評分的重要依據之一。

3.2一頁開卷考試。

“一頁開卷”既不是閉卷考試又不同于我們常見的普通開卷考試，它的實施方法是允許學生在考試之前的復習中準備一張紙，將自己認為的課程重點寫在上面，考試時這張記錄紙可以帶入考場以備查閱，但不得在考生之中交換。這種考試方法是符合電力生產概論教學目標的，因為電力生產概論教學強調讓學生學懂和應用電力生產知識，而不要求學生死記硬背，因此在考試目的上也就要求我們要考查學生運用知識解決實際問題的能力，而不是考查記憶能力。

“一頁開卷”的考試方法有三個明顯的優點：（1）可以在考試之前極大地調動學生認真復習、準備考試的積極性，因為考試的成績與自己準備的充分程度相關，準備越全面，考試的總體效果就越好，同時也鍛煉了學生的總結歸納能力。（2）有利于讓學生避免死記硬背的學習方法，而更專注于對知識的理解和活學活用，從注重記憶的學習轉向注重理解的學習。（3）有利于減輕學生不必要的學習負擔，緩解學生考試前的心理緊張和焦慮狀態。

4.結論

筆者通過跨專業選修課的教學實踐，分析了原有教學中存在的問題，努力探討跨專業選修課的教學模式與考試方式的改革方案，為培養出有創新能力、有合作精神、有解決實際問題能力的高素質學生，使我們的教育教學更趨科學化、合理化提供了建議。

參考文獻：

［1］廖仁光.合作學習模式的運用及考試成績的評定［J］.科技情報開發與經濟，2007，17（7）.

［2］羅軍.跨專業選修課《家用電器》的教材電子化探索［J］.重慶教育學院學報，2002，15（3）.

［3］尚堅.淺談跨學科、跨專業混合班《有機化學》教學［J］.高等理科教，1997，2.

篇8

論文摘要：針對油田注水工況下，恒流堵塞器易受固體懸浮顆粒沖刷磨損作用的問題進行了數值模擬。以商業CFD軟件Fluent 6.1為基礎，建立了恒流堵塞器流場三維幾何模型，對堵塞器內部流場進行了計算；采用Lagrangian離散相模型、Haider曳力公式和隨機軌道跟蹤方法求解了湍流中顆粒運動軌道；應用Bitter顆粒沖刷磨損模型對沖刷磨損失重進行了計算；對現場測試數據和數值模擬結果進行了對比，證明了數值模擬的有效性；對模擬結果數值上不夠精確的原因進行了分析，指出了在注水流量控制裝置流體磨損腐蝕分析中充分考慮電化學腐蝕和不銹鋼鈍化作用的必要性。

恒流堵塞器是一種用于油田分層注水系統的新型井下分層流量控制裝置，它通過機械結構的流量負反饋或壓力前饋作用對流量進行自動調節，具有結構簡單、體積小、成本低、使用方便、可靠性高等諸多優點，加上可直接應用于原分層注水管柱，因此具有很好的推廣價值[1，2]。但油田注入水存在一定固體懸浮顆粒，且恒流堵塞器閥口處的流速很高，因此不可避免地要發生沖刷磨損現象，進而對其流量調節精度造成不利影響。

目前對油田注水井井下流量控制裝置沖刷磨損情況的研究不多，對傳統的固定水嘴堵塞器，一般采用陶瓷或硬質合金水嘴提高其耐沖刷腐蝕性能，但水嘴刺損仍是堵塞器最常見的失效形式之一。對于恒流堵塞器，目前的研究一般限于其流量特性方面，現文獻中僅文[1]對恒流堵塞器現場試驗中的沖刷磨損問題有所提及。但Russell等人通過CFD方法對一種井下滑套的速度場進行了模擬，并采用全尺寸加速沖刷磨損試驗裝置對其沖刷磨損情況進行了分析，可為恒流堵塞器等油田注水井下流量控制裝置的沖刷磨損研究提供參考[3，4]。

對顆粒沖刷磨損問題的試驗研究存在成本高、周期長等問題，而采用CFD進行數值模擬可以較好地解決這一問題，因此受到人們的日益重視，在管道[5]、葉片[6]、泵、閥[7]等過流部件的沖刷磨損研究中都有所應用。

1 Lagrangian離散相模型

作為當前的主流商業CFD軟件之一，Fluent提供了Lagrangian離散相模型、混合物模型、Euler模型等多相流模型。其中Lagrangian離散相模型在分散相體積分數小于10%的顆粒流計算中應用較多，此時，流體相被處理為連續相，通過一般的時均N-S方程進行計算；而離散相則是通過計算流場中大量的粒子的運動得到的，且粒子運動的計算是獨立的，它們被安排在流體相計算的指定間隙完成。

1.1 顆粒運動微分方程

顆粒運動遵循牛頓第二運動定律，其微分方程為：

(1)

式中，uP、u分別為顆粒相和流體相的速度，m為流體相的動力學粘度，CD為曳力系數， ReP為相對雷諾數，ρP、ρ分別為顆粒相和流體相的密度，dP為顆粒直徑，g為重力加速度；F則主要包括附加質量力和升力，前者在顆粒密度大于流體相密度時的數值很小，而升力對細小顆粒的影響通常也可忽略，為簡化計算過程，本文不考慮這些力的影響。因此，顆粒在t時刻的位移可表示為：

(2)

1.2 湍流擴散作用

針對湍流對顆粒存在的擴散作用，Fluent 6.1提供了隨機軌道模型和顆粒群模型兩種模擬方法，其中隨機軌道模型可用于各向同性擴散為主的流動，此時，式(1)、(2)中的流體速度應按下式進行計算：

u=ū+u'

(3)

式中，ū流體相的時均速度，u'為其隨機脈動速度，Fluent 6.1采用隨機游走模型來確定該脈動速度，對k-ε湍流模型，有：

(4)

式中，k為湍動能，?為服從正態分布的隨機數。

隨機游走模型假定流體的脈動速度在流體渦的特征生存時間內保持為常量，同時應用了積分時間尺度的概念，對于具有良好跟隨特性的細小顆粒，顆粒的積分時間尺度簡化為流體的Lagrangian積分時間尺度TL，對k-e湍流模型，有：

TL=0.15k/e

(5)

式中，e為湍動能耗散率。

1.3 壁面碰撞恢復系數

運動顆粒和壁面碰撞過程中，存在能量損失和轉化，因而反彈速度低于入射速度。Southampton大學的研究人員對AISI 4130鋼在固體顆粒沖擊時的速度變化進行了研究，結論如下[7]：

(6)

式中，a為顆粒沖擊角，eT、eN分別為恢復系數的切向和法向分量。Fluent 6.1中，上述擬合多項式形式的恢復系數可直接在壁面邊界中進行設置。

2 沖刷磨損計算模型

由于沖刷磨損破壞過程較為復雜，存在微切削、疲勞破壞、二次沖擊、磨損腐蝕交互作用等多種物理化學過程，到目前為止，人們仍未能全面揭示其內在機理。現在常用的塑性材料沖刷磨損模型主要有Finnie的微切削理論、Bitter的變形磨損理論等。

Finnie的微切削理論主要考慮顆粒對材料的切除作用，因此主要適用于塑性材料在多角形磨粒、低沖擊角下的磨損分析，對于塑性不很典型的一般工程材料、脆性材料及非多角形磨粒、沖角較大的情況下往往存在較大誤差。而Bitter提出的沖刷磨損模型可以分為變形磨損和切削磨損兩部分，其中切削磨損部分采用了與Finnie相似的分析方法，其計算公式為：

(7)

式中，mP為顆粒質量，c1、c2為與材料性質等有關的系數，uc為沖刷磨損臨界速度，a0為切削磨損模型的臨界角度，eC、eD分別為材料表面產生單位切削和變形失重時吸收的能量。變形磨損部分是由顆粒沖擊時產生的疲勞破壞造成的，存在亞表面層裂紋成核長大及屑片脫離母體的過程，計算公式為：

(8)

總磨損量為：

(9)

Bitter提出的沖刷磨損模型充分考慮了顆粒的微切削和沖擊疲勞兩種主要破壞作用，在沖刷磨損試驗機上和實際工程運用中得到了較好的驗證，合理地解釋了塑性材料的沖刷磨損現象，同時計算模型較為簡單，模型中的各參數比較明確且相對容易獲得，在一些實例中也得到了較為理想的計算結果。因此，本文通過用戶自定義函數(UDF)將Bitter沖刷磨損模型引入到Fluent 6.1并用來計算恒流堵塞器的沖刷磨損量。

3 計算過程及結果分析

恒流堵塞器結構如圖1所示，不同流量恒流堵塞器對應的節流閥口直徑不同；而不同工作壓差下，閥芯位置不同，即減壓閥口開度不同。本文對額定流量為40 m3/d和90 m3/d的恒流堵塞器在工作壓差2.0 MPa和8.5 MPa時的沖刷磨損情況進行了模擬。

圖1 恒流堵塞器結構示意圖

Fig.1 Structure of the constant flux blanking plug

3.1網格劃分、邊界條件及參數設置

額定流量qV為40 m3/d的恒流堵塞器的節流閥口直徑d為4.46 mm，對應工作壓差2.0 MPa和8.5 MPa時的減壓閥口開度Dx分別為0.49 mm和0.18 mm；額定流量qV為90 m3/d的恒流堵塞器的節流閥口直徑d為6.55 mm，對應工作壓差2.0 MPa和8.5 MPa時的減壓閥口開度Dx分別為1.20 mm和0.44 mm。取流場的1/2進行計算，網格為三維分區網格，在閥口處適當加密(圖2) 。

圖2 流量40 m3/d、閥口開度0.49 mm時的計算網格

Fig.2 Mesh， flow rate=40m3/d， opening=0.49 mm

邊界條件包括入口壓力、出口壓力、壁面顆粒反彈、沖刷磨損等參數，較為重要的參數及選項設置情況見表1，其中一些數據參考了文獻[7，9-11]及大慶等油田的相關測試資料。

表1 重要參數及選項

Table 1 Important parameters and options

2.46×10-3

3.2 計算結果

四種情況下恒流堵塞器流道內的水流速度如圖3所示。可見減壓閥口處為流速最大的部位，工作壓差8.5 MPa時最大流速已可達約110 m/s，導致相應顆粒沖擊壁面的速度也較高，因此沖刷磨損量也將急劇增大。減壓閥口處的沖刷磨損率分布情況如圖4所示，可見該處的磨損率還是比較大的，且工作壓差較大時磨損尤為嚴重。這說明文獻[4，5]中通過流速大小分析油田注水流量控制裝置沖刷磨損特性的方法具有一定意義。

對于定差減壓-節流式恒流堵塞器，影響其額定流量的主要是節流閥口的直徑和流量系數，理論分析表明，節流閥口磨損后，恒流堵塞器的流量將顯著增大；而減壓閥口磨損后，恒流堵塞器本身的調節特性使得相同工作壓差下閥芯產生相應微小位移補償了閥口磨損量，因此流量變化較小。圖5給出了節流閥口和減壓閥口磨損對流量影響的計算機仿真結果，恒流堵塞器的地面流量特性試驗也得到了相近的結論。沖刷磨損模擬計算中，減壓閥口和節流閥口的最大沖刷磨損量如表2所示，可見節流閥口磨損量同減壓閥口沖刷磨損量相比很小，這對恒流堵塞器的使用壽命是有利的。 圖3 速度云圖

Fig. 3 Velocity cloud map

圖4 沖刷磨損量云圖

Fig. 4 Particle erosion rate cloud map

圖5 閥口磨損對流量的影響

Fig. 5 Influence of the valve ports wear on the flow rate

表2 閥口計算沖刷磨損率

Table 2 Calculated erosion rates of the valve ports

3.3 現場試驗情況及分析

在大慶等油田進行的現場試驗中，經過近10個月的井下應用，各恒流堵塞器都出現了一定的磨損，經觀察，主要磨損部位均出現在減壓閥口處，而節流閥口處的磨損現象不明顯，實際磨損率同數值計算結果也在一定程度上相吻合；另外，郭英偉等[1]對KHPX-20型恒流堵塞器的井下應用情況作了一些更長周期的監測，18個月后減壓閥口的最大磨損量為1 mm左右，與本文的計算結果也基本相符。但是，一方面實際磨損率相對預測結果普遍偏大，另一方面相近流量和工作壓差下不同井層恒流堵塞器的磨損率存在較大差別。產生這一結果的主要原因在于：① 各注水井層的水質等環境因素差別較大，水中雜質含量也存在較嚴重的超標現象。據2003年12月大慶油田完成的注水質量調查報告，該油田深度水處理站水質達標率僅為21.4%，部分超標井固體懸浮顆粒含量高達幾十甚至幾百mg/L，粒徑超標現象也較普遍。② 注入水中含有腐蝕性的成分如硫離子、氯離子、溶解氧等，金屬材料在井下的沖刷磨損、電化學腐蝕過程相互影響和促進，加劇了流體磨損腐蝕程度。③ 即使單純考慮沖刷磨損機械作用，由于湍流模型、兩相流耦合模型、壁面作用模型、沖刷磨損模型等都存在一定近似性和經驗性，加上一些邊界條件和參數的不確定性，要想完全真實地反映實際磨損情況也是比較困難的。

4 結論

(1) 采用CFD方法可以在一定程度上對恒流堵塞器的沖刷磨損情況進行模擬，便于分析易沖刷磨損部位和沖刷磨損程度，模擬結果具有一定可信性，是一種成本低、耗時少、應用方便的方法，可在一定程度上代替現場和模擬試驗，但要求計算模型和參數設置應盡量符合實際情況。

(2) 油田注水流量控制裝置在井下工作時一般受到磨損和腐蝕的交互作用，單純考慮沖刷磨損作用進行分析誤差可能較大，因此有必要加強井下流量控制裝置磨損腐蝕交互作用的試驗和理論研究，以更好地分析流量控制裝置的可靠性并對其結構、材料及表面處理等進行優化。

參考文獻

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篇9

[關鍵詞]天然氣 循環發電 經濟性 能源

中圖分類號：TM611 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2015）41-0112-01

一、天然氣聯合循環發電是社會經濟發展的需要

1.1經濟發展帶來的環境污染日益增加

隨著經濟的發展，提高對煤和石油等能源的利用率，但同時也帶來了嚴重的環境問題，我國對于能源消費巨大，對于煤炭的使用率高達75%，許多行業的發展都離不開對煤炭的利用，其中我國的電力工業就是用煤大戶，從而導致電力行業成為造成環境污染的主要行業，煤炭的使用會產生二氧化硫，二氧化硫又會形成酸雨，給環境造成巨大的破壞。

雖然我國已經意識到煤炭的使用，會造成嚴重的環境影響，并且提出了相應的環保法，電力部門為了遵照環保法的要求，在電力生產中做出了相應的調整，燃煤發電站增設了高性能脫硫等凈化裝置，但是由于造價較高還會降低機組運行效率，大大增加了電力運行成本，所以這種技術存在很多不足之處，不能從根本上控制對環境造成的污染。天然氣是一種清潔型能源，從技術、經濟、環保及可持續發展的角度，電力行業利用天然氣代替煤炭，通過天然氣聯合循環發電技術，這是解決發電站造成環境污染的重要出路。

1.2適應調整我國能源結構勢在必行

對于能源的使用，經歷了幾次大的變革，首先是人類用煤炭代替柴薪成為主要能源，使資本主義經濟得到了發展；后來是利用石油代替煤炭成為主要能源，促進了世界經濟的繁榮；現在人們使用天然氣這種清潔型的能源代替石油成為主要能源，這是能源消費的又一大變革，促進經濟快速發展的同時，控制了對環境造成的污染，天然氣能源將成為人類生產中的第一大環保型能源。

能源結構的變化促進經濟的發展，經濟的飛速發展，會使用到大量的能源材料，煤炭的開采已經不能滿足工業對能源的需求，適當增加石油和天然氣的利用率，尤其是加大對天然氣的使用，滿足工業生產對于能源的需求量，促進經濟穩定、快速的發展。我國的能源結構以天然氣為主，發展天然氣聯合循環發電系統，為電力行業創造了可行的條件。

1.3天然氣聯合循環發電有利于電網調峰

電力在人們的日常生活工作中占據必不可少的地位，隨著經濟的發展，人們對于電網的需求也是越來越大，使得晝夜的用電量的峰谷差越來越大，在日常的電力生產中需要采取有效措施進行調峰任務。天然氣聯合循環發電具有迅速起停、調度靈活、機動性能好的特點，與常規發電系統相比，天然氣聯合循環發電更適合調峰任務，保證日常生活對用電量的需求，確保電網安全可靠的運行，天然氣聯合循環發電系統獨有的特點，在我國有相當大的發展空間。

二、天然氣聯合循環發電是當今世界先進的發電方式

衡量發電技術是否先進的重要標準是清潔和高效，天然氣是一種清潔型的能源，它的使用不會污染環境，同時天然氣聯合循環發電是一種高效的發電方式，成為當今世界最實用的發電技術，全世界的大部分發電容量均來自這種燃氣蒸汽聯合循環機組，所以天然氣聯合循環發電是世界上先進的發電方式。

天然氣聯合循環發電在電力市場中取得優勝是有一定原因的，主要原因是（1）高效節能，天然氣聯合循環發電凈效率為58%以上，遠遠高出我國平均供電效率，成為我國最高的發電技術。（2）省地節水，天然氣聯合循環發電是以燃氣輪機為主，蒸汽輪機為輔的發電方式，燃氣輪機運行時用水少，所以與常規的發電廠相比，天然氣聯合循環發電廠的耗水量少，具有節水的特點。而且天然氣聯合循環發電廠，不需要設置煤場和灰場，縮小了廠房的占地面積，節約了土地資源。（3）建設投資少、工期短，發電廠常規帶有脫硫裝置的燃煤蒸汽輪機造價昂貴，相對來講燃氣輪機的造價低，而且燃氣輪機發電機不超過半年就可以投入商業運行，大幅度增加工作效率，對于電廠建設，還可以分階段施工，有利于企業的資金運轉。（4）操作簡單，自動化程度高，運行安全可靠，設備的可用率高，沒有復雜的操作系統，機動性比較強，可以利用天然氣聯合循環發電系統進行有效地電網調峰任務。

三、天然氣聯合循環發電的經濟性

天然氣聯合循環發電在我國能否快速發展，不僅取決于天然氣能源的供給量，還包括天然氣發電的經濟性。相對于常規電站的建設，天然氣聯合循環電站的投資成本較低，設備操作簡單，不需要過多的勞動人員，節省了一部分開銷。

3.1天然氣價格的影響

目前我國的天然氣的氣價由井口家、凈化費和管輸費三部分構成，具體定價由國家規定。我國的電力生產仍以煤為主要燃料，相對低廉的煤炭價格對電力的價格起著主導作用，煤炭與天然氣的比價決定了天然氣發電的經濟性。煤炭與天然氣的價格受到資源豐富程度的影響，按照一般來講，熱值計算的天然氣價格比煤炭高出約一倍，與國際市場相比，天然氣和煤炭的價格差較大。

發電成本一般是由總資源的折舊成本、運行和維護成本、燃料成本三部分組成。總資源的折舊成本與運行維護成本，在項目落成以后，變化因素不大，基本上算是固定成本。當發電成本一定時，為了滿足內部收益率、投資回報率的要求，電廠必須有一個對應的最低定價。通常發電固定成本所占的比例小，燃料成本所占比例較大，所以天然氣的價格決定了電站運行的經濟性。降低天然氣的價格可以從根本上控制燃氣輪機聯合循環發電的成本，不可以讓天然氣的價格制約了這種先進的發電方式。

3.2年運行時間的影響

如果燃氣聯合循環發電不帶基本負荷，只是作為調峰機組或備用電源，對年運行時間并沒有過多自主選擇，但是選擇價格偏高的天然氣為燃料，就必須注意年運行時間對天然氣聯合循環發電的經濟性影響。年運行時間增加，固定成本和收益分攤到運行時間中，分攤后的發電成本減少了，燃料的價格不變，所以電價會有所下降。所以為了發電成本可以降低，應該盡量提高燃氣輪機聯合循環電站的運行小時數。

3.3年平均熱效率的影響

天然氣聯合循環的年平均熱效率與電廠的運行方式和聯合循環熱效率有著直接的關系，要想減少發電成本，提高運行經濟性首先應該提高年平均熱效率。對于發電的方式，為了提高熱效率，總希望可以長期滿負荷發電，但是由于天然氣聯合循環發電方式受到很多因素的影響，所以不能以理想的方式運行。天然氣聯合循環熱效率可以通過選擇機組從而有效地改變熱效率，在建廠規模確定的情況下，為了提高聯合循環熱效率，可以盡可能選用先進技術并且具有大容量高參數的燃氣輪機。

四、結語

當今社會的經濟發展快速，人們不能只考慮發展的速度，也要考慮到工業對環境造成的影響，堅持可持續發展戰略的基本原則。電力部門應該適應我國持續發展的要求，選擇效率高、污染少的發電方式，天然氣聯合循環發電正是具有這種特點的先進發電方式，通過科學論證和合理規劃，可以為電力企業帶來豐厚的經濟效益。

參考文獻

[1]馬憲國.燃氣聯合循環電廠發電成本預測[J].上海理工大學學報.2003

[2]趙振、陳瑞娟.若干天然氣聯合循環電站實例的經濟性[J].熱能動力工程.2005

[3]王銘忠.天然氣能源與天然氣聯合循環發電[J].熱力發電.2001