《燃烧理论与技术》课程教学大纲
一、课程基本信息
英文名称 | Combustion Theory & Technology | 课程代码 | TEPE1045 |
课程性质 | 专业必修课程 | 授课对象 | 能源与动力工程专业 |
学 分 | 3.0 | 学 时 | 54 |
主讲教师 | 黄耀松 | 修订日期 | 2023年5月15日 |
指定教材 | [美] Stephen R Turns 著； 姚强、李水清、王宇 译，《燃烧学导论：概念与应用（第3版）》，清华大学出版社，2015 | ||
二、课程目标
（一）总体目标：
通过对该课程的学习，使学生掌握有关燃烧的基本知识，学会相应的燃烧计算方法，能够利用化学反应动力学原理解释相关的燃烧现象及燃烧的速度，理解不同气流的混合原理和燃气燃烧火焰的传播机理及传播速度的测定方法，深刻认识预混和非预混燃烧特点，层流和湍流燃烧特点，并能利用流体力学、化学反应动力学原理分析各种燃烧方法的机理。在此基础上，进一步掌握各种反应系统化学与热力学分析的耦合。课程旨在使学生掌握燃烧相关基础理论，具有独立分析和解决实际问题的能力，以及通过团队合作完成具有一定理论意义或应用价值的科研工作的能力。
（二）课程目标：
课程目标1：通过系统学习，掌握燃烧学基础知识与理论。
1．1 掌握燃烧及热化学相关基础理论；
1．2 了解和掌握传质及化学反应动力学理论；
1．3 了解一些重要化学反应机理以及化学反应系统与热力学耦合；
1．4 掌握与燃烧相关的守恒方程；
1．5 掌握层流预混火焰和层流扩散火焰；
1．6 掌握湍流预混和非预混火焰。
课程目标2：培养学生的自主学习意识，通过文献的阅读和研究以及团队合作，完成具有一定工程应用价值和科学研究意义的课题。
2．1 通过课堂训练项目，培养学生自主学习意识，提升科技论文的阅读和写作能力；
2．2 通过课堂PPT汇报与展示，培养学生口头表达能力。
（三）课程目标与毕业要求、课程内容的对应关系
表1：课程目标与课程内容、毕业要求的对应关系表
课程目标 | 课程子目标 | 对应课程内容 | 对应毕业要求 |
课程目标1：通过系统学习，掌握燃烧学基础知识与理论。 | 1．1掌握燃烧及热化学相关基础理论。 | 通过第二章“燃烧与热化学”知识点的学习，学生能够掌握燃烧及热化学的基础知识与原理。 | 毕业要求1：1-1通过系统学习，熟练掌握热工基础理论与基础知识。 |
1．2了解和掌握传质及化学反应动力学理论。 | 通过第三章“传质引论”、第四章“化学动力学”知识点的学习，学生能够了解常传质理论及化学反应动力学基础知识。 | 毕业要求1：1-1通过系统学习，熟练掌握热工基础理论与基础知识。 | |
1．3了解一些重要化学反应机理以及化学反应系统与热力学耦合。 | 通过第五章“一些重要的化学机理”、第六章“反应系统化学与热力学分析的耦合”知识点的学习，学生能够掌握重要化学系统相关基础知识和工程应用。 | 毕业要求1：1-1通过系统学习，熟练掌握热工基础理论与基础知识。 毕业要求4：4-1掌握复杂工程问题的研究方法并理解其适用范围。 | |
1．4 掌握与燃烧相关的守恒方程。 | 通过第七章“反应流的简化守恒方程”学习，学生能够了解控制化学反应过程的方程。 | 毕业要求1：1-1通过系统学习，熟练掌握热工基础理论与基础知识。 毕业要求4：4-1掌握复杂工程问题的研究方法并理解其适用范围。 | |
1.5 掌握层流预混火焰和层流扩散火焰。 | 通过第八章“层流预混火焰”、第九章“层流扩散火焰”知识点的学习，学生能够掌握层流预混和非预混火焰特点。 | 毕业要求1：1-1通过系统学习，熟练掌握热工基础理论与基础知识。 毕业要求4：4-2 能够基于专业理论设计可行性实验方案； 毕业要求4：4-3 能够选用或搭建实验装置安全开展实验并正确采集数据； 毕业要求4：4-4 能够分析实验结果以获得合理有效的结论； 毕业要求6：6-2 熟练运用相关工具对工业控制与节能或建筑环境控制与节能领域的复杂工程问题进行模拟，并分析其局限性。 | |
1.6 掌握湍流预混和非预混火焰。 | 通过第十章“湍流预混火焰”、第十一章“湍流非预混火焰”知识点的学习，学生能够掌握湍流预混和非预混火焰特点。 | 毕业要求1：1-1通过系统学习，熟练掌握热工基础理论与基础知识。 毕业要求4：4-2 能够基于专业理论设计可行性实验方案； 毕业要求4：4-3 能够选用或搭建实验装置安全开展实验并正确采集数据； 毕业要求4：4-4 能够分析实验结果以获得合理有效的结论； 毕业要求6：6-2 熟练运用相关工具对工业控制与节能或建筑环境控制与节能领域的复杂工程问题进行模拟，并分析其局限性。 | |
课程目标2：培养学生的自主学习意识，通过文献的阅读和研究以及团队合作，完成具有一定工程应用价值和科学研究意义的课题。 | 3．1通过课堂训练项目，培养学生自主学习意识，提升科技论文的阅读和写作能力； | 通过完成课堂训练项目，学生能够学会查阅文献、归纳总结，并撰写科技小论文。 | 毕业要求6：6-1 熟练掌握现代工程工具和信息技术工具； 毕业要求11：11-1 能够就工程实践中出现的问题做出书面和口头的清晰表达； 毕业要求12：12-1 具有自主学习的意识。 |
3．2通过课堂PPT汇报与展示，培养学生口头表达能力。 | 通过PPT制作和5~8分钟的口头汇报，学生能够锻炼归纳总结与口头表达能力。 | 毕业要求6：6-1 熟练掌握现代工程工具和信息技术工具； 毕业要求11：11-1 能够就工程实践中出现的问题做出书面和口头的清晰表达。 |
三、教学内容
第一章 导论
教学目标
（1）了解燃烧的定义；
（2）了解燃烧方式和火焰种类；
（3）了解燃烧学学习方法；
2.教学重难点
重点/难点：重点是了解燃烧方式和火焰种类。
3.教学内容
（1） 学习燃烧学的动机；
（2） 燃烧的定义；
（3） 燃烧方式和火焰种类；
（4） 学习方法；
4.教学方法
（1）自主学习：利用课本预习本章内容并完成课后思考题；
（2）讲授法：相关概念和理论框架；
5.教学评价
回答以下问题：
（1）什么是燃烧？
（2）燃烧方式有哪些？
第二章 燃烧与热化学
1.教学目标
（1）了解与燃烧相关的概念和方程；
（2）掌握绝热火焰温度计算；
（3）掌握化学平衡。
2.教学重难点
（1）重点：掌握与燃烧相关的概念；
（2）难点：绝热火焰温度计算。
3.教学内容
（1） 概述；
（2） 热力参数关系式回顾；
（3） 热力学第一定律；
（4） 反应物和生成物的混合物；
（5） 绝热燃烧温度；
（6） 化学平衡；
（7） 燃烧的平衡产物；
（8） 应用；
4.教学方法
（1）自主学习：利用课本预习本章内容并完成课后思考题；
（2）讲授法：燃烧相关概念和理论知识；
（3）讨论法：课堂围绕“绝热燃烧温度及化学平衡”进行讨论。
5.教学评价
回答以下问题：
（1）热力学参数有哪些？
（2）绝热燃烧温度如何计算？
（3）化学平衡的特点？
第三章 传质引论
1.教学目标
（1）了解传质速率定律；
（2）了解和掌握斯蒂芬问题；
（3）掌握液-气界面的边界条件；
（4）了解液滴蒸发。
2.教学重难点
重点/难点：掌握斯蒂芬问题的特点及求解方法。
3.教学内容
（1） 概述；
（2） 传质入门；
（3） 传质的应用实例；
4. 教学方法
（1）自主学习：利用课本预习本章内容并完成课后思考题；
（2）讲授法：相关基础和理论知识；
（3）讨论法：课堂围绕“传质理论及斯蒂芬问题分析”等问题进行讨论。
5.教学评价
回答以下问题：
什么是斯蒂芬问题？其特点如何？
第四章 化学动力学
1.教学目标
（1）了解总包反应和基元反应；
（2）了解掌握基元反应反应速率；
（3）了解多步反应机理的反应速率；
（4）了解简化机理。
2.教学重难点
重点/难点：掌握基元反应和多步反应机理的反应速率计算。
3.教学内容
（1） 概述；
（2） 总包反应与基元反应；
（3） 基元反应速率；
（4） 多步反应机理的反应速率；
（5） 简化机理；
（6）催化与异相反应。
4. 教学方法
（1）自主学习：利用课本预习本章内容并完成课后思考题；
（2）讲授法：相关基础和理论知识；
5.教学评价
回答以下问题：
（1）总包反应与基元反应区别是什么？
（2）准稳态假设是什么？
（3）基元反应的反应速率如何计算？
第五章 一些重要的化学机理
1.教学目标
（1）了解掌握H2-O2反应系统；
（2）了解掌握一氧化碳的氧化；
（3）了解掌握碳氢化合物的氧化；
（4）了解掌握甲烷的燃烧；
（5）了解掌握氮氧化物的形成。
2.教学重难点
重点：掌握H2-O2反应系统。
难点：掌握甲烷的燃烧机理。
3.教学内容
（1） 概述；
（2） H2-O2反应系统；
（3） 一氧化碳的氧化；
（4） 碳氢化合物的氧化；
（5） 甲烷燃烧；
（6） 氮氧化物的形成
（7） 甲烷燃烧和氮氧化物形成的一个简化机理。
4. 教学方法
（1）自主学习：利用课本预习本章内容并完成课后思考题；
（2）讲授法：相关理论知识；
（3）案例教学法：围绕H2-O2反应系统和甲烷反应系统开展案例讲解和分析；
5.教学评价
回答以下问题：
（1）氢气爆炸极限是什么？其反应机理有哪些？
（2）一氧化碳的氧化机理是怎样的？
（3）甲烷燃烧主要反应路径是什么？
（4）氮氧化物形成机理是什么？
第六章 反应系统化学与热力学分析的耦合
1.教学目标
（1）了解定压定质量反应器；
（2）了解定容定质量反应器；
（3）了解全混流反应器；
（4）了解柱塞流反应器；
2.教学重难点
（1）重点：掌握定压定质量反应器和定容定质量反应器；
（2）难点：理解全混流反应器和柱塞流反应器。
3.教学内容
（1） 概述；
（2） 定压定质量反应器；
（3） 定容定质量反应器；
（4） 全混流反应器；
（5） 柱塞流反应器；
（6） 在燃烧系统建模中的应用。
4. 教学方法
（1）自主学习：利用课本预习本章内容并完成课后思考题；
（2）讲授法：相关基础和理论知识；
（3）讨论法：课堂围绕“常见反应器的特点及其比较分析”等进行讨论。
5.教学评价
回答以下问题：
（1）定压定质量反应器有什么特点？
（2）定容定质量反应器有什么特点？
（3）全混流反应器与柱塞流反应器区别？
第七章 反应流的简化守恒方程
1.教学目标
（1）了解质量守恒方程；
（2）了解组分守恒方程；
（3）了解动量守恒方程；
（4）了解能量守恒方程；
（5） 掌握守恒标量的概念。
2.教学重难点
重点/难点：掌握守恒标量的概念和应用。
3.教学内容
（1） 概述；
（2） 总质量守恒(连续性方程)；
（3） 组分质量守恒(组分连续性方程)；
（4） 多组分扩散；
（5） 动量守恒；
（6） 能量守恒；
（7） 守恒标量的概念。
4. 教学方法
（1）自主学习：利用课本预习本章内容并完成课后思考题；
（2）讲授法：相关基础和理论知识；
5.教学评价
回答以下问题：
（1）反应流的控制方程中每一项代表什么物理意义？
（2）守恒标量的概念是什么？有哪些守恒标量？
第八章 层流预混火焰
1.教学目标
（1）层流预混火焰的物理描述和分析；
（2）掌握影响火焰传播速度和火焰厚度的因素；
（3）了解选定燃料的火焰传播速度计算式；
（4）掌握熄火、可燃性、点火概念。
2.教学重难点
重点/难点：掌握层流预混火焰的物理描述、简化和详细分析。
3.教学内容
（1） 概述；
（2） 物理描述；
（3） 简化分析；
（4） 详细分析；
（5） 影响火焰传播速度和火焰厚度的因素；
（6） 选定燃料的火焰传播速度计算式；
（7） 熄火、可燃性、点火；
（8） 火焰稳定。
4. 教学方法
（1）自主学习：利用课本预习本章内容并完成课后思考题；
（2）讲授法：相关基础和理论知识；
5.教学评价
回答以下问题：
（1）反应流的控制方程中每一项代表什么物理意义？
（2）守恒标量的概念是什么？有哪些守恒标量？
第九章 层流扩散火焰
1.教学目标
（1）掌握无反应恒定密度层流射流；
（2）掌握射流火焰物理描述和简化描述；
（3）了解和掌握火焰长度定义和计算；
（4）掌握对冲火焰特点。
2.教学重难点
重点/难点：掌握射流火焰物理描述和简化描述。
3.教学内容
（1） 无反应的恒定密度层流射流的描述、假设及守恒定律；
（2） 射流火焰的物理描述；
（3） 简化理论的基本假设、守恒方程和守恒标量推导；
（4） 圆口和槽口燃烧器火焰长度；
（5） 碳烟的形成和分解；
（6） 对冲火焰的数学描述和甲烷空气火焰结构；
4. 教学方法
（1）自主学习：利用课本预习本章内容并完成课后思考题；
（2）讲授法：相关基础和理论知识；
5.教学评价
回答以下问题：
（1）层流射流火焰有哪些特点？
（2）圆口和槽口火焰长度影响因素有哪些？
（3）甲烷-空气火焰结构特点？
第十章 液滴的蒸发和燃烧
1.教学目标
（1）了解液滴蒸发和燃烧的一些应用；
（2）掌握液滴蒸发的简单模型；
（3）掌握液滴燃烧的简化模型；
（4）一维蒸发控制燃烧。
2.教学重难点
重点/难点：液滴蒸发和燃烧的简化模型。
3.教学内容
（1） 概述；
（2） 内燃发动机、燃气轮机和液体火箭发动机；
（3） 液滴蒸发简单模型的假设、气相分析和液滴寿命；
（4） 液滴燃烧的假设、物理描述和守恒方程；
（5） 一维蒸发控制燃烧的物理模型和数学描述；
4. 教学方法
（1）自主学习：利用课本预习本章内容并完成课后思考题；
（2）讲授法：相关基础和理论知识；
5.教学评价
回答以下问题：
（1）液滴蒸发和燃烧简化模型采用哪些假设？
（2）液滴蒸发寿命和燃烧速率常数？
四、学时分配
表2：各章节的具体内容和学时分配表
章节 | 章节内容 | 学时分配 |
第一章 | 导论 | 3 |
第二章 | 燃烧与热化学 | 6 |
第三章 | 传质引论 | 3 |
第四章 | 化学动力学 | 6 |
第五章 | 一些重要的化学机理 | 6 |
第六章 | 反应系统化学与热力学分析的耦合 | 6 |
第七章 | 反应流的简化守恒方程 | 6 |
第八章 | 层流预混火焰 | 6 |
第九章 | 层流扩散火焰 | 6 |
第十章 | 液滴的蒸发和燃烧 | 6 |
五、教学进度
表3：教学进度表
周次 | 日期 | 章节 名称 | 内容提要 | 授课 时数 | 作业及要求 | 备注 |
1 | 第一章 导论 | （1） 学习燃烧学的动机； （2） 燃烧的定义； （3） 燃烧方式和火焰种类； （4） 学习方法； | 3 | 作业：完成课后思考题。 要求：按时完成作业，对动力机械的分类及工作原理有基本的认识。 | ||
2-3 | 第二章燃烧与热化学 | （1） 概述； （2） 热力参数关系式回顾； （3） 热力学第一定律； （4） 反应物和生成物混合物； （5） 绝热燃烧温度； （6） 化学平衡 （7）燃烧的平衡产物 （8）压力影响。 | 6 | 作业：完成课后思考题。 要求：按时完成作业，燃烧基本概念和化学平衡。 | ||
4 | 第三章 传质引论 | （1） 概述； （2） 传质入门； （3） 传质的应用实例； | 3 | 作业：完成课后思考题。 要求：按时完成作业，掌握斯蒂芬问题。 | ||
5-6 | 第四章 化学动力学 | （1） 概述； （2） 总包反应与基元反应； （3） 基元反应速率； （4） 多步反应机理的反应速率； （5） 简化机理； （6）催化与异相反应。 | 6 | 作业：完成课后思考题。 要求：按时完成作业，熟悉基元反应速率、稳态近似和一些简化机理。 | ||
7-8 | 第五章 一些重要的化学机理 | （1） 概述； （2） H2-O2系统； （3） 一氧化碳的氧化； （4） 碳氢化合物的氧化； （5） 甲烷燃烧； （6） 氮氧化物的形成 （7）甲烷燃烧和氮氧化物形成的简化机理。 | 6 | 作业：完成课后思考题。 要求：按时完成作业，理解和掌握几个重要反应系统级其反应机理。 | ||
9-10 | 第六章 反应系统化学与热力学分析的耦合 | （1） 概述； （2） 定压-定质量反应器； （3） 定容-定质量反应器； （4） 全混流反应器； （5） 柱塞流反应器； （6） 在燃烧系统建模中的应用。 | 6 | 作业：完成课后思考题。 要求：按时完成作业，了解几个常见反应器的特点。 | ||
11-12 | 第七章 反应流的简化守恒方程 | （1） 概述； （2） 总质量守恒； （3） 组分质量守恒； （4） 多组分扩散； （5）动力守恒； （6）能量守恒； （7）守恒标量。 | 6 | 作业：完成课后思考题。 要求：按时完成作业，掌握守恒方程及守恒标量。 | ||
13-14 | 第八章 层流预混火焰 | （1） 概述； （2） 物理描述； （3） 简化分析； （4） 详细分析； （5）影响火焰传播速度和火焰厚度的因素； （6）选定燃料的火焰传播速度计算式； （7）熄火、可燃性、点火； （8）火焰稳定。 | 6 | 作业：完成课后思考题。 要求：按时完成作业，掌握层流预混火焰的分析。 | ||
15-16 | 第九章 层流扩散火焰 | （1） 概述； （2） 无反应的恒定密度层流射流； （3） 射流火焰的物理描述； （4） 简化理论描述； （5）圆口和槽口燃烧器的火焰长度； （6）碳烟的形成和分解； （7）对冲火焰。 | 6 | 作业：完成课后思考题。 要求：按时完成作业，掌握层流扩散火焰的分析。 | ||
17-18 | 第十章 液滴的蒸发和燃烧 | （1） 概述； （2） 一些应用； （3） 液滴蒸发的简单模型； （4） 液滴燃烧的简化模型； （5）其它因素； （6）一维蒸发控制燃烧； | 6 | 作业：完成课后思考题。 要求：按时完成作业，掌握液滴蒸发和燃烧简化模型。 |
六、教材及参考书目
1．姚强、李水清、王宇译，《燃烧学导论：概念与应用》（第3版）。北京：清华大学出版社。2015
2．徐通模，《燃烧学》。北京：机械工业出版社。2011
七、教学方法
本课程提前一周发布上课内容，让学生做好预习，课堂中采用讲授法、案例教学法、讨论法等进行教学，并充分利用APP互动软件进行课前和课后的线上交流，课后按时完成课后思考题。
1. 讲授法：对基本理论、原理等进行课堂讲授，使学生能够理解和掌握这些基础知识。
2. 案例教学法：引入工程案例进行分析，以加深对理论知识的理解，培养学生的工程素养。
3. 讨论法：课堂围绕特定问题组织课堂讨论，培养学生理论联系实际的能力，巩固对理论知识的理解，同时增强语言表达能力。
八、考核方式及评定方法
（一）课程考核与课程目标的对应关系
表4：课程考核与课程目标的对应关系表
课程目标 | 考核要点 | 考核方式 |
课程目标1 | 是否熟练掌握燃烧基本概念和理论。 | 课后作业、闭卷笔试 |
课程目标2 | 是否能够运用理论知识解决实际问题，是否具备动手能力和工程素养。 | 课后作业，课堂互动 |
课程目标3 | 是否具有自主学习意识，具有文献查阅、科技小论文写作和口头表达能力。 | 课前预习完成度、课程小论文、课堂汇报 |
（二）评定方法
1．评定方法
平时成绩：20%（上课表现+实验）
期中考核：40%（理论考试）
期末考试：40%（理论考试）
2．课程目标的考核占比与达成度分析
表5：课程目标的考核占比与达成度分析表
考核占比 课程目标 | 平时 | 期中 | 期末 | 总评达成度 |
课程目标1 | 20% | 40% | 40% | 课程目标1达成度={0.2ｘ平时目标1成绩+0.4ｘ期中目标1成绩+0.4ｘ期末目标1成绩}/目标1总分； 课程目标2达成度={0.2ｘ平时目标2成绩+0.4ｘ期中目标2成绩+0.4ｘ期末目标2成绩}/目标2总分； 课程目标3达成度={0.2ｘ平时目标3成绩+0.4ｘ期中目标3成绩+0.4ｘ期末目标3成绩}/目标3总分； |
课程目标2 | 20% | 40% | 40% | |
课程目标3 | 20% | 40% | 40% |
（三）评分标准
课程 目标 | 评分标准 | ||||
90-100 | 80-89 | 70-79 | 60-69 | ＜60 | |
优 | 良 | 中 | 合格 | 不合格 | |
A | B | C | D | F | |
课程 目标1 | 熟练掌握燃烧基本概念和理论。 | 较熟练掌握燃烧基本概念和理论。 | 基本掌握燃烧基本概念和理论。 | 对燃烧基本概念和理论掌握得不全面。 | |
课程 目标2 | 善于运用理论知识解决实际问题，具有很强的动手能力和良好工程素养。 | 较善于运用理论知识解决实际问题，具有良好的动手能力和工程素养。 | 能够运用理论知识解决实际问题，具有一定的动手能力和工程素养。 | 基本能够运用理论知识解决实际问题，具有基本的动手能力和工程素养。 | 不能够运用理论知识解决实际问题，缺乏基本的动手能力和工程素养。 |
课程 目标3 | 具有很强的自主学习意识，具有很好的文献查阅、科技小论文写作和口头表达能力。 | 具有良好的自主学习意识以及文献查阅、科技小论文写作和口头表达能力。 | 具有一定的自主学习意识以及文献查阅、科技小论文写作和口头表达能力。 | 具有基本的自主学习意识以及文献查阅、科技小论文写作和口头表达能力。 | 缺乏自主学习意识以及文献查阅、科技小论文写作和口头表达能力。 |