[烟囱设计中的流体力学]案例分析报告

《烟囱设计中的流体力学》

的案例分析报告

课题名称 烟囱设计中的流体力学

系 别 专 业 班 级 成 员 指导老师

《烟囱设计中的流体力学》的案例分析报告

摘要

本次案例分析主要以流体静力学基本方程式与双流体伯努利方程式为理论依据，

对烟囱设计中的流体力学进行了探究式学习，更加直观的解释了伯努利流体动力

学方程的几何意义，之后结合实际，研究设计120t/h步进式加热炉的烟囱高度。

在开放式课堂教学实践中，以学生为主体，通过师生角色互换，引导学生探究式

学习，使学生能够在主动参与、积极探究中构建新知，发展能力。

关键词： 流体静力学 伯努利方程 双流体 开放式 烟囱

目录

摘要 ······································································· 错误！未定义书签。

一、导论 ······························································································ 3

（1）《烟囱设计中的流体力学》的案例的提出与意义 ························ 3

1.研究论题 ··························································································· 3

2.研究的意义 ······················································································· 3

二、《烟囱设计中的流体力学》的案例分析的目标与研究内容 ············ 3

（1）《烟囱设计中的流体力学》案例分析的目标 ······························· 3

（2）《烟囱设计中的流体力学》案例分析的研究内容 ························ 3 1.研究内容的界定 ················································································ 3

2.研究内容的确定 ················································································ 3

三、《烟囱设计中的流体力学》案例分析的理论依据 ·························· 4

四、《烟囱设计中的流体力学》案例分析的研究过程 ·························· 4

（1）小组内探究式学习 ······························································· 4

（2）师生间讨论 ·········································································· 4

（3）课堂教学实践······································································· 4

五、《烟囱设计中的流体力学》案例分析的结论 ································· 5

六、《烟囱设计中的流体力学》案例分析的心得和体会······················· 5

参考文献 ······························································································ 7

一、导论

（1）《烟囱设计中的流体力学》的案例的提出与意义

1.案例研究的论题

学以致用是学习的最高境界，也是我们学习的最终目的。联合国教科文组织在《教育——财富蕴藏其中》的研究报告中指出教育应当为人的一生幸福做好准备，我们应学会认知，学会做事，学会生活，学会生存。因此，实施素质教育，培养具有创新精神和创新能力的人才已成为21世纪教育面临的重要任务。为响应开放式精品示范课堂建设，也为全面扩充自己的知识面，提升实际应用能力，在学习完冶金设备流体力学相关章节之后，初步确定本次案例分析的主题是烟囱的设计。

2.案例研究的意义

我国新一轮基础教育课程改革在世纪之交启动，基础教育课程改革的目标是:以创新精神和实践能力的培养为重点，建立新的教学方式，促进学习方式的改革，关注学生的学习过程和方法。

开放式精品示范课堂是一种针对课堂教学模式的改革探索，其目的在于改变传统的单向、封闭式教学方式所造成的教师与学生隔离、理论和实践脱节 ，学生死记硬背和机械考的被动状态，通过多样化的教学方式在课堂上建立起师生互动、教学相长、信息互递的良好氛围。在教学活动的组织和参与中，激发学生的学习主动性和热情，培养学生的创造性，提高学生的思辩能力、口头表达能力、书面表达能力和实际动手能力。

二、《烟囱设计中的流体力学》案例分析的目标与内容

（1）案例分析研究的目标

本次案例分析的研究，旨在让学生们掌握伯努利动力学方程式的几何意义和实际应用，同时提高学生的学习兴趣，改变学生被动单纯的学习方式，使授课的学生主动的去掌握知识，并采用容易被其他学生接受的方式向其传播知识。此外，还力争达到以下目标：开创适合当代大学生的探究式学习方法；累积开放性课堂这种教学形式的经验；提出基于开放性课堂教学的完善意见。

（2）《烟囱设计中的流体力学》案例分析的研究内容

1.研究内容的界定

伯努利动力学方程式和流体静力学方程式是传递过程原理中动量传递篇的核心部分，属于我们必须要掌握的内容。而烟囱的高度设计本质上是双流体伯努利方程式和流体静力学方程式的综合应用。

其次，因为烟囱正是流体力学在生产实际中的一个明显应用，十分贴近我们的生产生活，更能激发大家学习的兴趣。此间我们小组查阅了相关文献资料和理论，初步了解烟囱的设计过程，发现其实烟囱的设计不仅仅只有高度设计，还有材料选择及烟道的设计，考虑到水平有限，因此最终确定重点着手于烟囱的高度设计，凭借学生现有知识可以成功设计。

2. 研究内容的确定

经过之前的学习和探讨，我们最终确定了我们的课题为《烟囱排烟中的流体力学》，具体分为以下几个方面：利用流体静力学基本方程式对烟囱进行设计分析；利用双流体伯努利方程式对烟囱进行设计分析；设计120t/h步进式加热炉的烟囱。

三、《烟囱设计中的流体力学》案例分析的理论依据

经过之前查阅相关资料，我们对烟囱设计中所需理论及其应用做了如下整理：利用流体连续性方程计算烟囱进出口直径，烟气进出口流速；利用所学的双流体静力学与动力学的相关理论，对烟囱自然排烟动力进行简要推导，得到烟囱高度的计算公式；利用气体密度计算公式，计算混合烟气的平均密度及相应温度下对应气体的密度；利用热气体管流阻力损失计算公式，用于计算烟气在烟囱中流动时的沿程阻力与局部阻力；烟囱抽力主要由烟道计算，因我们小组未涉及烟道的设计，此部分仅作参考，未做实际计算。（具体计算过程见附件二和附件五）

四、课题设计的研究过程

通过我们对冶金设备流体力学章节的学习，以及有关烟囱设计方面文献的查阅，结合我们小组成员的各自的优势，开始了本次课题的设计。

（1）小组内成员探究式学习

1.前期文献查阅

前期确定案例分析题目后，我们小组成员都动量传递部分以及烟囱设计的相关文献进行查阅。本次课题设计的是120t/h步进式加热炉的烟囱，而烟囱相关尺寸是根据烟气成分及流量来确定其相关参数。在给定燃料的情况下，需要进行燃料燃燃烧相关方面的计算，我们也查阅了相关文献。通过大量文献的查阅，小组各成员都对此次课题的设计有了一个全面的了解。

2.成员分工

通过对文献的查阅后，我们小组成员开了几次简短的会议，通过讨论，我们把本次课题设计划分为如下几大板块：烟囱介绍部分；烟囱排烟理论基础推导过程；120t/h步进式加热炉烟囱设计计算部分；总结分析部分；PPT的制作部分；

课堂讲解等共六部分。通过大家的交流后，组长结合小组成员的各自的优势对课题进行了如下分工：

张建涛 主要负责加热炉的的计算部分以及课堂讲解

乔延超 李显茂 主要负责烟囱排烟理论基础推导过程

蒋永嘉 胡懿 主要负责烟囱介绍和总结分析以及PPT制作部分

3.讨论与汇总

有了明确的分工以后我们各个成员对各自负责的部分进行资料的收集以及相关的设计计算，因为案例分析的每个环节都相互紧密联系，考虑到我们小组成员一起的时间比较少，我们通过创建网络讨论组，交流讨论各自遇到的问题以及提出自己的看法。在遇到十分复杂麻烦的问题而且三言两语说不清的时候，我们专门抽出时间聚到寝室或者在食堂进行交流讨论，并且对各自负责部分进行了总结和汇总，修改和完善，弥补了在相关设计部分存在的不足。

（2）师生间交流

通过课余时间和向老师请教，老师给我们很多指导意见，也推荐了很多参考资料。在经过初步的讨论分析后，我们建立了简单的理论框架并且制作了PPT。在修改完善后，本认为大功即将告成，之后与老师交流，老师发现了我们设计中存在的许多问题。接下来我们又对PPT进行大量的修改与完善，这一次作出来的效果虽相比前一次大有改观，在老师的指导下，我们发现我们仍然存在的许多的问题，一一做了修改。至此我们案例分析的设计部分先告一段落。（PPT见附件三）

（3）课堂教学

在PPT制作好以后，小组成员张建涛为更好的把此次课讲好，对PPT进行了多次的浏览，并在寝室进行了试讲。

星期三课上，到我们展示成果的时候了，我们在课题讲解内容前，插入了一个俏皮的关于烟囱高度问题的动画，从而引入了此次的烟囱设计主题。首先是浏览生活中和工厂烟囱的照片，以及对“烟囱效应”的讲解，来说明烟囱排烟理论，期间还拓展了利用烟囱效应来发电的“太阳能塔”等方面知识的讲解。为了能更直观的让同学们理解伯努利方程的几何意义，我们特意选择了南校区澡堂的烟囱来进行伯努利几何意义的演示作图。

此次课题设计的全程参与以及课前充足的准备，建涛同学的讲课显得游刃有余，同学们也听了十分认真，我们设计PPT时也是按照上课时间进行了内容的确定，尽量保证不会讲不完。讲课结束后，接下来就是提问环节，同学们提出的问题，小组成员都一一进行了作答，本次课在热烈的掌声中迎来了下课铃声。课后，老师对本次课题的设计给予了高度的评价，很多同学听了此次讲解，都表示对下一课题产生了极大的兴趣。（具体影像资料见附件一和附件四）

五、烟囱设计的结论与总结

本次烟囱设计过程中通过给定燃料计算烟气成分从而确定烟囱高度，在计算过程中由于烟气管道的复杂性，其阻力损失只做了初步的计算，可能导致设计尺寸会有较大误差。通过相关资料的查阅，从经济性出发选定的普通红砖作为加热炉烟囱材料是和工厂实践情况相符合的。

烟囱的高度设计其实对伯努利流体动力学方程几何意义的应用。烟囱的最大高度实际由四部分构成，即烟囱高度=位压头+静压头+动压头—阻力损耗。此时烟囱可以由于压力差的推动，不需要风机，自然排烟。

通过对120t/h步进式加热炉的烟囱设计，让我们更加直观具体的了解烟囱的设计步骤，并且切身体会到实际工艺设计的复杂。

六、《烟囱设计中的流体力学》案例分析的心得和体会

课题研究的结果表明，以开放性课堂的形式对学生进行教育是一种较为有效的方法，学生在这次课题研究中确实的掌握了流体力学的知识，但是要达到我们当初预期的效果受到了很多因素的制约和影响。

在这次课题研究的过程中我们遇到了许多的困难我们在设计过程中，遇到很多问题。例如：初步课题题目确定后，如何对双流体伯努利方程进行推导，以及如何用伯努利方程几何意义进行烟囱高度设计。

由于我们此次课题要到课堂上对同学们进行讲解，我们所做的PPT中诸如模板选择，字体大小、颜色选择，以及内容上都存在较大问题。老师给我们提了许多意见，比如为引入主题我们在PPT讲解前插入一个动画，这样可以让活跃课堂气氛，在烟囱高度确定后通过图示作出其伯努利方程的几何意义表述，这些宝贵的意见我们都一一做了记录。让我们意识到了自己还有很多的不足，同时也体会到了教师备课和制作ppt的辛苦。但是在解决问题的过程中我们的团队协作能力和执行力也得到了提高。

在课堂教学中，引起学生的学习兴趣是高效率学习的保障，因此在教学过程中最好将学生置于一个有意义且有趣的情境中，引导他们思考并主动提出问题。

开放性课堂的确是一种有效的学习方式，不仅考验了授课学生的表达、实践、资料收集能力等，还成功的带动了其余同学的学习兴趣，令他们也想加入其中。当然，在教学过程中还是应该根据教学内容和学生基础来选择适当的方式，否则一味的为了追求引起学生兴趣而降低了教学质量，就会本末倒置。

参考文献 ［1］唐谟堂，李运姣.冶金设备基础［M］.湖南：中南大学出版社，2006.6-66.

［2］武文斐; 陈伟鹏; 刘中强.冶金加热炉设计与实例［M］.湖南：化学工业出版社，2008. ［3］王华 .冶金热工基础［M］.湖南：中南大学出版社，2010.

［4］李运姣，马进财，王志兴，彭志宏，何静，周秋生.开放式课堂教学改革探索［J］.创新与创业教育，2014，4期：30