Физическая газодинамика - Институт теоретической и

Содержание
Аннотация ....................................................................................................................... 3
1. Цели освоения дисциплины ....................................................................................... 4
2. Место дисциплины в структуре ООП ....................................................................... 4
3. Компетенции обучающегося, формируемые при освоении дисциплины ............. 4
4. Структура и содержание дисциплины ...................................................................... 5
5. Образовательные технологии .................................................................................... 6
6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы аспирантов ........... 6
7. Фонд оценочных средств для проведения аттестации по итогам освоения
дисциплины: показатели, критерии оценивания компетенций, типовые
контрольные задания ................................................................................................. 6
8. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
Рекомендованная литература к теоретическому курсу .......................................... 7
9. Материально-техническое обеспечение дисциплины ............................................. 7
10. Банк обучающих материалов, рекомендации по организации
самостоятельной работы аспирантов……………………………………………...7
11. Банк контролирующих материалов……………………………………………….8
2
Аннотация
Программа курса «Физическая газодинамика» составлена в соответствии с Федеральными государственными образовательными стандартами по направлению подготовки научнопедагогических кадров в аспирантуре 01.06.01 «математика и механика».
Дисциплина «Физическая газодинамика» имеет своей целью обучение, ознакомление аспирантов Института с общими методами и подходами в газовой динамике разреженного газа, физике
ионизованного газа и магнитной гидродинамике, включая получение практических результатов.
Преподавание дисциплины предусматривает следующие формы организации учебного процесса: лекции, семинары, самостоятельная работа аспиранта, контрольная работа, зачет.
Общая трудоемкость дисциплины составляет 3 зачетных единицы, 108 академических часов (из
них 38 контактных: предусмотрены 30 часов лекционных, 22 часа семинаров, 18 часов на консультации, подготовку к зачету и зачет, а также 38 часов самостоятельной работы, не включая период
сессии). Работа с обучающимися в интерактивных формах составляет 8 часов.
Промежуточная аттестация
(в период сессии) (в часах)
Виды учебных занятий (в часах)
Семестр
Общий Контактная работа обучающихся с
преподавателем
объем
СамостоятельСамостоятельная
Контактная работа
ная работа, не подготовка к проме- обучающихся с преподавателем (конЛабораторные включая период жуточной аттестаЛекции Семинары
сессии
ции
сультации, зачет)
занятия
1
2
3
4
5
1
108
30
22
Всего 108 часов 3 зачетные единицы
из них:
- контактная работа 38 часов
- в интерактивных формах 8 часов
6
38
3
7
14
8
4
1. Цели освоения дисциплины
Основной целью освоения дисциплины «Физическая газодинамика» является ознакомление аспирантов Института с общими методами и подходами в газовой динамике разреженного газа, физике ионизованного газа и магнитной гидродинамике, включая получение практических результатов.
2. Место дисциплины в структуре программы
Данная дисциплина относится к группе вариативных дисциплин Блока1 направления подготовки аспирантов Института - 01.06.01 - ”Математика и механика” в соответствии с Федеральным
государственным образовательным стандартом (ФГОС) по направленности - механика жидкости,
газа и плазмы (физико-математические, технические науки).
Дисциплина «Физическая газодинамика» является составной частью обширного раздела механики сплошных сред – физической газовой динамики. Сюда относятся задачи, связанные с гиперзвуковым движением тел, полеты летательных аппаратов в верхних слоях атмосферы, задачи
плазмодинамики , магнитной гидродинамики и электрического разряда в газах.
3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины.
В результате освоения дисциплины формируются следующие компетенции:
способность свободно владеть фундаментальными разделами математики и механики,
необходимыми для решения научно-исследовательских задач механики жидкости, газа и плазмы
(ПК-1);
способность использовать знания современных проблем и новейших достижений механики
жидкости газа и плазмы в своей научно-исследовательской деятельности (ПК-2);
способность самостоятельно ставить конкретные задачи научных исследований в области
механики жидкости, газа и плазмы, а также решать их с помощью современной аппаратуры,
оборудования, информационных технологий с использованием новейшего отечественного и
зарубежного опыта (ПК-3).
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:

Знать: основные понятия, корректную постановку задач и методы их решения в области динамики разреженных газов, физики ионизованного газа и магнитной гидродинамики.

Уметь: использовать полученные теоретические знания при решении практических задач.

Владеть: современными методами и подходами в исследовании процессов, характерных для
динамики разреженных газов, физики ионизованного газа и магнитной гидродинамики.
4
4. Структура и содержание дисциплины «Физическая газодинамика».
Общая трудоемкость дисциплины составляет 3 зачетных единицы, 108 часов.
Раздел
дисциплины
1
2
Описание движения системы многих частиц
Постановка задач для
уравнения Больцмана,
методы решения.
Взаимодействие молекул с твердыми поверхностями
Самостоятельная работа,
решение зад.1
Течения разреженного
газа. Свободномолекулярные течения.
Основные понятия и
классификация плазмы.
Плазма как система независимых частиц
Столкновительные процессы в плазме.
Плазма как сплошная
среда
Постановка начальных и
граничных условий в
задачах магнитной гидродинамики.
Прием задания 1
Самостоятельная подготовка к зачету, консультация
Групповая консультация
Зачет
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
Всего
Неделя семестра
№
п/п
Виды учебных занятий, включая
самостоятельную работу аспирантов и трудоемкость (в часах)
Сам. работа
Аудиторные часы
в течение
Лекции Семинары семестра (не
(кол-во
(кол-во
включая печасов)
часов)
риод сессии)
5
6
7
Всего
3
4
1
6
2
2
2
2-4
14
6
2
6
5-6
10
4
2
4
7
6
2
4
8-9
10
4
2
4
10
6
2
2
2
11
6
2
2
2
12-13
10
4
2
4
14-16
14
6
2
6
17
8
4
4
Промежуточная аттестация
(в период
сессии)
(в часах)
8
14
14
2
2
2
2
108
30
5
22
38
18
Краткое содержание разделов дисциплины
 Описание движения системы многих частиц. Функция распределения. Уравнение Больцмана.
 Свойства интеграла столкновений. Н-теорема Больцмана. Постановка задач для уравнения Больцмана.
 Взаимодействие молекул с твердыми поверхностями. Коэффициенты аккомодации. Критерии подобия. Режимы течений: свободно-молекулярный, переходной и континуальный. Уравнения сохранения. Метод Чемпмена-Энскога. Вывод уравнений гидродинамики. Скольжение и температурный
скачок.
 Свободномолекулярные течения. Обтекание выпуклых и вогнутых тел. Методы Монте-Карло для
моделирования течений разреженного газа.
 Основные понятия. Классификация плазмы. Квазинейтральность и разделение зарядов. Экранированный кулоновский потенциал. Плазма как система независимых частиц. Траектории частиц в
плазме, дрейфовое приближение.
 Столкновительные процессы в плазме. Определение сечения столкновения процесса. Полная скорость процесса. Передача энергии и импульса при упругом столкновении.
 Плазма как сплошная среда. Определяющая система уравнений. Двухтемпературная плазма. Частично ионизованный газ: уравнения движения трехкомпонентной среды. Обобщенный закон Ома.
Уравнения магнитной гидродинамики.
 Основные безразмерные критерии и их роль в задачах магнитной гидродинамики. Условия на поверхностях разрыва. Граничные и начальные условия.
5. Образовательные технологии
Создание электронного варианта курса лекций «Физическая газодинамика». Демонстрационно-компьютерное сопровождение лекционного материала.
При проведении лекционных занятий используется мультимедийное оборудование.
6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы аспирантов
Самостоятельная работа обучающихся состоит в изучении методического материала:
1
2
3
4
Коган М.Н. Динамика разреженного газа. -М.:Наука, 1967. -440c.
Берд Г. Молекулярная газовая динамика. -М.:Мир, 1981. -320с.
Д. А. Франк- Каменецкий. Лекции по физике плазмы.// М.: Атомиздат, 1964
М. Митчнер, Ч. Кругер. Частично ионизованные газы. .// М.: Мир, 1976
7. Фонд оценочных средств для проведения аттестации по итогам освоения дисциплины: показатели, критерии оценивания компетенций, типовые контрольные задания
Освоение компетенций оценивается в части способности свободно владеть фундаментальными
разделами математики и механики, необходимыми для решения научно-исследовательских задач
механики жидкости, газа и плазмы; использовать знания современных проблем и новейших
достижений механики жидкости газа и плазмы в своей научно-исследовательской деятельности;
самостоятельно ставить конкретные задачи научных исследований в области механики жидкости,
газа и плазмы, а также решать их с помощью современной аппаратуры, оборудования,
информационных технологий с использованием новейшего отечественного и зарубежного опыта.
Текущий контроль успеваемости:
Текущий контроль усвоения учебного материала предусмотрен на практических занятиях в виде
обсуждений пройденных лекционных тем, решения задач, предусмотренных для контроля успеваемости.
6
Оценочным средством контроля знаний, умений и владений, является итоговый зачет, который
проходит в устной форме по билетам (2 вопроса в билете).
Студенты, посетившие менее 50% семинарских занятий и менее 50% лекционных занятий, к зачету не допускаются. Окончательная оценка за курс выставляется на основании устного ответа на
зачете с учетом оценок за задания. За пропущенные лекционные занятия аспирант получает по соответствующей теме дополнительный вопрос в ходе устной беседы на зачете. Продолжительность
подготовки к ответу на зачете 100 минут. Продолжительность ответа на билет – 10 минут. Список
билетов представлен ниже.
Критерии оценки ответа аспиранта на зачете:
«зачет» заслуживает аспирант, показавший на зачете знание основного материала дисциплины,
знакомый с основной литературой, предусмотренной программой, демонстрирующий основные
знания, умения и владения;
«незачет» выставляется аспиранту, не усвоившему основной программный материал дисциплины, допустивший принципиальные ошибки при ответе.
8. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
а) основная литература:
1.
2.
3.
4.
Коган М.Н. Динамика разреженного газа. -М.:Наука, 1967. -440c.
Берд Г. Молекулярная газовая динамика. -М.:Мир, 1981. -320с.
Д. А. Франк- Каменецкий. Лекции по физике плазмы.// М.: Атомиздат, 1964
М. Митчнер, Ч. Кругер. Частично ионизованные газы. .// М.: Мир, 1976
б) дополнительная литература:
1
2
3
Л. А. Арцимович, Р. З. Сагдеев. Физика плазмы для физиков.// М.: Атомиздат, 1979.
А. Г. Куликовский, Г. А. Любимов. Магнитная гидродинамика.// М.: ФМ, 1962.
А. Б. Ватажин, Г. А. Любимов, С.А. Регирер. Магнитогидродинамические течения в каналах. // М.:Наука., 1970.
в) программное обеспечение и Интернет-ресурсы:
9. Материально-техническое обеспечение дисциплины
9.1. Компьютеры, видеопроекторы.
9.2. Действующие аэродинамические трубы ИТПМ СО РАН Т-327, Т-325, Т-324, Т-326, Т313, АТ-303, ИТ-302, модели летательных аппаратов и их элементов.
9.3. Плакаты.
9.4. Видео-презентации.
10. Банк обучающих материалов, рекомендации по организации самостоятельной работы
аспирантов
1
2
3
Коган М.Н. Динамика разреженного газа. -М.:Наука, 1967. -440c.
Берд Г. Молекулярная газовая динамика. -М.:Мир, 1981. -320с.
Д. А. Франк- Каменецкий. Лекции по физике плазмы.// М.: Атомиздат, 1964
7
4
5
6
7
8
М. Митчнер, Ч. Кругер. Частично ионизованные газы. .// М.: Мир, 1976
лах. // М.:Наука., 1970.
Л. А. Арцимович, Р. З. Сагдеев. Физика плазмы для физиков.// М.: Атомиздат, 1979.
А. Г. Куликовский, Г. А. Любимов. Магнитная гидродинамика.// М.: ФМ, 1962.
А. Б. Ватажин, Г. А. Любимов, С.А. Регирер. Магнитогидродинамические течения в каналах. // М.:Наука., 1970.
11. Банк контролирующих материалов
Задание 1
1. Получить выражение дрейфовой скорости заряженной частицы, находящейся в взаимноперпендикулярных магнитном и гравитационном полях.
2. Плоский конденсатор, напряженность электрического поля внутри которого равна Е, лежит на
поверхности земли. Во сколько раз скорость электрического дрейфа больше скорости гравитационного дрейфа.
3. Определить радиус Дебая в плазме в полностью ионизованной плазмы в неравновесном случае
Te  Ti
4. В плазму проникает однородное электрическое поле напряженностью Е 0. Определить, как оно
будет экранироваться плазмой.
Задание 2
1. Оценить область параметров водородной плазмы, при которых можно пренебречь конвективным током еv по сравнению с током проводимости.
2. Оценить, при каких параметрах водородной плазмы и значениях магнитной индукции холловский ток сравним с током проводимости.
3. Между двумя коаксиальными цилиндрами с радиусами r1 и r2 , разность потенциалов между
которыми равна  , находится проводящий газ. Вдоль оси системы приложено магнитное поле
с индукцией В. Вычислить угловую скорость v(r) вращения среды. Вязким трением пренебречь.
4. Типичные температура и давление продуктов сгорания (с добавкой легко ионизируемой добавкой КОН) МГД-генератора составляют Т=2600 К и р=100 кПа, содержатся следующие химические вещества:
Вещество
Мольная доля
Среднее сечение,
10-21м2
N2
0,36
13
H2 O
0,32
55
CO2
0,16
13
CO
0,08
10
K
0,003
560
Прочие
0,077
10
Плотность электронов составляет 8*1013 см-3, индукция магнитного поля В=2,7 Т.
Вычислить:
1. дебаевский радиус экранирования
2. полную среднюю частоту столкновений для электронов
3. среднюю длину свободного пробега электронов
8
4. параметр Холла
5. коэффициент проскальзывания ионов, сечение столкновения ионов калия с частицами продуктов сгорания принять равным 10-14 см2
Список вопросов к зачету.
Билет 1
 Описание движения системы многих частиц.
 Функция распределения.
Билет 2
 Уравнение Больцмана.
 Свойства интеграла столкновений.
Билет 3
 Н-теорема Больцмана.
 Постановка задач для уравнения Больцмана.
Билет 4
 Взаимодействие молекул с твердыми поверхностями.
 Коэффициенты аккомодации.
Билет 5
 Критерии подобия.
 Режимы течений: свободно-молекулярный, переходной и континуальный.
Билет 6
 Уравнения сохранения.
 Метод Чемпмена-Энскога.
Билет 7
 Вывод уравнений гидродинамики.
 Скольжение и температурный скачок.
Билет 8
 Свободномолекулярные течения.
 Обтекание выпуклых и вогнутых тел.
Билет 9
 Методы Монте-Карло для моделирования течений разреженного газа.
 Основные понятия.
Билет 10
 Классификация плазмы.
 Квазинейтральность и разделение зарядов.
Билет 11
 Экранированный кулоновский потенциал.
 Плазма как система независимых частиц.
Билет 12
 Траектории частиц в плазме, дрейфовое приближение.
 Столкновительные процессы в плазме.
Билет 13
 Определение сечения столкновения процесса.
 Полная скорость процесса.
Билет 14
 Передача энергии и импульса при упругом столкновении.
 Плазма как сплошная среда.
Билет 15
 Определяющая система уравнений.
 Двухтемпературная плазма.
9