Гидроаэродинамика

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
СТЕРЛИТАМАКСКИЙ ФИЛИАЛ
ФЕДЕРАЛЬНОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО БЮДЖЕТНОГО
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО УЧРЕЖДЕНИЯ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«Башкирский государственный университет»
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
ОБЯЗАТЕЛЬНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ (ФД.А.07)
Гидроаэродинамика
наименование дисциплины по учебному плану подготовки аспиранта
модуль основной образовательной программы послевузовского профессионального
образования подготовки аспирантов (ООП ППО)
по специальности научных работников
01.02.05
Механика жидкости, газа и плазмы
Шифр
наименование научной специальности
Оглавление
1. Общие положения ............................................................................................. 3
2. Цели изучения дисциплины ............................................................................. 3
3. Результаты освоения дисциплины .................................................................. 3
4.1.Объем дисциплины и количество учебных часов ......................................... 5
5. Содержание дисциплины ................................................................................... 5
5.1
5.2
5.3
Содержание лекционных занятий ................................................................................5
Практические занятия ...................................................................................................7
Самостоятельная работа аспиранта .............................................................................7
6. Перечень контрольных мероприятий и вопросы к экзаменам кандидатского
минимума ................................................................................................................. 9
7. Образовательные технологии .......................................................................... 11
8. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины ........ 11
8.1 Основная литература: ........................................................................................................11
8.2 Дополнительная литература .............................................................................................12
8.3 Программное обеспечение и Интернет-ресурсы ............................................................12
2
Общие положения
1.
Настоящая Рабочая программа обязательной дисциплины Гидроаэродинамика –
1.1
модуль основной образовательной программы послевузовского профессионального
образования (ООП ППО) разработана на основании законодательства Российской
Федерации в системе послевузовского профессионального образования, в том числе:
Федерального закона РФ от 22.08.1996 № 125-ФЗ «О высшем и послевузовском
профессиональном образовании», Положения о подготовке научно-педагогических и
научных кадров в системе послевузовского профессионального образования в Российской
Федерации, утвержденного приказом Министерства общего и профессионального
образования РФ от 27.03.1998 № 814 (в действующей редакции); составлена в
соответствии с федеральными государственными требованиями к разработке, на
основании Приказа Минобрнауки России №1365 от 16.03.2011г. «Об утверждении
федеральных государственных требований к структуре основной профессиональной
образовательной
программы
послевузовского
профессионального
образования
(аспирантура)» и инструктивного письма Минобрнауки России от 22.06.2011 г. № ИБ733/12.
2.
Цели изучения дисциплины
Целью изучения дисциплины гидроаэродинамика является формирование знаний
по гидроаэродинамике, достаточного для быстрой и квалифицированной переработке
теоретических исследований и получения новых результатов в процессе практической
работы
над
теми
или
иными
проблемами
современной
гидроаэродинамики и
математического моделирования.
Задачи дисциплины заключаются в изучении:
3.

основных понятий и законов гидроаэродинамики;

методов используемых для решения задач гидроаэродинамики;

основных моделей гидроаэродинамики.
Результаты освоения дисциплины
Аспирант или соискатель должен:
- знать:
3
-
основные понятия и законы движения жидкостей и газов, физическую
сущность явлений;
-
формы движения жидкости и уравнения, которыми они описываются.
-
строить полные системы уравнений, ставить начальные и краевые условия
- уметь:
для различных задач гидроаэродинамики;
-
моделировать и решать задачи гидроаэродинамики, в том числе с
использованием современной вычислительной техники;
-
ориентироваться в современных алгоритмах компьютерной математики,
совершенствовать, углублять и развивать математическую теорию и физикоматематические модели, лежащие в их основе;
-
пользоваться источниками информации и применять их в практической
работе;
- демонстрировать:
-
способность и заинтересованность использования в практической деятельности,
закономерностей гидроаэродинамики;
-
самостоятельно изучать и понимать специальную (отраслевую) научную и
методическую литературу, связанную с проблемами гидроаэродинамики.
4
4. Структура и содержание дисциплины (модуля) Гидроаэродинамика
Общая трудоемкость дисциплины составляет 2 зачетные единицы 72 часа.
4.1.Объем дисциплины и количество учебных часов
Вид учебной работы
Аудиторные занятия
Лекции (минимальный объем теоретических знаний)
Семинар
Практические занятия
Другие виды учебной работы (авторский курс, учитывающий
результаты исследований научных школ Университета, в т.ч.
региональных)
Внеаудиторные занятия:
Самостоятельная работа аспиранта
ИТОГО
Вид итогового контроля
Кол-во зачетных
единиц*/уч.часов
1/36
1/36
2/72
Составляющая
экзамена
кандидатского
минимума
5. Содержание дисциплины
5.1
№
п/п
1
2
3
Содержание лекционных занятий
Содержание
Введение: предмет, цель и задачи курса. Краткий исторический
обзор развития гидроаэродинамики.
Основные физические характеристики капельной жидкости (воды)
и газа (воздуха). Идеальный газ, идеальная жидкость. Сведения из
термодинамики жидкости и газа.
Основные уравнения движения идеальной жидкости и газа. Линии
тока в плоских течениях и в меридиональной плоскости
осесимметричного движения. Уравнения Эйлера, их первые
интегралы: интегралы Бернулли и Коши-Лагранжа. Скорость звука в
газе и жидкости. Введение моделей сжимаемых и несжимаемых
жидкостей и газов. Разделение потоков жидкости и газа на дозвуковые
и сверхзвуковые.
Вихрь. Кинематика вихревых и потенциальных движений
жидкости и газа. Примеры на применение интегралов Бернулли и
Коши-Лагранжа.
Теоремы количества движения и моменты количества движения в
гидроаэродинамике. Приложение этих теорем в задачах: движение
жидкости в изогнутом канале; удар плоской косой струи о плоскость;
нормальный удар осесимметричной струи о плоскость; парадокс
Эйлера-Даламбера.
Кол-во
уч.часов
2
2
4
5
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
Движение жидкости, возникшее под действием импульсивных сил
давления и импульсных внешних сил.
Вихревое движение жидкости и газа. Меры завихренности,
интенсивность завихренности (циркуляция). Вихревая линия,
вихревая трубка, вихревая поверхность, нить.
Уравнение Бельтрами и уравнение конвекции вихря при движении
баротропной жидкости. Интеграл уравнения конвекции вихря.
Теоремы Лагранжа, Томсона, Гельмгольца о вихрях.
Осесимметричные и плоские вихревые движения баротропной
жидкости. Поведение вихря вдоль линии тока в случае
установившегося движения.
Источники, стоки, диполи и их приложение к задачам
гидроаэродинамики.
Сферический взрыв в несжимаемой жидкости.
Движение сферы в несжимаемой идеальной жидкости.
Постановка задачи определения поля скоростей движения
жидкости по значению вихря и дивергенции скорости. Представление
общего решения в виде объемных интегралов, удовлетворяющих
уравнению Пуассона.
Вихревая нить, формула Био-Савара. Прямолинейная нить,
точечный вихрь и его циркуляция. Вихрь в сжимаемой жидкости.
Плоскопараллельное движение жидкости. Решение плоской задачи
методами теории аналитических функций комплексного переменного.
Комплексный потенциал. Комплексная скорость.
Простейшие примеры решения задачи плоскопараллельного
движения жидкости с помощью функций комплексного переменного.
Источники, стоки, диполь.
Обтекание кругового цилиндра потенциальным потоком жидкости.
Обтекание кругового цилиндра с циркуляцией. Подъемная сила.
Обтекание произвольного профиля. Теорема Н. Е.Жуковского о
подъемной
силе
профиля.
Формулы
Чаплыгина-Блазиуса,
определяющие силу и момент, действующие на профиль.
Применение конформного отображения теории функций
комплексного переменного к плоскопараллельным течениям.
Сведение задачи обтекания произвольного профиля с помощью
конформных отображений к задаче обтекания кругового цилиндра.
Обтекание профиля с входящими и выходящими угловыми
точками на его контуре.
Реальные профили крыла. Обтекание профиля с затупленной
передней и острой задней кромкой. Возникновение циркуляции
вокруг профиля, как следствие проявления вязкости жидкости.
Постулат (гипотеза) Чаплыгина-Жуковского. Присоединенный
вихрь. Определение циркуляции вокруг профиля.
Теорема Н. Е.Жуковского, определяющая подъемную силу
произвольного профиля в потоке жидкости.
Примеры: обтекание пластины, обтекание дуги окружности.
Обтекание профилей Жуковского-Чаплыгина. Руль Жуковского.
Профили Кармана-Треффтца с конечным углом задней острой
кромки.
Крыло конечного размаха в несжимаемой жидкости. Схема
«несущей вихревой нити». Интегро-дифференциальные уравнения
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
6
15
16
17
теории крыла.
Индуктивное лобовое сопротивление. Крыло минимального
индуктивного сопротивления.
Обтекание тонкого крыла сжимаемым дозвуковым потоком.
Отрывные и струйные течения жидкости. Кавитация, число
кавитации. Струйное движение жидкости по схеме Гельмгольца.
Обтекание тел с отрывом струй по методу Кирхгоффа. Обтекание
пластины.
Видоизменение Н. Е.Жуковским метода Кирхгоффа.
Истечение струи жидкости через отверстие. Прямой удар струи о
пластину.
Всего:
5.2
Практические занятия
№
п/п
1
2
Содержание
2
2
2
36
Кол-во
уч.часов
Всего:
5.3
№
п/п
1
2
3
4
Самостоятельная работа аспиранта
Содержание
Введение: предмет, цель и задачи курса. Краткий исторический
обзор развития гидроаэродинамики.
Основные физические характеристики капельной жидкости (воды)
и газа (воздуха). Идеальный газ, идеальная жидкость. Сведения из
термодинамики жидкости и газа.
Основные уравнения движения идеальной жидкости и газа. Линии
тока в плоских течениях и в меридиональной плоскости
осесимметричного движения. Уравнения Эйлера, их первые
интегралы: интегралы Бернулли и Коши-Лагранжа. Скорость звука в
газе и жидкости. Введение моделей сжимаемых и несжимаемых
жидкостей и газов. Разделение потоков жидкости и газа на дозвуковые
и сверхзвуковые.
Вихрь. Кинематика вихревых и потенциальных движений
жидкости и газа. Примеры на применение интегралов Бернулли и
Коши-Лагранжа.
Теоремы количества движения и моменты количества движения в
гидроаэродинамике. Приложение этих теорем в задачах: движение
жидкости в изогнутом канале; удар плоской косой струи о плоскость;
нормальный удар осесимметричной струи о плоскость; парадокс
Эйлера-Даламбера.
Движение жидкости, возникшее под действием импульсивных сил
давления и импульсных внешних сил.
Вихревое движение жидкости и газа. Меры завихренности,
интенсивность завихренности (циркуляция). Вихревая линия,
вихревая трубка, вихревая поверхность, нить.
Уравнение Бельтрами и уравнение конвекции вихря при движении
баротропной жидкости. Интеграл уравнения конвекции вихря.
Теоремы Лагранжа, Томсона, Гельмгольца о вихрях.
Кол-во
уч.часов
2
2
4
2
7
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
Осесимметричные и плоские вихревые движения баротропной
жидкости. Поведение вихря вдоль линии тока в случае
установившегося движения.
Источники, стоки, диполи и их приложение к задачам
гидроаэродинамики.
Сферический взрыв в несжимаемой жидкости.
Движение сферы в несжимаемой идеальной жидкости.
Постановка задачи определения поля скоростей движения
жидкости по значению вихря и дивергенции скорости. Представление
общего решения в виде объемных интегралов, удовлетворяющих
уравнению Пуассона.
Вихревая нить, формула Био-Савара. Прямолинейная нить,
точечный вихрь и его циркуляция. Вихрь в сжимаемой жидкости.
Плоскопараллельное движение жидкости. Решение плоской задачи
методами теории аналитических функций комплексного переменного.
Комплексный потенциал. Комплексная скорость.
Простейшие примеры решения задачи плоскопараллельного
движения жидкости с помощью функций комплексного переменного.
Источники, стоки, диполь.
Обтекание кругового цилиндра потенциальным потоком жидкости.
Обтекание кругового цилиндра с циркуляцией. Подъемная сила.
Обтекание произвольного профиля. Теорема Н. Е.Жуковского о
подъемной
силе
профиля.
Формулы
Чаплыгина-Блазиуса,
определяющие силу и момент, действующие на профиль.
Применение конформного отображения теории функций
комплексного переменного к плоскопараллельным течениям.
Сведение задачи обтекания произвольного профиля с помощью
конформных отображений к задаче обтекания кругового цилиндра.
Обтекание профиля с входящими и выходящими угловыми
точками на его контуре.
Реальные профили крыла. Обтекание профиля с затупленной
передней и острой задней кромкой. Возникновение циркуляции
вокруг профиля, как следствие проявления вязкости жидкости.
Постулат (гипотеза) Чаплыгина-Жуковского. Присоединенный
вихрь. Определение циркуляции вокруг профиля.
Теорема Н. Е.Жуковского, определяющая подъемную силу
произвольного профиля в потоке жидкости.
Примеры: обтекание пластины, обтекание дуги окружности.
Обтекание профилей Жуковского-Чаплыгина. Руль Жуковского.
Профили Кармана-Треффтца с конечным углом задней острой
кромки.
Крыло конечного размаха в несжимаемой жидкости. Схема
«несущей вихревой нити». Интегро-дифференциальные уравнения
теории крыла.
Индуктивное лобовое сопротивление. Крыло минимального
индуктивного сопротивления.
Обтекание тонкого крыла сжимаемым дозвуковым потоком.
Отрывные и струйные течения жидкости. Кавитация, число
кавитации. Струйное движение жидкости по схеме Гельмгольца.
Обтекание тел с отрывом струй по методу Кирхгоффа. Обтекание
пластины.
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
8
17
Видоизменение Н. Е.Жуковским метода Кирхгоффа.
Истечение струи жидкости через отверстие. Прямой удар струи о
пластину.
Всего:
2
36
6. Перечень контрольных мероприятий и вопросы к экзаменам кандидатского
минимума
Итоговая аттестация аспиранта включает сдачу кандидатских экзаменов и
представление диссертации в Диссертационный совет. Порядок проведения кандидатских
экзаменов включает в кандидатский экзамен по научной специальности дополнительные
разделы, обусловленные спецификой научной специальности. Билеты кандидатского
экзамена по специальной дисциплине в соответствии с темой диссертации на соискание
ученой степени кандидата наук должны охватывать разделы Специальной дисциплины
отрасли науки и научной специальности (ОД.А.) и Дисциплины научной специальности
по выбору аспиранта (ОДН.А.).
Перечень вопросов к экзаменам кандидатского минимума:
1. Введение: предмет, цель и задачи курса. Краткий исторический обзор развития
аэрогидродинамики.
2. Основные физические характеристики капельной жидкости (воды) и газа (воздуха).
Идеальный газ, идеальная жидкость. Сведения из термодинамики жидкости и газа.
3. Основные уравнения движения идеальной жидкости и газа. Линии тока в плоских
течениях и в меридианальной плоскости осесимметричного движения. Уравнения
Эйлера, их первые интегралы: интегралы Бернулли и Коши-Лагранжа. Скорость
звука в газе и жидкости. Введение моделей сжимаемых и несжимаемых жидкостей и
газов. Разделение потоков жидкости и газа на дозвуковые и сверхзвуковые.
4. Вихрь. Кинематика вихревых и потенциальных движений жидкости и газа. Примеры
на применение интегралов Бернулли и Коши Лагранжа.
5. Теоремы
количества
движения
и
моменты
количества
движения
в
гидроаэродинамике. Приложение этих теорем в задачах:
а) движения жидкости в изогнутом канале
б) удара плоской косой струи о плоскость
в) нормального удара осесимметричной струи о плоскость
г) парадокс Эйлера-Даламбера.
6. Движение жидкости, возникшее под действием импульсивных сил давления и
импульсных внешних сил.
9
7. Вихревое движение жидкости и газа. Меры завихренности, интенсивность
завихренности
(циркуляция).
Вихревая
линия,
вихревая
трубка,
вихревая
поверхность, нить.
8. Уравнение Бельтрами и уравнение конвекции вихря при движении баротропной
жидкости. Интеграл уравнения конвекции вихря. Теоремы Лагранжа, Томсона,
Гельмгольца о вихрях.
9. Осесимметричные и плоские вихревые движения баратропной жидкости. Поведение
вихря вдоль линии тока в случае установившегося движения.
10. Источники, стоки, диполи и их приложение к задачам гидроаэродинамики.
11. Сферический взрыв в несжимаемой жидкости.
12. Движение сферы в несжимаемой идеальной жидкости.
13. Постановка задачи определения поля скоростей движения жидкости по значению
вихря и дивергенции скорости. Представление общего решения в виде объемных
интегралов, удовлетворяющих уравнению Пуассона.
14. Вихревая нить, формула Био-Савара. Прямолинейная нить, точечный вихрь и его
циркуляция. Вихрь в сжимаемой жидкости.
15. Плоскопараллельное движение жидкости. Решение плоской задачи методами теории
аналитических функций комплексного переменного. Комплексный потенциал.
Комплексная скорость.
16. Простейшие примеры решения задачи плоскопараллельного движения жидкости с
помощью функций комплексного переменного. Источники, стоки, диполь.
17. Обтекание кругового цилиндра потенциальным потоком жидкости.
18. Обтекание кругового цилиндра с циркуляцией. Подъемная сила.
19. Обтекание произвольного профиля. Теорема Н.Е.Жуковского о подъемной силе
профиля.
Формулы
Чаплыгина-Блазиуса,
определяющие
силу
и
момент,
действующие на профиль.
20. Применение конформного отображения теории функций комплексного переменного
к плоскопараллельным течениям.
21. Сведение задачи обтекания произвольного профиля с помощью конформных
отображений к задаче обтекания кругового цилиндра.
22. Обтекание профиля с входящими и выходящими угловыми точками на его контуре.
23. Реальные профили крыла. Обтекание профиля с затупленной передней и острой
задней кромкой. Возникновение циркуляции вокруг профиля, как следствие
проявления вязкости жидкости.
10
24. Постулат (гипотеза) Чаплыгина-Жуковского. Присоединенный вихрь. Определение
циркуляции вокруг профиля.
25. Теорема Н.Е.Жуковского, определяющая подъемную силу произвольного профиля в
потоке жидкости.
26. Примеры: обтекание пластины, обтекание дуги окружности.
27. Обтекание профилей Жуковского-Чаплыгина. Руль Жуковского. Профили КарманаТреффтца с конечным углом задней острой кромки.
28. Крыло конечного размаха в несжимаемой жидкости. Схема "несущей вихревой
нити". Интегро-дифференциальные уравнения теории крыла.
29. Индуктивное
лобовое
сопротивление.
Крыло
минимального
индуктивного
сопротивления.
30. Обтекание тонкого крыла сжимаемым дозвуковым потокм.
31. Отрывные и струйные течения жидкости. Кавитация, число кавитации. Струйное
движение жидкости по схеме Гельмгольца.
32. Обтекание тел с отрывом струй по методу Кирхгоффа. Обтекание пластины.
33. Видоизменение Н.Е.Жуковским метода Кирхгоффа.
34. Истечение струи жидкости через отверстие. Прямой удар струи о пластину.
7. Образовательные технологии
В процессе обучения применяются следующие образовательные технологии:
1. Сопровождение лекций показом визуального материала.
Видео демонстрации:
 Уравнение Бернулли: втягивающее действие струи жидкости.
 Уравнение Бернулли: парение шарика в струе газа.
 Уравнение Бернулли: Сирена Клемана-Дезорма.
8. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
Учебная, учебно-методическая и иные библиотечно – информационные ресурсы
обеспечивают учебный процесс и гарантирует возможность качественного освоения
аспирантом образовательной программы. Кафедра располагает библиотекой, включающей
научно-техническую литературу по механике сплошной сред, научные журналы и труды
конференций.
8.1 Основная литература:
11
№
п/п
1
1
2
3
4
5
6
Наименование учебной
литературы
Автор, место издания, Количество
издательство год
экземпляров в
библиотеке
СГПА им.
Зайнаб
Биишевой
2
3
4
Теоретическая
Кочин Н.Е., Кибель
гидромеханика. Том 1.
И.Я.,
Розе
Н.В.,
М.,
Физматгиз, 1963.
Теоретическая
Кочин Н.Е., Кибель
гидромеханика. Том 2.
И.Я.,
Розе
Н.В.,
М.,
Физматгиз, 1963.
Лекции
по Велландер
С.В.,
гидроаэромеханике.
Ленинград, изд-во
ЛГУ, 1978.
Механика
сплошной Седов
Л.И., М.,
среды. Том 1
Наука, 1970.
Механика
сплошной Седов
Л.И., М.,
среды. Том 2
Наука, 1970.
Течения вязкой жидкости. Шкадов
В.Я.,
Запрянов З.Д., М.,
изд-во МГУ, 1984.
Число
обучающихся,
воспитанников,
одновременно
изучающих
дисциплину
5
8.2 Дополнительная литература
№
п/п
Наименование учебной
литературы
Автор, место издания,
издательство год
1
1
2
Механика жидкости и газа.
2
Теория пограничного слоя.
3
Механика сплошной среды.
3
Лойцянский Л.Г., М.,
Наука, 1978.
Шлихтинг Г., М., Наука,
1974.
Ландау Л.Д., Лифшиц
Е.М. М., ГИТТЛ, 1954.
Количество
Число
экземпляров обучающихся,
в
воспитанников,
библиотеке одновременно
СГПА им.
изучающих
Зайнаб
дисциплину
Биишевой
4
5
8.3 Программное обеспечение и Интернет-ресурсы
№
п/п
Наименование учебной
литературы
Автор, место издания,
издательство год
Количество
экземпляров в
библиотеке
СГПА им.
Зайнаб
Биишевой
Число
обучающихся,
воспитанников,
одновременно
изучающих
дисциплину
12
1
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
2
Альбом течений
кости и газа
Вычислительная
гидродинамика
Гидродинамика
3
жид- Ван-Дайк М. На CDR80 Compact disc
П.Роуч. На CD-R80
Compact disc
Ламб Г. На CD-R80
Compact disc
Гидродинамика.
Ме- Биркгоф Г. На CD-R80
тоды. Факты. Подо-бие Compact disc
Введение в динамику Бэтчелор Дж. На CDжидкости
R80 Compact disc
Гидродинамика.
Жуковский Н.Е. На CDСобрание сочинений Т.2. R80 Compact disc
Динамика
вязкой Слезкин Н.А. На CDнесжимаемой жидкости R80 Compact disc
Отрывные течения, т.1
Чжен П. На CD-R80
Compact disc
Отрывные течения, т.2
Чжен П. На CD-R80
Compact disc
Отрывные течения, т.3
Чжен П. На CD-R80
Compact disc
Теоретическая
Мили-Томсон Л.М. На
гидродинамика
CD-R80 Compact disc
Теория вихрей
Пуанкаре А. На CD-R80
Compact disc
Механика жидкости
Рауз Х. На CD-R80
Compact disc
4
1
5
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
1
7
9. Материально-техническое обеспечение
Кафедра/научное подразделение располагает материально-технической базой,
соответствующей действующим санитарно-техническим нормам и обеспечивающей
проведение всех видов теоретической и практической подготовки, предусмотренных
учебным планом аспиранта, а также эффективное выполнение диссертационной работы.
N
п/п
Название дисциплины
1
2
1
Гидроаэродинамика
Наименование оборудованных
учебных кабинетов, объектов
для проведения практических
занятий с перечнем основного
оборудования
3
Научно-исследовательская
лаборатория «Физикохимическая механика
гетерогенных систем»
Фактический адрес
учебных кабинетов и
объектов
4
453103, г.
Стерлитамак, пр.
Ленина 37, 316
13