МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ «АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральная государственная бюджетная образовательная организация
высшего образования
«АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИМ. И.И. ПОЛЗУНОВА»
УТВЕРЖДАЮ
Проректор по научно-инновационной работе
_______________________ А.А. Максименко
« ___ » сентября 2015 г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
«ТЕПЛОФИЗИКА И ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ТЕПЛОТЕХНИКА»
основной образовательной программы подготовки аспиранта
по направлению 03.06.01 «Физика и астрономия»,
профиль «Теплофизика и теоретическая теплотехника»
Квалификация: Исследователь. Преподаватель-исследователь
Дата введения: « ____ » сентября 2015 г.
Барнаул 2015
ПРЕДИСЛОВИЕ
Рабочая программа дисциплины «Теплофизика и теоретическая теплотехника» составлена на основании федеральных государственных образовательных стандартов к основной образовательной программе высшего образования подготовки научнопедагогических кадров в аспирантуре по направлению 03.06.01 «Физика и астрономия» в
соответствии с Программой кандидатского экзамена по специальности 01.04.14 «Теплофизика и теоретическая теплотехника», утвержденной приказом Министерства образования и науки РФ № 274 от 08.10.2007 г., и учебным планом АлтГТУ по основной образовательной программе аспирантской подготовки.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА РАССМОТРЕНА И ОДОБРЕНА на заседании кафедры
Двигатели внутреннего сгорания - протокол № 01 от 01.09.2015 г.
Научный руководитель программы
аспирантской подготовки
Сеначин П.К.
Программа СОГЛАСОВАНА с факультетами, выпускающими кафедрами профилей;
СООТВЕТСТВУЕТ действующему рабочему учебному плану.
1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
Рассматриваемая дисциплина является основной в подготовке аспирантов, обучающихся по профилю 01.04.14 – Теплофизика и теоретическая теплотехника.
Целями освоения дисциплины аспирантами являются формирование углубленных
знаний в области теплофизики и теоретической теплотехники, в том числе знаний, представлений и готовности применять в научно-исследовательской деятельности теоретические и практические навыки в области:
- термодинамики и тепломассопереноса в широких температурных интервалах,
включающих фазовые переходы;
- гидродинамики и газовой динамики;
- химической кинетики и горения;
- физико-химических процессов, протекающих в энергетических установках и тепловых двигателях, технологических аппаратах, технических и природных системах.
Задачи дисциплины:
- систематизация, углубление и закрепление знаний аспиранта в области термодинамики и тепломассопереноса в широких температурных интервалах, включающих фазовые
превращения, гидрогазодинамики, химической кинетики и горения и других физикохимических процессов, протекающих в тепловых двигателях, технологических аппаратах,
технических и природных системах;
- подготовить аспирантов к применению полученных знаний в осуществлении самостоятельной научно-исследовательской деятельности в области теплофизики, теоретической и промышленной теплотехники и теплоэнергетики.
2. МЕСТО ДИСЦИПЛИНЫ В СТРУКТУРЕ ООП
Учебная дисциплина «Теплофизика и теоретическая теплотехника» входит в состав
ООП, как вариативная часть (блок 1).
Дисциплина «Теплофизика и теоретическая теплотехника» необходима для подготовки и сдачи кандидатского экзамена и предполагает наличие у аспирантов знаний по
специальности (программа вступительного экзамена), высшей математике и информатике
в объеме программы высшей школы.
2
3. ТРЕБОВАНИЯ К РЕЗУЛЬТАТАМ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
Процесс изучения дисциплины «Теплофизика и теоретическая теплотехника»
направлен на формирование элементов следующих компетенций в соответствии с ООП
по направлению подготовки 03.06.01 «Физика и астрономия».
Универсальные компетенции:
- способностью к критическому анализу и оценке современных научных достижений, генерированию новых идей при решении исследовательских и практических задач, в
том числе в междисциплинарных областях (УК-1);
- способностью планировать и решать задачи собственного профессионального и
личностного развития (УК-5).
Общепрофессиональные компетенции:
- владение методологией теоретических и экспериментальных исследований в области профессиональной деятельности (ОПК-1);
Профессиональные компетенции:
- владение понятийным аппаратом теплофизики и теоретической теплотехники и
способность идентифицировать новые области исследований, новые проблемы в сфере
профессиональной деятельности с использованием анализа данных мировых информационных ресурсов, формулировать цели и задачи научных исследований (ПК-1);
- способность предлагать пути решения, выбирать методику и средства проведения
научных исследований (ПК-2);
- владение методикой разработки математических и физических моделей исследуемых процессов, явлений и объектов, относящихся к профессиональной сфере (ПК-3);
- способность планировать и проводить эксперименты, обрабатывать и анализировать их результаты (ПК-4);
- способность объективно оценивать результаты исследований и разработок, выполненных другими специалистами и в других научных учреждениях (ПК-5).
Аспиранты, завершившие изучение данной дисциплины, должны:
- знать: основы термодинамики и статистической физики, теории неравновесных
процессов, физики газов и плазмы, физической гидрогазодинамики, фазовых переходов,
физики горения и взрыва;
- уметь: применять общие математические методы и методы математического моделирования к решению фундаментальных и прикладных физических задач; использовать
методы теплофизики и теоретической теплотехники при выполнении диссертационной
работы; решать основные задачи теории и применять расчеты к конкретным технологическим процессам и к объяснению природных явлений;
- владеть: методологией теоретических и экспериментальных исследований в области профессиональной деятельности; минимальными навыками разработки практических рекомендаций в этой области на основе анализа доступной информации и результатов научных исследований; универсальными компетенциями УК-1 и УК-5; общепрофессиональными компетенциями ОПК-1; профессиональными компетенциями ПК-1, ПК-2,
ПК-3, ПК-4 и ПК-5.
4. СОДЕРЖАНИЕ И СТРУКТУРА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
4.1 Объем дисциплины и виды учебной работы
(в часах и зачетных единицах)
3
Форма обучения – очно. Изучение специальной дисциплины по учебному плану предполагается на 3-4 годах обучения аспирантуры, в 6 и 7 семестрах соответственно. В 6 семестре – зачет, 7 семестре – экзамен.
Таблица 4.1
Вид учебной работы
Трудоемкость изучения дисциплины
Обязательная аудиторная учебная нагрузка (всего)
в том числе практические (семинарские) занятия
Самостоятельная работа аспиранта (всего)
Объем часов / зачетных
единиц
324/9
35/1
35/1
289/8
4.2. Разделы дисциплины и виды занятий
Таблица 4.2
Название раздела дисциплины
Виды учебных
занятий (в часах)
практичесамостояские (семительная
нарские)
работа
занятия
Модуль 1. Термодинамика
Тема 1.1. Термодинамика и ее метод
Тема 1.2. Первый закон термодинамики
Тема 1.3. Второй закон термодинамики
1
Тема 1.4. Уравнения термодинамики
1
Тема 1.5. Равновесие термодинамических систем и фазовые переходы
1
Тема 1.6. Термодинамические свойства веществ
1
Тема 1.7. Основные термодинамические процессы
1
Тема 1.8. Процессы истечения
1
Тема 1.9. Термодинамические циклы
Тема 1.10. Холодильные циклы
Тема 1.11. Основы химической термодинамики
2
Модуль 2. Тепло- и массообмен
Тема 2.1. Теплопроводность
Тема 2.2. Конвективный теплообмен в однокомпонентной среде
1
Тема 2.3. Теплообмен при обтекании тела
1
Тема 2.4. Конвективный теплообмен в турбулентном потоке
Тема 2.5. Теплообмен при высоких скоростях течения
Тема 2.6. Теплообмен при течении жидкости в каналах
Тема 2.7. Теплообмен в трубах при ламинарном и турбулентном течении
Тема 2.8. Теплообмен при свободной конвекции
1
Тема 2.9. Теплообмен при фазовых превращениях
1
Тема 2.10. Пленочная и капельная конденсация
1
Тема 2.11. Кипение жидкостей
1
Тема 2.12. Режимы течения двухфазных потоков в трубах
1
Тема 2.13. Совместные процессы тепло- и массопереноса
Тема 2.14. Процессы на поверхности тела, обтекаемого газовым потоком
Тема 2.15. Теплообмен излучением
Тема 2.16. Теплообмен излучением в диатермичной среде
Тема 2.17. Теплообмен излучением в поглощающих и излучающих средах
Модуль 3. Расчет теплообменных аппаратов
Тема 3.1. Современные теплообменные системы
1
Тема 3.2. Тепловой баланс и гидравлический расчет
1
Тема 3.3. Средства и методы тепловой защиты
1
Тема 3.4. Проникающее охлаждение и фильтрация
1
Модуль 4. Гидрогазодинамика (По специфике реализуемого профиля)
Тема 4.1. Кинематика жидкой среды
1
Тема 4.2. Уравнения движения жидкости
1
Тема 4.3. Течения идеальной жидкости и газа
1
Тема 4.4. Безвихревые движения идеальной среды
1
4
3
6
6
8
9
6
6
6
6
6
12
6
6
6
6
3
3
3
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
Тема 4.5. Динамика вязкой несжимаемой жидкости
1
Тема 4.6. Ламинарный пограничный слой
1
Тема 4.7. Турбулентные течения
1
Модуль 5. Химическая кинетика (По специфике реализуемого профиля)
Тема 5.1. Закономерности химических реакций
1
Тема 5.2. Теория элементарных процессов
1
Тема 5.3. Бимолекулярные и мономолекулярные реакции
1
Тема 5.4. Цепные реакции
1
Модуль 6. Физика горения (По специфике реализуемого профиля)
Тема 6.1. Воспламенение и зажигание
2
Тема 6.2. Гомогенное горение
1
Тема 6.3. Нестационарное горение
1
Тема 6.4. Диффузионное горение
1
Итого:
35
6
6
6
6
6
6
6
12
6
8
6
289
4.3. Содержание разделов и тем
Модуль 1. Термодинамика
Тема 1.1. Термодинамика и ее метод
Термодинамика и ее метод. Параметры состояния. Понятие о термодинамическом
процессе. Идеальный газ. Законы идеального газа. Смеси идеальных газов.
Тема 1.2. Первый закон термодинамики
Первый закон термодинамики. Теплота. Опыт Джоуля. Эквивалентность теплоты и
работы. Закон сохранения и превращения энергии. Внутренняя энергия и внешняя работа.
Энтальпия. Обобщенные силы и обобщенные координаты. Уравнение первого закона термодинамики.
Тема 1.3. Второй закон термодинамики
Формулировка второго закона термодинамики. Циклы. Понятие термического
КПД. Источники теплоты. Обратимые и необратимые процессы. Цикл Карно. Теорема
Карно. Термодинамическая шкала температур. Энтропия. Изменение энтропии в необратимых процессах. Объединение уравнений первого и второго законов термодинамики.
Энтропия и термодинамическая вероятность.
Тема 1.4. Уравнения термодинамики
Дифференциальные уравнения термодинамики (термодинамические потенциалы).
Основные математические методы термодинамики. Уравнение Максвелла. Частные производные внутренней энергии и энтальпии. Теплоемкости.
Тема 1.5. Равновесие термодинамических систем и фазовые переходы
Гомогенные и гетерогенные термодинамические системы. Термодинамическое
равновесие. Условия фазового равновесия. Фазовые переходы. Уравнение КлапейронаКлаузиуса. Фазовые переходы при искривленных поверхностях раздела.
Тема 1.6. Термодинамические свойства веществ
Термические и калорические свойства жидкостей. Критическая точка. Уравнение
Ван-дер-Ваальса. Термические и калорические свойства реальных газов и влажного воздуха. Уравнения состояния реальных газов. Термические свойства веществ на линии фазовых переходов и в критической точке. Термодинамические свойства вещства в метастабильном состоянии.
Тема 1.7. Основные термодинамические процессы
Изохорный процесс. Изобарный процесс. Изотермический процесс. Политропные
процессы. Дросселирование, эффект Джоуля-Томпсона. Адиабатическое расширение реального газа в вакуум (процесс Джоуля). Процесс смешения. Процесс сжатия в компрессоре.
Тема 1.8. Процессы истечения
Процессы истечения газов и жидкостей. Параметры торможения. Сопло, диффузор.
Полное и статическое давление. Уравнение Бернулли. Число Маха. Показатель адиабаты.
Тема 1.9. Термодинамические циклы
5
Термический КПД. Эксергия. Циклы Карно, Отто, Дизеля, Брайтона, Ренкина. Регенерация теплоты в цикле.
Тема 1.10. Холодильные циклы
Обратные тепловые циклы и процессы. Холодильные установки. Цикл воздушной
холодильной установки. Цикл парокомпрессионной холодильной установки. Цикл пароэжекторной холодильной установки. Понятие о цикле абсорбционной холодильной установки. Цикл термоэлектрической холодильной установки. Принцип работы теплового
насоса. Методы сжижения газов.
Тема 1.11. Основы химической термодинамики
Термохимия. Закон Гесса. Уравнение Кирхгофа. Химическое равновесие и второй
закон термодинамики. Константы равновесия и степень диссоциации. Тепловой закон
Нерста.
Модуль 2. Тепло- и массообмен
Тема 2.1. Теплопроводность
Уравнение сохранения энергии, закон Фурье, краевые условия задач теплопроводности. Механизм теплопроводности веществ в твердом (кристаллическом и аморфном),
жидком и газообразном состояниях. Теплопроводность через плоскую стенку. Число Био.
Коэффициент теплопередачи. Теплопроводность через цилиндрическую стенку, критический диаметр изоляции. Нестационарное температурное поле в плоской пластине, регулярный режим охлаждения (нагревания) тел. Метод перемножения решений.
Тема 2.2. Конвективный теплообмен в однокомпонентной среде
Уравнения сохранения массы, импульса и энергии в сплошной среде. Эмпирические законы переноса (Ньютона, Фурье, Фика). Приведение уравнений к безразмерному
виду, критерии подобия. Физический смысл чисел подобия конвективного тепло- и массообмена Тройная аналогия.
Тема 2.3. Теплообмен при обтекании тела
Теплообмен при внешнем обтекании тела. Система уравнений теплового пограничного слоя. Анализ теплообмена при ламинарном течении в пограничном слое методами
размерностей. Автомодельное решение Польгаузена. Соотношения для расчета теплообмена при различных числах Прандтля. Условные толщины пограничного слоя. Интегральные уравнения импульса и энергии.
Тема 2.4. Конвективный теплообмен в турбулентном потоке
Конвективный теплообмен в турбулентном потоке. Переход ламинарного течения в
турбулентное, влияние на турбулентный переход параметров набегающего потока, массовых сил, характеристик обтекаемой поверхности. Осредненные уравнения движения и
энергии для турбулентного течения. Кажущиеся напряжения турбулентного трения, турбулентный тепловой поток. Структура пристенной турбулентной области. Аналогия Рейнольдса для теплообмена при турбулентном течении в пограничном слое (двухслойная
схема), расчетные соотношения для теплоотдачи.
Тема 2.5. Теплообмен при высоких скоростях течения
Конвективный теплообмен при высоких скоростях течения. Адиабатическая температура стенки, коэффициент восстановления, методы расчета теплоотдачи. Теплообмен
на проницаемой поверхности. Теплообмен при поперечном обтекании одиночного цилиндра и пучков труб.
Тема 2.6. Теплообмен при течении жидкости в каналах
Теплообмен при течении жидкости в каналах. Математическое описание, среднемассовая скорость и температура. Стабилизированный теплообмен при граничных условиях 2-го рода. Профили скорости, температуры, теплового потока при ламинарном и
турбулентном течении, интеграл Лайона.
Тема 2.7. Теплообмен в трубах при ламинарном и турбулентном течении
Теплообмен при ламинарном течении жидкости в начальном термическом участке
круглой трубы. Начальный гидродинамический участок. Стабилизированный теплообмен
6
при ламинарном течении. Стабилизированный теплообмен при турбулентном течении
(результаты исследований для неметаллических жидкостей и жидких металлов), расчетные формулы. Влияние переменности свойств жидкости на теплообмен при течении капельных жидкостей и газов в трубах.
Тема 2.8. Теплообмен при свободной конвекции
Теплообмен при свободной конвекции. Механизм и математическое описание,
приближение Буссинеска. Развитие пограничного слоя на вертикальной плоской поверхности, расчет коэффициента теплоотдачи. Свободная конвекция на поверхности горизонтального цилиндра и сферы. Свободная конвекция в замкнутых объемах; теплопередача
через прослойку.
Тема 2.9. Теплообмен при фазовых превращениях
Теплообмен при фазовых превращениях. Математическое описание и модели
двухфазных сред. Универсальные условия совместимости на межфазных границах. Специальные условия совместимости для процессов тепло- и массообмена. Неравновесность
на межфазных границах, квазиравновесное приближение.
Тема 2.10. Пленочная и капельная конденсация
Пленочная и капельная конденсация. Теплообмен при пленочной конденсации на
вертикальной поверхности: решение Нуссельта, анализ основных допущений. Конденсация на поверхности горизонтального цилиндра. Конденсация движущегося пара. Качественные закономерности капельной конденсации.
Тема 2.11. Кипение жидкостей
Кипение жидкостей. Условия зарождения парового зародыша в объеме перегретой
жидкости и на твердой поверхности нагрева. Основные закономерности роста и отрыва
паровых пузырьков. «Кривая кипения». Теплообмен при пузырьковом кипении в большом
объеме, теплообмен при пленочном кипении. Кризисы кипения в большом объеме.
Тема 2.12. Режимы течения двухфазных потоков в трубах
Режимы течения двухфазных потоков в трубах. Характер изменения среднемассовой температуры жидкости, температуры стенки, расходного массового паросодержания
по длине обогреваемого канала. Кипение жидкости, недогретой до температуры насыщения. Кризис теплоотдачи при кипении в трубах.
Тема 2.13. Совместные процессы тепло- и массопереноса.
Совместные процессы тепло- и массопереноса. Общая характеристика процессов
переноса массы и энергии. Состав смеси, диффузионные потоки, коэффициент диффузии.
Перенос энергии и импульса в смеси. Аналогия процессов тепло- и массообмена. Расчет
интенсивности переноса энергии и массы компонента при умеренных и высоких скоростях массообмена.
Тема 2.14. Процессы на поверхности тела, обтекаемого газовым потоком.
Тепло- и массообмен при химических превращениях. Диффузия, сопровождаемая
гомогенной или гетерогенной химической реакцией. Процессы на поверхности тела, обтекаемого гиперзвуковым потоком газа. Сублимация поверхности тела, обтекаемого высокотемпературным газовым потоком. Коэффициент аккомодации. Зависимость скорости
сублимации от температуры поверхности тела. Термическое разложение тела, обтекаемого высокотемпературным потоком химически активного газа. Химическое взаимодействие
на поверхности тела, обтекаемого высокотемпературным газовым потоком. Разрушение
композиционных материалов в высокотемпературном газовом потоке. Взаимодействие
процессов горения и испарения.
Тема 2.15. Теплообмен излучением
Основные понятия и законы излучения. Природа излучения. Интегральная и спектральная плотности потока излучения. Поглощательная, отражательная и пропускательная
способности тел. Абсолютно черное тело. Законы теплового излучения (Планка, Вина,
Стефана-Больцмана, Кирхгофа, Ламберта). Излучение реальных тел. Радиационные свойства реальных материалов.
7
Тема 2.16. Теплообмен излучением в диатермичной среде.
Теплообмен излучением в диатермичной среде. Геометрия излучения (локальные и
средние угловые коэффициенты). Зональный метод расчета теплообмена в системе тел,
разделенных прозрачной средой.
Тема 2.17. Теплообмен излучением в поглощающих и излучающих средах.
Теплообмен излучением в поглощающих и излучающих средах. Излучение и поглощение в газах. Основной закон переноса энергии излучения в излучающепоглощающей среде. Собственное излучение газа. Методы расчета теплообмена.
Модуль 3. Расчет теплообменных аппаратов
Тема 3.1. Современные теплообменные системы
Современные теплообменные системы: парогенераторы тепловых электрических
станций, ядерные энергетические реакторы, камеры сгорания ракетных двигателей, бланкет термоядерного реактора. Теплообменные аппараты: Рекуперативные, регенеративные,
смесительные.
Тема 3.2. Тепловой баланс и гидравлический расчет
Уравнения теплового баланса и теплопередачи. Средний температурный напор.
Расчет поверхности теплообмена, конечной температуры носителей. Основы гидравлического расчета теплообменников. Определение мощности, затрачиваемой на прокачку теплоносителей.
Тема 3.3. Средства и методы тепловой защиты
Особенности выбора средств и методов тепловой защиты. Способы защиты от конвективного и совместного (конвективно-лучистого) нагрева.
Тема 3.4. Проникающее охлаждение и фильтрация
Проникающее охлаждение. Эффект вдува. Теплообмен между пористой матрицей и
фильтрующим охладителем.
Модуль 4. Гидрогазодинамика
Тема 4.1. Кинематика жидкой среды
Кинематика жидкой среды. Задание движения жидкости. Скоростное поле. Тензор
деформаций и тензор скоростей деформаций. Теоремы Гельмгольца. Дифференциальное
уравнение движения элементарного объема среды.
Тема 4.2. Уравнения движения жидкости
Общие уравнения движения жидкости. Закон сохранения массы и уравнение неразрывности. Распределение сил в жидкой среде. Объемные и поверхностные силы. Тензор
напряжений. Уравнение динамики в напряжениях. Уравнение Эйлера. Ньютоновская вязкая жидкость и её реологическое уравнение. Уравнение Навье-Стокса для несжимаемой
жидкости.
Тема 4.3. Течения идеальной жидкости и газа
Течения идеальной жидкости и газа. Основные свойства. Распространение малых
возмущений в идеальном газе. Число Маха. Особенности сверхзвукового и дозвукового
течений газа.
Тема 4.4. Безвихревые движения идеальной среды
Безвихревые движения идеальной среды. Условия существования безвихревых течений. Потенциал скоростей. Некоторые общие свойства безвихревого движения идеальной несжимаемой жидкости.
Тема 4.5. Динамика вязкой несжимаемой жидкости
Динамика вязкой несжимаемой жидкости. Простейшие установившиеся движения
вязкой несжимаемой жидкости. Граничные условия. Обтекание шара при малых числах
Рейнольдса. Понятие о численном решении уравнений Навье-Стокса.
Тема 4.6. Ламинарный пограничный слой
8
Ламинарный пограничный слой в несжимаемой жидкости. Уравнение Прандтля.
Явление вязкого отрыва. Пример плоского автомодельного решения уравнений пограничного слоя. Неустойчивость ламинарных режимов течения. Гидродинашческая неустойчивость. Основные экспериментальные сведения.
Тема 4.7. Турбулентные течения
Турбулентные течения (экспериментальные данные). Доля гидродинамических величин и вероятностное определение. Явления переноса в турбулентном потоке.
Модуль 5. Химическая кинетика
Тема 5.1. Закономерности химических реакций
Общие кинетические закономерности химических реакций. Скорость реакции. Кинетические типы простых реакций. Закон Аррениуса. Реакции с последовательными и параллельными стадиями. Метод квазистационарных концентраций (I).
Тема 5.2. Теория элементарных процессов
Теория элементарных процессов. Поверхности потенциальной энергии. Метод активированного комплекса (абсолютных скоростей реакций) Эйринга-Поляньи.
Тема 5.3. Бимолекулярные и мономолекулярные реакции
Бимолекулярные реакции. Теория соударений (столкновений). Бимолекулярные реакции в рамках теории активированного комплекса (переходного состояния). Мономолекулярные реакции. Механизм мономолекулярного распада.
Тема 5.4. Цепные реакции
Цепные реакции. Простые и сложные цепные реакции. Примеры цепных реакций.
Уравнения описание цепного процесса. Метод квазистационарных концентраций (II).
Модуль 6. Физика горения
Тема 6.1. Воспламенение и зажигание
Воспламенение. Особенности взрывных реакций. Стационарные и нестационарные
теории теплового взрыва. Тепловой взрыв в динамических условиях. Самовоспламенение
при адиабатическом сжатии. Вынужденное воспламенение (зажигание) - тепловая теория.
Тема 6.2. Гомогенное горение
Гомогенное горение. Стационарное распространение пламени в предварительно
перемешанных газах. Модель Зельдовича и Франк-Каменецкого для ламинарного распространения пламени. Понятия об элементарных моделях горения. Пламя в турбулентном
потоке газа.
Тема 6.3. Нестационарное горение
Нестационарное горение. Переход горения в детонацию. Нестационарное горение
конденсированных систем.
Тема 6.4. Диффузионное горение
Горение дисперсных систем. Диффузионное горение газового факела. Горение
одиночных жидкой, металлической, угольной частиц. Горение смесевых конденсированных систем.
9
5. ФОНД ОЦЕНОЧНЫХ СРЕДСТВ
5.1. Паспорт фонда оценочных средств по дисциплине
«Теплофизика и теоретическая теплотехника»
Таблица 5.1
Контролируемые
разделы дисциплины
1
Модуль 1.
Термодинамика.
Модуль 2.
Тепло- и массообмен.
Модуль 3.
Расчет теплообменных аппаратов.
Модуль 4.
Гидрогазодинамика.
Модуль 5.
Химическая кинетика.
Модуль 6.
Физика горения.
Код контролируемой компетенции
2
ОПК-1
ОПК-2
ОПК-3
ПК-1
ПК-2
ПК-3
ПК-4
ПК-5
ПК-1
ПК-2
ПК-3
ПК-4
ПК-5
ОПК-1
ОПК-2
ОПК-3
ПК-1
ПК-2
ПК-3
ПК-4
ПК-5
Этап (начальный,
основной, завершающий)
3
начальный
Способ оценивания
Оценочное средство
4
ОС
5
типовые темы семинарских
выступлений
начальный, основной
З
контрольные вопросы для
зачетов
начальный, основной, завершающий
Э
ЗНКР
вопросы для экзаменационных билетов
начальный
ОС
типовые темы семинарских
выступлений
начальный, основной, завершающий
Э
ЗНКР
вопросы для экзаменационных билетов
З - зачет;
Э – экзамен;
ОС – оценивание на семинарском выступлении аспиранта;
ЗНКР – защита научно-квалификационной работы.
5.2. Оценочные средства для текущего контроля и
промежуточной аттестации
Цель контроля – получение информации и соответствие ее результатам обучения.
5.2.1. Текущий контроль
Текущий контроль успеваемости, т.е. проверка усвоения учебного материала по
дисциплине «Теплофизика и теоретическая теплотехника» учащихся организован как устный опрос.
Текущая самостоятельная работа аспиранта направлена на углубление и закрепление знаний, и развитие практических умений.
5.2.2. Список вопросов для проведения текущего контроля и устного опроса
обучающихся:
Модуль 1. Термодинамика
1.1 Термодинамика и ее метод. Параметры состояния. Понятие о термодинамическом процессе. Идеальный газ. Законы идеального газа. Смеси идеальных газов.
10
1.2 Первый закон термодинамики. Теплота. Опыт Джоуля. Эквивалентность теплоты и работы. Закон сохранения и превращения энергии. Внутренняя энергия и внешняя
работа. Энтальпия. Обобщенные силы и обобщенные координаты. Уравнение первого закона термодинамики.
1.3 Формулировка второго закона термодинамики. Циклы. Понятие термического
КПД. Источники теплоты. Обратимые и необратимые процессы. Цикл Карно. Теорема
Карно. Термодинамическая шкала температур. Энтропия. Изменение энтропии в необратимых процессах. Объединение уравнений первого и второго законов термодинамики.
Энтропия и термодинамическая вероятность.
1.4 Дифференциальные уравнения термодинамики (термодинамические потенциалы). Основные математические методы термодинамики. Уравнение Максвелла. Частные
производные внутренней энергии и энтальпии. Теплоемкости.
1.5 Гомогенные и гетерогенные термодинамические системы. Термодинамическое
равновесие. Условия фазового равновесия. Фазовые переходы. Уравнение КлапейронаКлаузиуса. Фазовые переходы при искривленных поверхностях раздела.
1.6 Термические и калорические свойства жидкостей. Критическая точка. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Термические и калорические свойства реальных газов и влажного
воздуха. Уравнения состояния реальных газов. Термические свойства веществ на линии
фазовых переходов и в критической точке. Термодинамические свойства вещства в метастабильном состоянии.
1.7 Изохорный процесс. Изобарный процесс. Изотермический процесс. Политропные процессы. Дросселирование, эффект Джоуля-Томпсона. Адиабатическое расширение
реального газа в вакуум (процесс Джоуля). Процесс смешения. Процесс сжатия в компрессоре.
1.8 Процессы истечения газов и жидкостей. Параметры торможения. Сопло, диффузор. Полное и статическое давление. Уравнение Бернулли. Число Маха. Показатель
адиабаты.
1.9 Термический КПД. Эксергия. Циклы Карно, Отто, Дизеля, Брайтона, Ренкина.
Регенерация теплоты в цикле.
1.10 Обратные тепловые циклы и процессы. Холодильные установки. Цикл воздушной холодильной установки. Цикл парокомпрессионной холодильной установки.
Цикл пароэжекторной холодильной установки. Понятие о цикле абсорбционной холодильной установки. Цикл термоэлектрической холодильной установки. Принцип работы
теплового насоса. Методы сжижения газов.
1.11 Термохимия. Закон Гесса. Уравнение Кирхгофа. Химическое равновесие и
второй закон термодинамики. Константы равновесия и степень диссоциации. Тепловой
закон Нерста.
Модуль 2. Тепло- и массообмен
2.1 Уравнение сохранения энергии, закон Фурье, краевые условия задач теплопроводности. Механизм теплопроводности веществ в твердом (кристаллическом и аморфном), жидком и газообразном состояниях. Теплопроводность через плоскую стенку. Число
Био. Коэффициент теплопередачи. Теплопроводность через цилиндрическую стенку, критический диаметр изоляции. Нестационарное температурное поле в плоской пластине, регулярный режим охлаждения (нагревания) тел. Метод перемножения решений.
2.2 Уравнения сохранения массы, импульса и энергии в сплошной среде. Эмпирические законы переноса (Ньютона, Фурье, Фика). Приведение уравнений к безразмерному
виду, критерии подобия. Физический смысл чисел подобия конвективного тепло- и массообмена Тройная аналогия.
2.3 Теплообмен при внешнем обтекании тела. Система уравнений теплового пограничного слоя. Анализ теплообмена при ламинарном течении в пограничном слое методами размерностей. Автомодельное решение Польгаузена. Соотношения для расчета теп-
11
лообмена при различных числах Прандтля. Условные толщины пограничного слоя. Интегральные уравнения импульса и энергии.
2.4 Конвективный теплообмен в турбулентном потоке. Переход ламинарного течения в турбулентное, влияние на турбулентный переход параметров набегающего потока,
массовых сил, характеристик обтекаемой поверхности. Осредненные уравнения движения
и энергии для турбулентного течения. Кажущиеся напряжения турбулентного трения,
турбулентный тепловой поток. Структура пристенной турбулентной области. Аналогия
Рейнольдса для теплообмена при турбулентном течении в пограничном слое (двухслойная
схема), расчетные соотношения для теплоотдачи.
2.5 Конвективный теплообмен при высоких скоростях течения. Адиабатическая
температура стенки, коэффициент восстановления, методы расчета теплоотдачи. Теплообмен на проницаемой поверхности. Теплообмен при поперечном обтекании одиночного
цилиндра и пучков труб.
2.6 Теплообмен при течении жидкости в каналах. Математическое описание, среднемассовая скорость и температура. Стабилизированный теплообмен при граничных
условиях 2-го рода. Профили скорости, температуры, теплового потока при ламинарном и
турбулентном течении, интеграл Лайона.
2.7 Теплообмен при ламинарном течении жидкости в начальном термическом
участке круглой трубы. Начальный гидродинамический участок. Стабилизированный теплообмен при ламинарном течении. Стабилизированный теплообмен при турбулентном
течении (результаты исследований для неметаллических жидкостей и жидких металлов),
расчетные формулы. Влияние переменности свойств жидкости на теплообмен при течении капельных жидкостей и газов в трубах.
2.8 Теплообмен при свободной конвекции. Механизм и математическое описание,
приближение Буссинеска. Развитие пограничного слоя на вертикальной плоской поверхности, расчет коэффициента теплоотдачи. Свободная конвекция на поверхности горизонтального цилиндра и сферы. Свободная конвекция в замкнутых объемах; теплопередача
через прослойку.
2.9 Теплообмен при фазовых превращениях. Математическое описание и модели
двухфазных сред. Универсальные условия совместимости на межфазных границах. Специальные условия совместимости для процессов тепло- и массообмена. Неравновесность
на межфазных границах, квазиравновесное приближение.
2.10 Пленочная и капельная конденсация. Теплообмен при пленочной конденсации
на вертикальной поверхности: решение Нуссельта, анализ основных допущений. Конденсация на поверхности горизонтального цилиндра. Конденсация движущегося пара. Качественные закономерности капельной конденсации.
2.11 Кипение жидкостей. Условия зарождения парового зародыша в объеме перегретой жидкости и на твердой поверхности нагрева. Основные закономерности роста и
отрыва паровых пузырьков. «Кривая кипения». Теплообмен при пузырьковом кипении в
большом объеме, теплообмен при пленочном кипении. Кризисы кипения в большом объеме.
2.12 Режимы течения двухфазных потоков в трубах. Характер изменения среднемассовой температуры жидкости, температуры стенки, расходного массового паросодержания по длине обогреваемого канала. Кипение жидкости, недогретой до температуры
насыщения. Кризис теплоотдачи при кипении в трубах.
2.13 Совместные процессы тепло- и массопереноса. Общая характеристика процессов переноса массы и энергии. Состав смеси, диффузионные потоки, коэффициент
диффузии. Перенос энергии и импульса в смеси. Аналогия процессов тепло- и массообмена. Расчет интенсивности переноса энергии и массы компонента при умеренных и высоких скоростях массообмена.
2.14 Тепло- и массообмен при химических превращениях. Диффузия, сопровождаемая гомогенной или гетерогенной химической реакцией. Процессы на поверхности тела,
12
обтекаемого гиперзвуковым потоком газа. Сублимация поверхности тела, обтекаемого
высокотемпературным газовым потоком. Коэффициент аккомодации. Зависимость скорости сублимации от температуры поверхности тела. Термическое разложение тела, обтекаемого высокотемпературным потоком химически активного газа. Химическое взаимодействие на поверхности тела, обтекаемого высокотемпературным газовым потоком. Разрушение композиционных материалов в высокотемпературном газовом потоке. Взаимодействие процессов горения и испарения.
2.15 Основные понятия и законы излучения. Природа излучения. Интегральная и
спектральная плотности потока излучения. Поглощательная, отражательная и пропускательная способности тел. Абсолютно черное тело. Законы теплового излучения (Планка,
Вина, Стефана-Больцмана, Кирхгофа, Ламберта). Излучение реальных тел. Радиационные
свойства реальных материалов.
2.16 Теплообмен излучением в диатермичной среде. Геометрия излучения (локальные и средние угловые коэффициенты). Зональный метод расчета теплообмена в системе тел, разделенных прозрачной средой.
2.17 Теплообмен излучением в поглощающих и излучающих средах. Излучение и
поглощение в газах. Основной закон переноса энергии излучения в излучающепоглощающей среде. Собственное излучение газа. Методы расчета теплообмена.
Модуль 3. Расчет теплообменных аппаратов
3.1 Современные теплообменные системы: парогенераторы тепловых электрических станций, ядерные энергетические реакторы, камеры сгорания ракетных двигателей,
бланкет термоядерного реактора. Теплообменные аппараты: Рекуперативные, регенеративные, смесительные.
3.2 Уравнения теплового баланса и теплопередачи. Средний температурный напор.
Расчет поверхности теплообмена, конечной температуры носителей. Основы гидравлического расчета теплообменников. Определение мощности, затрачиваемой на прокачку теплоносителей.
3.3 Особенности выбора средств и методов тепловой защиты. Способы защиты от
конвективного и совместного (конвективно-лучистого) нагрева.
3.4 Проникающее охлаждение. Эффект вдува. Теплообмен между пористой матрицей и фильтрующим охладителем.
Модуль 4. Гидрогазодинамика
4.1 Кинематика жидкой среды. Задание движения жидкости. Скоростное поле.
Тензор деформаций и тензор скоростей деформаций. Теоремы Гельмгольца. Дифференциальное уравнение движения элементарного объема среды.
4.2 Общие уравнения движения жидкости. Закон сохранения массы и уравнение
неразрывности. Распределение сил в жидкой среде. Объемные и поверхностные силы.
Тензор напряжений. Уравнение динамики в напряжениях. Уравнение Эйлера. Ньютоновская вязкая жидкость и её реологическое уравнение. Уравнение Навье-Стокса для несжимаемой жидкости.
4.3 Течения идеальной жидкости и газа. Основные свойства. Распространение малых возмущений в идеальном газе. Число Маха. Особенности сверхзвукового и дозвукового течений газа.
4.4 Безвихревые движения идеальной среды. Условия существования безвихревых
течений. Потенциал скоростей. Некоторые общие свойства безвихревого движения идеальной несжимаемой жидкости.
4.5 Динамика вязкой несжимаемой жидкости. Простейшие установившиеся движения вязкой несжимаемой жидкости. Граничные условия. Обтекание шара при малых
числах Рейнольдса. Понятие о численном решении уравнений Навье-Стокса.
13
4.6 Ламинарный пограничный слой в несжимаемой жидкости. Уравнение Прандтля. Явление вязкого отрыва. Пример плоского автомодельного решения уравнений пограничного слоя. Неустойчивость ламинарных режимов течения. Гидродинашческая неустойчивость. Основные экспериментальные сведения.
4.7 Турбулентные течения (экспериментальные данные). Доля гидродинамических
величин и вероятностное определение. Явления переноса в турбулентном потоке.
Модуль 5. Химическая кинетика
5.1 Общие кинетические закономерности химических реакций. Скорость реакции.
Кинетические типы простых реакций. Закон Аррениуса. Реакции с последовательными и
параллельными стадиями. Метод квазистационарных концентраций (I).
5.2 Теория элементарных процессов. Поверхности потенциальной энергии. Метод
активированного комплекса (абсолютных скоростей реакций) Эйринга-Поляньи.
5.3 Бимолекулярные реакции. Теория соударений (столкновений). Бимолекулярные реакции в рамках теории активированного комплекса (переходного состояния). Мономолекулярные реакции. Механизм мономолекулярного распада.
5.4 Цепные реакции. Простые и сложные цепные реакции. Примеры цепных реакций. Уравнения описание цепного процесса. Метод квазистационарных концентраций (II).
Модуль 6. Физика горения
6.1 Воспламенение. Особенности взрывных реакций. Стационарные и нестационарные теории теплового взрыва. Тепловой взрыв в динамических условиях. Самовоспламенение при адиабатическом сжатии. Вынужденное воспламенение (зажигание) - тепловая теория.
6.2 Гомогенное горение. Стационарное распространение пламени в предварительно перемешанных газах. Модель Зельдовича и Франк-Каменецкого для ламинарного распространения пламени. Понятия об элементарных моделях горения. Пламя в турбулентном потоке газа.
6.3 Нестационарное горение. Переход горения в детонацию. Нестационарное горение конденсированных систем.
6.4 Горение дисперсных систем. Диффузионное горение газового факела. Горение
одиночных жидкой, металлической, угольной частиц. Горение смесевых конденсированных систем.
5.3 Промежуточная аттестация
Промежуточная аттестация осуществляется в конце семестра. Форма аттестации –
зачет в 6 семестре и экзамен в 7 семестре.
На экзамене аспирант должен продемонстрировать высокий научный уровень и
научные знания по дисциплине «Теплофизика и теоретическая теплотехника».
При оценивании сформированности компетенций по дисциплине «Тепловые
двигатели» используется двухуровневая и 5-балльная шкала.
Таблица 5.3.1. Форма промежуточной аттестации: зачет
Критерий
Аспирант проявил знание программного материала, демонстрирует сформированные (иногда не полностью) умения и навыки, указанные в программе компетенции, умеет (в основном) систематизировать материал и делать выводы
14
Оценка по традиционной шкале
Зачтено
Аспирант не усвоил основное содержание материала, не умеет
систематизировать информацию, делать выводы, четко и грамотно отвечать на заданные вопросы, демонстрирует низкий уровень
овладения необходимыми компетенциями
Не зачтено
Таблица 5.3.2. Форма промежуточной аттестации: экзамен
Критерий
Аспирант твёрдо знает программный материал, системно и грамотно излагает его, демонстрирует необходимый уровень компетенций, чёткие, сжатые ответы на дополнительные вопросы,
свободно владеет понятийным аппаратом.
Аспирант проявил полное знание программного материала, демонстрирует сформированные на достаточном уровне умения и
навыки, указанные в программе компетенции, допускает непринципиальные неточности при изложении ответа на вопросы.
Аспирант обнаруживает знания только основного материала, но
не усвоил детали, допускает ошибки, демонстрирует не до конца
сформированные компетенции, умения систематизировать материал и делать выводы.
Аспирант не усвоил основное содержание материала, не умеет
систематизировать информацию, делать необходимые выводы,
чётко и грамотно отвечать на заданные вопросы, демонстрирует
низкий уровень овладения необходимыми компетенциями.
Оценка по 5-балльной
шкале
5 (отлично)
4 (хорошо)
3 (удовлетворительно)
2 (неудовлетворительно)
5.4 Список вопросов для проведения промежуточной аттестации
5.4.1 Вопросы для зачета: (по пройденным в семестре темам)
Термодинамика
1. Термодинамика и ее метод. Параметры состояния. Понятие о термодинамическом процессе. Идеальный газ. Законы идеального газа. Смеси идеальных газов.
2. Первый закон термодинамики. Теплота. Опыт Джоуля. Эквивалентность теплоты и работы. Закон сохранения и превращения энергии. Внутренняя энергия и внешняя
работа. Энтальпия. Обобщенные силы и обобщенные координаты. Уравнение первого закона термодинамики.
3. Формулировка второго закона термодинамики. Циклы. Понятие термического
КПД. Источники теплоты. Обратимые и необратимые процессы. Цикл Карно. Теорема
Карно. Термодинамическая шкала температур. Энтропия. Изменение энтропии в необратимых процессах. Объединение уравнений первого и второго законов термодинамики.
Энтропия и термодинамическая вероятность.
4. Дифференциальные уравнения термодинамики (термодинамические потенциалы). Основные математические методы термодинамики. Уравнение Максвелла. Частные
производные внутренней энергии и энтальпии. Теплоемкости.
5. Гомогенные и гетерогенные термодинамические системы. Термодинамическое
равновесие. Условия фазового равновесия. Фазовые переходы. Уравнение КлапейронаКлаузиуса. Фазовые переходы при искривленных поверхностях раздела.
6. Термические и калорические свойства жидкостей. Критическая точка. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Термические и калорические свойства реальных газов и влажного
воздуха. Уравнения состояния реальных газов. Термические свойства веществ на линии
фазовых переходов и в критической точке. Термодинамические свойства вещства в метастабильном состоянии.
15
7. Изохорный процесс. Изобарный процесс. Изотермический процесс. Политропные процессы. Дросселирование, эффект Джоуля-Томпсона. Адиабатическое расширение
реального газа в вакуум (процесс Джоуля). Процесс смешения. Процесс сжатия в компрессоре.
8. Процессы истечения газов и жидкостей. Параметры торможения. Сопло, диффузор. Полное и статическое давление. Уравнение Бернулли. Число Маха. Показатель адиабаты.
9. Термический КПД. Эксергия. Циклы Карно, Отто, Дизеля, Брайтона, Ренкина.
Регенерация теплоты в цикле.
10. Обратные тепловые циклы и процессы. Холодильные установки. Цикл воздушной холодильной установки. Цикл парокомпрессионной холодильной установки. Цикл
пароэжекторной холодильной установки. Понятие о цикле абсорбционной холодильной
установки. Цикл термоэлектрической холодильной установки. Принцип работы теплового
насоса. Методы сжижения газов.
11. Термохимия. Закон Гесса. Уравнение Кирхгофа. Химическое равновесие и второй закон термодинамики. Константы равновесия и степень диссоциации. Тепловой закон
Нерста.
Тепло- и массообмен
12. Уравнение сохранения энергии, закон Фурье, краевые условия задач теплопроводности. Механизм теплопроводности веществ в твердом (кристаллическом и аморфном), жидком и газообразном состояниях. Теплопроводность через плоскую стенку. Число
Био. Коэффициент теплопередачи. Теплопроводность через цилиндрическую стенку, критический диаметр изоляции. Нестационарное температурное поле в плоской пластине, регулярный режим охлаждения (нагревания) тел. Метод перемножения решений.
13. Уравнения сохранения массы, импульса и энергии в сплошной среде. Эмпирические законы переноса (Ньютона, Фурье, Фика). Приведение уравнений к безразмерному
виду, критерии подобия. Физический смысл чисел подобия конвективного тепло- и массообмена Тройная аналогия.
14. Теплообмен при внешнем обтекании тела. Система уравнений теплового пограничного слоя. Анализ теплообмена при ламинарном течении в пограничном слое методами размерностей. Автомодельное решение Польгаузена. Соотношения для расчета теплообмена при различных числах Прандтля. Условные толщины пограничного слоя. Интегральные уравнения импульса и энергии.
15. Конвективный теплообмен в турбулентном потоке. Переход ламинарного течения в турбулентное, влияние на турбулентный переход параметров набегающего потока,
массовых сил, характеристик обтекаемой поверхности. Осредненные уравнения движения
и энергии для турбулентного течения. Кажущиеся напряжения турбулентного трения,
турбулентный тепловой поток. Структура пристенной турбулентной области. Аналогия
Рейнольдса для теплообмена при турбулентном течении в пограничном слое (двухслойная
схема), расчетные соотношения для теплоотдачи.
16. Конвективный теплообмен при высоких скоростях течения. Адиабатическая
температура стенки, коэффициент восстановления, методы расчета теплоотдачи. Теплообмен на проницаемой поверхности. Теплообмен при поперечном обтекании одиночного
цилиндра и пучков труб.
17. Теплообмен при течении жидкости в каналах. Математическое описание, среднемассовая скорость и температура. Стабилизированный теплообмен при граничных
условиях 2-го рода. Профили скорости, температуры, теплового потока при ламинарном и
турбулентном течении, интеграл Лайона.
18. Теплообмен при ламинарном течении жидкости в начальном термическом
участке круглой трубы. Начальный гидродинамический участок. Стабилизированный теплообмен при ламинарном течении. Стабилизированный теплообмен при турбулентном
течении (результаты исследований для неметаллических жидкостей и жидких металлов),
16
расчетные формулы. Влияние переменности свойств жидкости на теплообмен при течении капельных жидкостей и газов в трубах.
19. Теплообмен при свободной конвекции. Механизм и математическое описание,
приближение Буссинеска. Развитие пограничного слоя на вертикальной плоской поверхности, расчет коэффициента теплоотдачи. Свободная конвекция на поверхности горизонтального цилиндра и сферы. Свободная конвекция в замкнутых объемах; теплопередача
через прослойку.
20. Теплообмен при фазовых превращениях. Математическое описание и модели
двухфазных сред. Универсальные условия совместимости на межфазных границах. Специальные условия совместимости для процессов тепло- и массообмена. Неравновесность
на межфазных границах, квазиравновесное приближение.
21. Пленочная и капельная конденсация. Теплообмен при пленочной конденсации
на вертикальной поверхности: решение Нуссельта, анализ основных допущений. Конденсация на поверхности горизонтального цилиндра. Конденсация движущегося пара. Качественные закономерности капельной конденсации.
22. Кипение жидкостей. Условия зарождения парового зародыша в объеме перегретой жидкости и на твердой поверхности нагрева. Основные закономерности роста и
отрыва паровых пузырьков. «Кривая кипения». Теплообмен при пузырьковом кипении в
большом объеме, теплообмен при пленочном кипении. Кризисы кипения в большом объеме.
23. Режимы течения двухфазных потоков в трубах. Характер изменения среднемассовой температуры жидкости, температуры стенки, расходного массового паросодержания по длине обогреваемого канала. Кипение жидкости, недогретой до температуры
насыщения. Кризис теплоотдачи при кипении в трубах.
24. Совместные процессы тепло- и массопереноса. Общая характеристика процессов переноса массы и энергии. Состав смеси, диффузионные потоки, коэффициент диффузии. Перенос энергии и импульса в смеси. Аналогия процессов тепло- и массообмена.
Расчет интенсивности переноса энергии и массы компонента при умеренных и высоких
скоростях массообмена.
25. Тепло- и массообмен при химических превращениях. Диффузия, сопровождаемая гомогенной или гетерогенной химической реакцией. Процессы на поверхности тела,
обтекаемого гиперзвуковым потоком газа. Сублимация поверхности тела, обтекаемого
высокотемпературным газовым потоком. Коэффициент аккомодации. Зависимость скорости сублимации от температуры поверхности тела. Термическое разложение тела, обтекаемого высокотемпературным потоком химически активного газа. Химическое взаимодействие на поверхности тела, обтекаемого высокотемпературным газовым потоком. Разрушение композиционных материалов в высокотемпературном газовом потоке. Взаимодействие процессов горения и испарения.
26. Основные понятия и законы излучения. Природа излучения. Интегральная и
спектральная плотности потока излучения. Поглощательная, отражательная и пропускательная способности тел. Абсолютно черное тело. Законы теплового излучения (Планка,
Вина, Стефана-Больцмана, Кирхгофа, Ламберта). Излучение реальных тел. Радиационные
свойства реальных материалов.
27. Теплообмен излучением в диатермичной среде. Геометрия излучения (локальные и средние угловые коэффициенты). Зональный метод расчета теплообмена в системе
тел, разделенных прозрачной средой.
28. Теплообмен излучением в поглощающих и излучающих средах. Излучение и
поглощение в газах. Основной закон переноса энергии излучения в излучающепоглощающей среде. Собственное излучение газа. Методы расчета теплообмена.
5.4.2 Вопросы для экзамена:
17
Термодинамика
1. Термодинамика и ее метод. Параметры состояния. Понятие о термодинамическом процессе. Идеальный газ. Законы идеального газа. Смеси идеальных газов.
2. Первый закон термодинамики. Теплота. Опыт Джоуля. Эквивалентность теплоты и работы. Закон сохранения и превращения энергии. Внутренняя энергия и внешняя
работа. Энтальпия. Обобщенные силы и обобщенные координаты. Уравнение первого закона термодинамики.
3. Формулировка второго закона термодинамики. Циклы. Понятие термического
КПД. Источники теплоты. Обратимые и необратимые процессы. Цикл Карно. Теорема
Карно. Термодинамическая шкала температур. Энтропия. Изменение энтропии в необратимых процессах. Объединение уравнений первого и второго законов термодинамики.
Энтропия и термодинамическая вероятность.
4. Дифференциальные уравнения термодинамики (термодинамические потенциалы). Основные математические методы термодинамики. Уравнение Максвелла. Частные
производные внутренней энергии и энтальпии. Теплоемкости.
5. Гомогенные и гетерогенные термодинамические системы. Термодинамическое
равновесие. Условия фазового равновесия. Фазовые переходы. Уравнение КлапейронаКлаузиуса. Фазовые переходы при искривленных поверхностях раздела.
6. Термические и калорические свойства жидкостей. Критическая точка. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Термические и калорические свойства реальных газов и влажного
воздуха. Уравнения состояния реальных газов. Термические свойства веществ на линии
фазовых переходов и в критической точке. Термодинамические свойства вещства в метастабильном состоянии.
7. Изохорный процесс. Изобарный процесс. Изотермический процесс. Политропные процессы. Дросселирование, эффект Джоуля-Томпсона. Адиабатическое расширение
реального газа в вакуум (процесс Джоуля). Процесс смешения. Процесс сжатия в компрессоре.
8. Процессы истечения газов и жидкостей. Параметры торможения. Сопло, диффузор. Полное и статическое давление. Уравнение Бернулли. Число Маха. Показатель адиабаты.
9. Термический КПД. Эксергия. Циклы Карно, Отто, Дизеля, Брайтона, Ренкина.
Регенерация теплоты в цикле.
10. Обратные тепловые циклы и процессы. Холодильные установки. Цикл воздушной холодильной установки. Цикл парокомпрессионной холодильной установки. Цикл
пароэжекторной холодильной установки. Понятие о цикле абсорбционной холодильной
установки. Цикл термоэлектрической холодильной установки. Принцип работы теплового
насоса. Методы сжижения газов.
11. Термохимия. Закон Гесса. Уравнение Кирхгофа. Химическое равновесие и второй закон термодинамики. Константы равновесия и степень диссоциации. Тепловой закон
Нерста.
Тепло- и массообмен
12. Уравнение сохранения энергии, закон Фурье, краевые условия задач теплопроводности. Механизм теплопроводности веществ в твердом (кристаллическом и аморфном), жидком и газообразном состояниях. Теплопроводность через плоскую стенку. Число
Био. Коэффициент теплопередачи. Теплопроводность через цилиндрическую стенку, критический диаметр изоляции. Нестационарное температурное поле в плоской пластине, регулярный режим охлаждения (нагревания) тел. Метод перемножения решений.
13. Уравнения сохранения массы, импульса и энергии в сплошной среде. Эмпирические законы переноса (Ньютона, Фурье, Фика). Приведение уравнений к безразмерному
виду, критерии подобия. Физический смысл чисел подобия конвективного тепло- и массообмена Тройная аналогия.
18
14. Теплообмен при внешнем обтекании тела. Система уравнений теплового пограничного слоя. Анализ теплообмена при ламинарном течении в пограничном слое методами размерностей. Автомодельное решение Польгаузена. Соотношения для расчета теплообмена при различных числах Прандтля. Условные толщины пограничного слоя. Интегральные уравнения импульса и энергии.
15. Конвективный теплообмен в турбулентном потоке. Переход ламинарного течения в турбулентное, влияние на турбулентный переход параметров набегающего потока,
массовых сил, характеристик обтекаемой поверхности. Осредненные уравнения движения
и энергии для турбулентного течения. Кажущиеся напряжения турбулентного трения,
турбулентный тепловой поток. Структура пристенной турбулентной области. Аналогия
Рейнольдса для теплообмена при турбулентном течении в пограничном слое (двухслойная
схема), расчетные соотношения для теплоотдачи.
16. Конвективный теплообмен при высоких скоростях течения. Адиабатическая
температура стенки, коэффициент восстановления, методы расчета теплоотдачи. Теплообмен на проницаемой поверхности. Теплообмен при поперечном обтекании одиночного
цилиндра и пучков труб.
17. Теплообмен при течении жидкости в каналах. Математическое описание, среднемассовая скорость и температура. Стабилизированный теплообмен при граничных
условиях 2-го рода. Профили скорости, температуры, теплового потока при ламинарном и
турбулентном течении, интеграл Лайона.
18. Теплообмен при ламинарном течении жидкости в начальном термическом
участке круглой трубы. Начальный гидродинамический участок. Стабилизированный теплообмен при ламинарном течении. Стабилизированный теплообмен при турбулентном
течении (результаты исследований для неметаллических жидкостей и жидких металлов),
расчетные формулы. Влияние переменности свойств жидкости на теплообмен при течении капельных жидкостей и газов в трубах.
19. Теплообмен при свободной конвекции. Механизм и математическое описание,
приближение Буссинеска. Развитие пограничного слоя на вертикальной плоской поверхности, расчет коэффициента теплоотдачи. Свободная конвекция на поверхности горизонтального цилиндра и сферы. Свободная конвекция в замкнутых объемах; теплопередача
через прослойку.
20. Теплообмен при фазовых превращениях. Математическое описание и модели
двухфазных сред. Универсальные условия совместимости на межфазных границах. Специальные условия совместимости для процессов тепло- и массообмена. Неравновесность
на межфазных границах, квазиравновесное приближение.
21. Пленочная и капельная конденсация. Теплообмен при пленочной конденсации
на вертикальной поверхности: решение Нуссельта, анализ основных допущений. Конденсация на поверхности горизонтального цилиндра. Конденсация движущегося пара. Качественные закономерности капельной конденсации.
22. Кипение жидкостей. Условия зарождения парового зародыша в объеме перегретой жидкости и на твердой поверхности нагрева. Основные закономерности роста и
отрыва паровых пузырьков. «Кривая кипения». Теплообмен при пузырьковом кипении в
большом объеме, теплообмен при пленочном кипении. Кризисы кипения в большом объеме.
23. Режимы течения двухфазных потоков в трубах. Характер изменения среднемассовой температуры жидкости, температуры стенки, расходного массового паросодержания по длине обогреваемого канала. Кипение жидкости, недогретой до температуры
насыщения. Кризис теплоотдачи при кипении в трубах.
24. Совместные процессы тепло- и массопереноса. Общая характеристика процессов переноса массы и энергии. Состав смеси, диффузионные потоки, коэффициент диффузии. Перенос энергии и импульса в смеси. Аналогия процессов тепло- и массообмена.
19
Расчет интенсивности переноса энергии и массы компонента при умеренных и высоких
скоростях массообмена.
25. Тепло- и массообмен при химических превращениях. Диффузия, сопровождаемая гомогенной или гетерогенной химической реакцией. Процессы на поверхности тела,
обтекаемого гиперзвуковым потоком газа. Сублимация поверхности тела, обтекаемого
высокотемпературным газовым потоком. Коэффициент аккомодации. Зависимость скорости сублимации от температуры поверхности тела. Термическое разложение тела, обтекаемого высокотемпературным потоком химически активного газа. Химическое взаимодействие на поверхности тела, обтекаемого высокотемпературным газовым потоком. Разрушение композиционных материалов в высокотемпературном газовом потоке. Взаимодействие процессов горения и испарения.
26. Основные понятия и законы излучения. Природа излучения. Интегральная и
спектральная плотности потока излучения. Поглощательная, отражательная и пропускательная способности тел. Абсолютно черное тело. Законы теплового излучения (Планка,
Вина, Стефана-Больцмана, Кирхгофа, Ламберта). Излучение реальных тел. Радиационные
свойства реальных материалов.
27. Теплообмен излучением в диатермичной среде. Геометрия излучения (локальные и средние угловые коэффициенты). Зональный метод расчета теплообмена в системе
тел, разделенных прозрачной средой.
28. Теплообмен излучением в поглощающих и излучающих средах. Излучение и
поглощение в газах. Основной закон переноса энергии излучения в излучающепоглощающей среде. Собственное излучение газа. Методы расчета теплообмена.
Расчет теплообменных аппаратов
29. Современные теплообменные системы: парогенераторы тепловых электрических станций, ядерные энергетические реакторы, камеры сгорания ракетных двигателей,
бланкет термоядерного реактора. Теплообменные аппараты: Рекуперативные, регенеративные, смесительные.
30. Уравнения теплового баланса и теплопередачи. Средний температурный напор.
Расчет поверхности теплообмена, конечной температуры носителей. Основы гидравлического расчета теплообменников. Определение мощности, затрачиваемой на прокачку теплоносителей.
31. Особенности выбора средств и методов тепловой защиты. Способы защиты от
конвективного и совместного (конвективно-лучистого) нагрева.
32. Проникающее охлаждение. Эффект вдува. Теплообмен между пористой матрицей и фильтрующим охладителем.
Гидрогазодинамика
33. Кинематика жидкой среды. Задание движения жидкости. Скоростное поле.
Тензор деформаций и тензор скоростей деформаций. Теоремы Гельмгольца. Дифференциальное уравнение движения элементарного объема среды.
34. Общие уравнения движения жидкости. Закон сохранения массы и уравнение
неразрывности. Распределение сил в жидкой среде. Объемные и поверхностные силы.
Тензор напряжений. Уравнение динамики в напряжениях. Уравнение Эйлера. Ньютоновская вязкая жидкость и её реологическое уравнение. Уравнение Навье-Стокса для несжимаемой жидкости.
35. Течения идеальной жидкости и газа. Основные свойства. Распространение малых возмущений в идеальном газе. Число Маха. Особенности сверхзвукового и дозвукового течений газа.
36. Безвихревые движения идеальной среды. Условия существования безвихревых
течений. Потенциал скоростей. Некоторые общие свойства безвихревого движения идеальной несжимаемой жидкости.
20
37. Динамика вязкой несжимаемой жидкости. Простейшие установившиеся движения вязкой несжимаемой жидкости. Граничные условия. Обтекание шара при малых
числах Рейнольдса. Понятие о численном решении уравнений Навье-Стокса.
38. Ламинарный пограничный слой в несжимаемой жидкости. Уравнение Прандтля. Явление вязкого отрыва. Пример плоского автомодельного решения уравнений пограничного слоя. Неустойчивость ламинарных режимов течения. Гидродинашческая неустойчивость. Основные экспериментальные сведения.
39. Турбулентные течения (экспериментальные данные). Доля гидродинамических
величин и вероятностное определение. Явления переноса в турбулентном потоке.
Химическая кинетика
40. Общие кинетические закономерности химических реакций. Скорость реакции.
Кинетические типы простых реакций. Закон Аррениуса. Реакции с последовательными и
параллельными стадиями. Метод квазистационарных концентраций (I).
41. Теория элементарных процессов. Поверхности потенциальной энергии. Метод
активированного комплекса (абсолютных скоростей реакций) Эйринга-Поляньи.
42. Бимолекулярные реакции. Теория соударений (столкновений). Бимолекулярные реакции в рамках теории активированного комплекса (переходного состояния). Мономолекулярные реакции. Механизм мономолекулярного распада.
43. Цепные реакции. Простые и сложные цепные реакции. Примеры цепных реакций. Уравнения описание цепного процесса. Метод квазистационарных концентраций (II).
Физика горения
44. Воспламенение. Особенности взрывных реакций. Стационарные и нестационарные теории теплового взрыва. Тепловой взрыв в динамических условиях. Самовоспламенение при адиабатическом сжатии. Вынужденное воспламенение (зажигание) - тепловая теория.
45. Гомогенное горение. Стационарное распространение пламени в предварительно перемешанных газах. Модель Зельдовича и Франк-Каменецкого для ламинарного распространения пламени. Понятия об элементарных моделях горения. Пламя в турбулентном потоке газа.
46. Нестационарное горение. Переход горения в детонацию. Нестационарное горение конденсированных систем.
47. Горение дисперсных систем. Диффузионное горение газового факела. Горение
одиночных жидкой, металлической, угольной частиц. Горение смесевых конденсированных систем.
6. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
ДИСЦИПЛИНЫ И НКР
1. Компьютерный класс (ауд. 222 УПК) с установленными там проектором и персональными ЭВМ для возможности иллюстрации практических приемов и методик по ходу
изложения теоретического материала (Core 2 Duo E7400 (2,8 GHz)/ 2 GB/ 9500 GT(512)/
320 GB в кол-ве 12 шт. с лицензионным ПО и ПО собственной разработки, защищенным
охранным документами).
2. Лабораторная база кафедры ДВС (104-126 УПК):
- лаборатория гидро- и термодинамики и теплопередачи с оборудованием (106А
УПК);
- лаборатория топливной аппаратуры со стендами MOTORPAL; MIRKÜZ, Hartridge,
оснащенными регистрирующей аппаратурой (126А УПК);
21
- лаборатория исследования динамики и структуры распыленных топливных струй с
регистрирующей фотоаппаратурой (104А УПК);
- лаборатория испытания двигателей с экспериментальным одноцилиндровым отсеком двигателя УК-8 с экспериментальной системой впрыска топлива «Common rail»
(АБИТ-АЗПИ) с возможностью исследования альтернативных топлив (110 УПК);
- лаборатория испытания двигателей с испытательным стендом дизеля воздушного
охлаждения Д-144 с экспериментальной системой выпуска (110 УПК);
- лаборатория испытания двигателей с испытательным стендом двигателя с газотурбинным наддувом Д-6 (108 УПК);
- лаборатория испытания двигателей с испытательным стендом автомобильного дизеля Камаз-740 (108 УПК);
- лаборатория испытания двигателей с испытательным стендом малолитражного
быстроходного дизеля ВАЗ-341 (108 УПК.
3. При необходимости для проведения экспериментальных работ в рамках НКР может быть использована лабораторная база кафедр АлтГТУ в учреждениях СО РАН:
- Институте теплофизики им. С.С Кутателадзе СО РАН;
- Институте химической кинетики и горения СО РАН.
7. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ
ОБЕСПЕЧЕНИЕ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
ЛИТЕРАТУРА
7.1. Основная литература
1. Коржавин, А.А. Основы теории горения: (учебное пособие) / А.А. Коржавин,
П.К. Сеначин; Алт. гос. техн. ун-т им. И. И. Ползунова, Ин-т хим. кинетики и горения им.
В.В. Воеводского СО РАН. - Барнаул: АлтГТУ, 2014. -282 с. - Режим доступа:
http://new.elib.altstu.ru/eum/download/dvs/Korjavin-otg.pdf .
2. Семенов, .А. Инженерный эксперимент в промышленной теплотехнике, теплоэнергетике и теплотехнологиях: [учебное пособие для вузов] / Б.А. Семенов. - СанктПетербург:
Лань,
2013.
394
с.
Режим доступа:
http://e.lanbook.com/books/element.php?pl1_cid=25&pl1_id=5107 .
3. Теплотехника: [учебник для инженерно-технических специальностей вузов] /
[А.П. Баскаков и др.]; под ред. А. П. Баскакова. - Москва: БАСТЕТ, 2010. - 324 с. (100
экз.).
4. Григорьев, В.А. Испытания авиационных двигателей: Учебник для вузов [Электронный ресурс] : учебник / В.А. Григорьев, С.П. Кузнецов, А.С. Гишваров [и др.]. - Электрон. дан. - М.: Машиностроение, 2009. – 504 с. - Режим доступа:
http://e.lanbook.com/view/book/740/ .
5. Загрутдинов, Р.Ш. Технологии газификации в плотном слое: монография / Р.Ш.
Загрутдинов, А.Н. Нагорнов, А.Ф. Рыжков, П.К. Сеначин и др.; под ред. П.К. Сеначина. Барнаул: ОАО «Алтайский дом печати», 2009. - 296 с. (2 экз.).
7.2. Дополнительная литература
6. Теория тепломассообмена / Под ред. А.И. Леонтьева. – М.: Высшая школа, 1979.
(13 экз.); (доп. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 1997.).
7. Кириллин, В.А. Техническая термодинамика: [учеб. для теплоэнергет. специальностей вузов] / В.А. Кириллин, В.В. Сычев, А.Е. Шейндлин. Издание 4-е. – М.: Энергоатомиздат, 1983. – 416 с. (44 экз.).
8. Исаченко, В.П. Теплопередача: [учеб. для теплоэнергет. специальностей втузов] /
В.П. Исаченко, В.А. Осипова, А.С. Сукомел. - М.: Энергоиздат, 1981. - 417 с. (27 экз.).
9. Лойцянский, Л.Г. Механика жидкости и газа.- М: Наука, 1987. (3 экз.; 1978 – 1
экз.; 2003 – 1 экз.).
22
10. Померанцев, В.В. Основы практической теории горения / В.В. Померанцев,
К.М. Арефьев, Д.Б. Ахмедов и др. – Л. : Энергоатомиздат, 1986. - 309 с. – (15 экз.).
11. Лушпа, А.И. Основы химической термодинамики и кинетики химических реакций: [учеб. пособие для вузов] /А. И. Лушпа. - М.: Машиностроение, 1981. - 240 с.
(20 экз.).
12. Байрамов, В.М. Основы химической кинетики и катализа: учеб. пособие для
хим. фак. / В.М. Байрамов; под ред. В.В. Лунина. - М.: Академия, 2003. - 253 с. (33 экз.).
13. Ландау Л.Д. Т. 6: Гидродинамика. – 1986 – 736 с. Теоретическая физика: [учеб.
пособие для физ. специальностей ун-тов] / Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. - Москва: Наука,
1973. (6 экз.).
14. Седов Л.И. Методы подобия и размерности в механике: [монография] / Л.И.
Седов. - М.: Наука, 1987. - 430 с. (3 экз.; 1957 – 2 экз.).
15. Абдуллин, Р.Х. Внутренний взрыв газа в вентилируемых системах: монография. /
Р.Х. Абдуллин, В.С. Бабкин, П.К. Сеначин; под ред. П.К. Сеначина. - Барнаул: ОАО «Алтайский дом печати», 2006.- 104 с. (3 экз.).
23