Программа вступительного экзамена 01 04 14

ПРОГРАММА
вступительного экзамена в аспирантуру по специальности
01.04.14 Теплофизика и теоретическая теплотехника
2
Перечень дисциплин, вопросы которых включены в программу
1. Механика жидкости и газа
2. Термодинамика
3. Теплопередача
Содержание программы
Тема 1. Основные физические свойства жидкостей и газов
Плотность и вязкость жидкостей и газов, их зависимость от различных параметров.
Закон вязкого трения Ньютона. Динамический и кинематический коэффициенты вязкости.
Свободная поверхность жидкости и ее особенности. Поверхностное натяжение.
Капиллярный скачок давления. Формула Лапласа. Капиллярное поднятие жидкости.
Режимы течения жидкостей. Ламинарный и турбулентный режимы. Критические
значения скорости. Число Рейнольдса и его критические значения.
Тема 2. Статика жидкостей
Основные задачи статики. Классификация сил, действующих в жидкости.
Напряжения массовых и поверхностных сил. Силы давления. Напряжение сил давления
(давление).
Равновесие жидкости в отсутствии массовых сил. Закон Паскаля. Равновесие
жидкости в присутствии массовых сил. Уравнение Эйлера для покоящейся жидкости основное дифференциальное уравнение гидростатики.
Распределение давления в жидкостях и газах в поле силы тяжести. Распределение
давления в тяжелой несжимаемой жидкости. Основная формула гидростатики.
Распределение давления в тяжелом сжимаемом газе.
Силы, действующие на криволинейную поверхность и на тела, погруженные в
тяжелую несжимаемую жидкость. Закон Архимеда. Определение составляющих сил,
действующих на тела в тяжелой несжимаемой жидкости.
Плавание тел и его устойчивость.
Тема 3. Основы кинематики
Основные принципы описания потоков жидкостей и газов. Поля давления,
температуры и плотности. Поле скоростей. Линии и трубки тока. Объемный и массовый
расходы жидкости. Связь между расходом и средней скоростью течения жидкости.
Основные теоремы кинематики.
Тема 4. Законы сохранения в гидрогазодинамике
Закон
сохранения массы. Уравнение неразрывности
(сплошности) в
дифференциальной форме.
Закон сохранения импульса. Уравнения движения идеальной жидкости. Уравнения
движения вязкой несжимаемой жидкости.
Тема 5. Одномерные течения жидкостей и газов
Понятие об одномерных течениях. Уравнение неразрывности для одномерных
течений. Изменение скорости потока при изменении его площади сечения.
Закон сохранения энергии для одномерных течений. Общий вид уравнения
Бернулли. Уравнение Бернулли для несжимаемой жидкости.
3
Закон сохранения импульса. Уравнение движения для одномерных течений. Закон
сохранения момента импульса.
Уравнение Бернулли для вязкой несжимаемой жидкости. Потери энергии и потери
давления. Общие формулы для определения потерь давления в трубах и на местных
сопротивлениях. Коэффициенты трения в трубах и местных сопротивлений.
Потери давления при течении жидкости в трубах. Законы сопротивления при
ламинарном и турбулентном течениях в трубах. Потери давления на местных
сопротивлениях.
Диффузоры и конфузоры. Изменение параметров потока несжимаемой жидкости
(скорости и давления) при течении в диффузорах и конфузорах.
Истечение несжимаемой жидкости через отверстие в баке. Формула Торичелли.
Коэффициенты скорости и расхода. Насадки.
Основные задачи и методы расчета трубопроводных систем. Расчет потерь давления
при последовательном соединении простых трубопроводов. Расчет потерь давления при
параллельном соединении простых трубопроводов. Расчет потерь давления в
разветвленном трубопроводе.
Тема 6. Одномерные течения сжимаемого газа
Распространение малых возмущений (звука) в жидкостях и газах. Скорость звука.
Число Маха. Гидравлический удар.
Уравнение Бернулли для изотермического течения идеального газа. Уравнение
Бернулли для адиабатного течения идеального газа.
Одномерные адиабатные течения идеального газа. Основные уравнения. Связь
между параметрами газа в потоке с параметрами заторможенного газа. Истечение газа
через отверстие в баке. Формула Сен-Венана-Вентцеля. Критические значения параметров
газа и их связь с параметрами заторможенного газа. Явление запирания потока при
истечении газа через отверстие в баке.
Движение газа в трубе переменного сечения. Уравнение Гюгонио. Условия перехода
значений скорости газа через скорость звука. Изменение скорости газа при движении в
диффузорах и конфузорах. Сопло Лаваля и режимы его работы.
Тема 7. Течение жидкостей у твердых поверхностей
Обтекание тел потоком жидкости и газа. Пограничный слой. Отрыв пограничного
слоя.
Силы, действующие на тела, обтекаемые потоком жидкости и газа. Коэффициенты
лобового сопротивления и подъемной силы. Формула Стокса. Механизм формирования
подъемной силы. Качество крыла.
Пограничный слой при течении жидкости в трубах. Характер течения жидкостей на
начальном участке и при стабилизированном течении жидкостей в круглых трубах
(течение Пуазейля). Профиль скорости. Расход. Потери давления.
Тема 8. Основные понятия и определения термодинамики
Термодинамическая система и окружающая среда. Параметры состояния.
Равновесные и неравновесные состояния. Термодинамический процесс. Уравнение
состояния.
Смеси идеальных газов. Закон Дальтона. Парциальные давления.
Тема 9. Первый закон термодинамики
Принцип эквивалентности теплоты и работы. Внутренняя энергия. Формулировки
первого закона термодинамики. Аналитическое выражение первого закона
термодинамики. Работа изменения объема. Энтальпия. Первый закон термодинамики для
4
круговых (циклических) процессов. Теплоемкость. Массовая, объемная и мольная
теплоемкости.
Тема 10. Термодинамические процессы в идеальном газе
Основные термодинамические процессы (изохорный, изобарный, изотермический,
адиабатный). Изоэнтропный процесс. Классификация процессов изменения состояния.
Политропный процесс. Уравнение политропы. Графическое изображение процессов.
Сравнительный анализ политропных процессов.
Тема 11. Второй закон термодинамики
Энтропия. Формулировки второго закона термодинамики. Обратимые и
необратимые процессы. Термодинамические циклы. Прямой цикл Карно и его
термический к.п.д. Обратные цикл Карно и его холодильный коэффициент. Теорема
Карно и к.п.д. произвольного обратимого цикла.
Обобщенный
цикл
Карно.
Термодинамические
процессы
и
циклы.
Термодинамическая шкала температур. Изменение энтропии в необратимых процессах.
Аналитическое выражение второго закона термодинамики.
Тема 12. Термодинамика реального газа
Сухой насыщенный пар. Влажный пар. Перегретый пар. Перегретая жидкость и
переохлажденный пар. Вода и водяной пар. Термические и калорические свойства
реальных газов. Диаграммы h-р, h-Т, h-s реальных газов. Уравнение Ван-дер-Ваальса.
Эмпирические уравнения состояния. Т-s и h-s диаграммы водяного пара.
Тема 13. Термодинамика потока газа
Понятие о сопловом и диффузорном течении газа. Адиабатное истечение газов и
паров из суживающихся сопл. Коэффициенты скорости и расходы. Условия перехода
через скорость звука. Сопло Лаваля. Методика термодинамического расчета различных
типов сопл при истечении газа и перегретого пара. Особенности истечения сухого
насыщенного и влажного пара. Параметры торможения.
Процессы адиабатного и изотермического дросселирования. Эффект ДжоуляТомсона. Температурные эффекты адиабатного дросселирования реальных газов.
Поршневой
компрессор,
термодинамические
процессы
в
компрессоре.
Изотермическое, адиабатное и политропное сжатие. Индикаторная диаграмма. Расчет
мощности привода компрессора. Многоступенчатое сжатие в компрессоре.
Тема 14. Влажный воздух
Влажный воздух насыщенный и ненасыщенный. Температура точки росы.
Абсолютная и относительная влажность. Влагосодержание, энтальпия и энтропия
влажного воздуха. Плотность влажного воздуха. h-d - и h-s- диаграммы влажного воздуха.
Термодинамические процессы в h-d - диаграмме (нагрев, охлаждение, смешение,
испарение). Процесс кондиционирования воздуха.
Тема 15. Термодинамические циклы теплосиловых установок
Цикл газотурбинных установок. Регенерация в газотурбинных установках.
Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания. Термический к.п.д. циклов.
Мощность и удельные расходы топлива.
Цикл паротурбинной установки. Абсолютный внутренний к.п.д., относительный
внутренний к.п.д. турбины.
Трансформаторы тепла. Цикл газовых холодильных установок. Цикл
парокомпрессионных холодильных установок. Цикл пароэжекторной
холодильной
5
установки. Цикл абсорбционной холодильной установки. Цикл термоэлектрической
холодильной установки. Цикл теплонасосной установки.
Тема 16. Теплопроводность
Основные положения учения о теплопроводности. Закон Фурье. Коэффициент
теплопроводности. Дифференциальное уравнение теплопроводности для однородных
изотропных тел. Условия однозначности для процессов теплопроводности. Коэффициент
температуропроводности.
Теплопроводность при стационарном тепловом режиме. Передача теплоты через
однослойную и многослойную плоские стенки при граничных условиях I и III рода.
Коэффициент теплопередачи. Передача теплоты через цилиндрическую стенку при
граничных условиях I и III рода. Линейный коэффициент теплопередачи. Критический
диаметр изоляции. Передача теплоты через шаровую стенку. Теплопередача через
плоскую ребристую стенку. Способы интенсификации процессов теплопередачи.
Нестационарный
процесс
теплопроводности.
Методы
решения
задач
нестационарной теплопроводности. Охлаждение (нагревание) неограниченной пластины,
бесконечно длинного цилиндра и шара; решение задач нестационарной теплопроводности
при граничных условиях I, II и III рода; уравнения температурного поля и количества
передаваемого тепла; анализ этих уравнений. Нестационарный процесс теплопроводности
в телах конечных размеров: параллелепипеде и цилиндре конечной длины. Регулярный
тепловой режим охлаждения (нагревания) тел. Основы расчета задач теплопроводности на
ЭВМ.
Тема 17. Конвективный теплообмен
Физическая сущность конвективного теплообмена. Уравнение Ньютона-Рихмана.
Система дифференциальных уравнений конвективного теплообмена. Условия
однозначности для решения дифференциальных уравнений конвективного теплообмена:
физические, геометрические, граничные, начальные (временные). Понятие о сопряженном
(совместном) решении задач конвективного теплообмена и теплопроводности. Основные
положения теории пограничного слоя. Местный и средний коэффициент теплоотдачи.
Основы теории подобия и моделирования. Условия подобия физических явлений.
Теоремы подобия. Числа подобия и их физический смысл. Уравнения подобия.
Определяющие параметры. Метод моделирования. Анализ размерностей. Аналогичные и
подобные процессы. Понятие о математическом моделировании.
Теплоотдача при вынужденном движении жидкости. Теплообмен при движении
жидкости вдоль плоской поверхности. Теплоотдача при вынужденном течении жидкости
в трубах. Теплоотдача при вынужденном поперечном смывании одиночной трубы и пучка
труб.
Теплоотдача при свободном движении жидкости. Теплоотдача при свободном
движении жидкости в неограниченном объеме; ламинарная и турбулентная конвекция у
вертикальных поверхностей. Естественная конвекция у горизонтальных труб.
Теплоотдача при свободном движении жидкости в ограниченном объеме.
Двухфазные потоки, их характеристики. Адиабатные двухфазные потоки.
Особенности теплообмена в двухфазных потоках при изменении агрегатного состояния
вещества.
Теплообмен при конденсации чистого пара. Пленочная и капельная конденсации.
Теплообмен при конденсации. Теплоотдача при конденсации чистых паров. Решение
Нуссельта. Расчетные уравнения коэффициента теплоотдачи для вертикальных и
горизонтальных труб. Расчет теплоотдачи при конденсации пара на горизонтальных
пучках труб.
6
Теплообмен при кипении однокомпонентных жидкостей Классификация процессов
кипения. Теплообмен при кипении; механизм процесса теплообмена при пузырьковом и
пленочном режимах кипения. Кризисы кипения. Теплоотдача при пузырьковом и
пленочном кипении жидкости в большом объеме. Особенности кипения в каналах.
Тема 18. Конвективный тепло- и массообмен
Основные положения теории массообмена. Концентрационная диффузия, термо- и
бародиффузия.
Конвективная
диффузия.
Дифференциальные
уравнения
тепломассообмена и граничные условия Коэффициент массоотдачи. Диффузионные числа
подобия. Аналогия процессов тепло- и массообмена. Критериальные уравнения
массообмена.
Тема 19. Теплообмен излучением
Законы теплового излучения. Теплообмен излучением между телами, разделенными
прозрачной средой. Теплообмен излучением между произвольно расположенными в
пространстве телами. Сложный или комбинированный теплообмен: радиационнокондуктивный и радиационно-конвективный.
Тема 20. Основы расчета теплообменных аппаратов
Назначение, классификация, схемы теплообменных аппаратов. Основы теплового
расчета теплообменных аппаратов. Уравнение теплового баланса и уравнение
теплопередачи. Система уравнений для расчета теплообменного аппарата. Основы
гидродинамического расчета теплообменных аппаратов. Применение ЭВМ для решения
задач расчета, моделирования и оптимизации процессов теплообмена в теплообменных
аппаратах.
Литература
1. Емцев Б. Т. Техническая гидромеханика. – М.: Машиностроение, 1987.
2. Повх И. Л. Техническая гидромеханика. – Л.: Машиностроение, 1976.
3. Дейч М. Е., Зарянкин А. Е. Гидрогазодинамика. – М.: Энергоатомиздат, 1984.
4. Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика. Учебник. – 4е изд., перераб. – М.: Энергоатомиздат, 1983. – 416 с.
5. Крутов В.И., Исаев С.И., Кожинов И.А. и др.; Под ред. В.И. Крутова техническая
термодинамика. Учебник. – 3-е изд.. перераб. и доп. М.: Высш. шк., 1991. – 384 с.
6. Вукалович М.П., Новиков И.И. Термодинамика: Учебное пособие.- М.:
Машиностроение, 1972.-672 с.
7. Кудимов В.А., Карташев Э.М. Техническая термодинамика. – М.: Высшая школа, 2000.
8. Исаченко В.В., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. – М.: Энергия, 1981. – 417
с.
9. Галин Н.М., Кириллов Л.П. Тепломассообмен (в ядерной энергетике). – М.:
Энергоатомиздат,1987 – 376 с.
10. Кошкин В.К. и др. Теплообменные аппараты и теплоносители. Теория и расчет. – М.:
Машиностроение, 1971 –200 с.
11. Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление: Справочное
пособие. – М.: Энергоатомиздат, 1990 – 367 с.