Основы механики сплошных сред

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
СТЕРЛИТАМАКСКИЙ ФИЛИАЛ
ФЕДЕРАЛЬНОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО БЮДЖЕТНОГО
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО УЧРЕЖДЕНИЯ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«Башкирский государственный университет»
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
ОБЯЗАТЕЛЬНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ (ОД.А.03.1)
Основы механики сплошных сред
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
Содержание лекционных занятий ................................................................................5
5.2
Практические занятия ...................................................................................................5
5.3
Самостоятельная работа аспиранта .............................................................................6
6. Перечень контрольных мероприятий и вопросы к экзаменам кандидатского минимума .6
7. Образовательные технологии ...................................................................................................9
8. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины .................................9
8.1 Основная литература: ..........................................................................................................9
8.2 Дополнительная литература .............................................................................................10
8.3 Программное обеспечение и Интернет-ресурсы ............................................................10
9. Материально-техническое обеспечение ................................................................................11
2
1. Общие положения
Настоящая Рабочая программа обязательной дисциплины основы механики
1.1
сплошных сред - 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 основы механики сплошных сред является
углубление
знаний
по
теоретическим
проблемам,
возникающих
при
движении
газообразных, жидких и твердых деформируемых твердых тел.
Задачи дисциплины заключаются в изучении:
3.

Основных законов механики сплошных сред

Методов используемых в механике сплошных сред

Основных моделей механики сплошной среды
Результаты освоения дисциплины
Аспирант или соискатель должен:
- знать:
 способы описания движения сплошной среды;
 основные характеристики напряженно-деформируемого состояния сплошной
среды;
3
 интегральную и дифференциальную формы законов сохранения, законы
термодинамики, соотношения на разрывах, определяющие соотношения для
пористых сред.
- уметь:
 правильно выбрать определяющие соотношения, соответствующие сути
рассматриваемого натурного явления, понимать степень необходимости
использования законов термодинамики для сплошной среды;
 для простых сред представлять себе условия, которым должны удовлетворять
разрывные поля деформационных и динамических характеристик, существование
которых не противоречит гипотезе сплошности;
 строить полные системы уравнений, описывающих поведение конкретной среды,
ставить для них краевые и начальные условия, выбирать метод решения
поставленной задачи;
 моделировать и решать задачи механики сплошных сред, в том числе с
использованием современной вычислительной техники;
 выдвигать гипотезы и предлагать пути их проверки; делать выводы на основе
экспериментальных данных, представленных в виде графика, таблицы или
диаграммы;
 определять возможности применения теоретических положений и методов
механики сплошной среды для постановки и решения конкретных прикладных
задач;
 представлять математическую модель изучаемого явления или процесса на одном
из языков программирования с целью получения численного решения
поставленной задачи;
 анализировать воздействие техники и технологии на окружающую среду и
человека.
- демонстрировать:
способность и заинтересованность использования в практической деятельности знаний
закономерностей механики сплошной среды, самостоятельно изучать и понимать
специальную
(отраслевую)
научную
и
методическую
литературу,
связанную
с
проблемами механики сплошной среды.
4
4. Структура и содержание дисциплины (модуля) Основы механики сплошных сред
Общая трудоемкость дисциплины составляет 1 зачетную единицу 36 часов.
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
0.5/18
0.5/18
1/36
Составляющая
экзамена
кандидатского
минимума
*) Одна зачётная единица соответствует 36 академическим часам продолжительностью 45
минут.
5. Содержание дисциплины
5.1
Содержание лекционных занятий
№
Содержание
п/п
1 Анализ напряженного состояния
2 Кинематика деформируемой среды
3
4
5
6
7
8
9
№
Динамические понятия и динамические уравнения
механики сплошной среды
Основные понятия и уравнения термодинамики
Постановка задач в механике сплошной среды
Гидромеханика
Элементы теории пластичности и реология
Введение в теорию упругих волн
Основы теории фильтрации
Всего:
5.2
Практические занятия
Содержание
Кол-во
уч.часов
2
2
2
2
2
2
2
2
2
18
Кол-во
5
п/п
1
2
...
уч.часов
Всего:
5.3
Самостоятельная работа аспиранта
№
Виды самостоятельной работы
п/п
1 Анализ напряженного состояния
2 Кинематика деформируемой среды
3
4
5
6
7
8
9
Динамические понятия и динамические уравнения
механики сплошной среды
Основные понятия и уравнения термодинамики
Постановка задач в механике сплошной среды
Гидромеханика
Элементы теории пластичности и реология
Введение в теорию упругих волн
Основы теории фильтрации
Всего:
Кол-во
уч.часов
2
2
2
2
2
2
2
2
2
18
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. Понятие сплошной среды. Микроскопические, статистические и макроскопические
феноменологические методы описания свойств, взаимодействий и движений
материальных сред.
2. Области приложения механики жидкости, газа и плазмы. Механические модели,
теоретическая схематизация и постановка задач, экспериментальные методы
исследований.
3. Основные исторические этапы в развитии механики жидкости и газа.
6
4. Системы отсчета и системы координат. Лагранжевы и эйлеровы координаты.
Инерциальные и неинерциальные системы отсчета в ньютоновской механике.
5. Точки зрения Эйлера и Лагранжа при изучении движения сплошных сред.
6. Определения и свойства кинематических характеристик движения: перемещения,
траектории, скорость, линии тока, критические точки, ускорение, тензор скоростей
деформации и его инварианты, вектор вихря, потенциал скорости, циркуляция
скорости, установившееся и неустановившееся движение среды.
7. Кинематические свойства вихрей.
8. Закон сохранения массы. Уравнение неразрывности в переменных Эйлера и
Лагранжа. Условие несжимаемости. Многокомпонентные смеси. Потоки
диффузии. Уравнения неразрывности в форме Эйлера для многокомпонентных
смесей.
9. Массовые и поверхностные, внутренние и внешние силы. Законы сохранения
количества движения и моментов количества движения для конечных масс
сплошной среды. Дифференциальные уравнения движения и момента количества
движения сплошной среды.
10. Работа внутренних поверхностных сил. Кинетическая энергия и уравнение живых
сил для сплошной среды в интегральной и дифференциальной формах.
11. Понятие о параметрах состояния, пространстве состояний, процессах и циклах.
Закон сохранения энергии, внутренняя энергия. Уравнение притока тепла. Вектор
потока тепла. Дифференциальные уравнения энергии и притока тепла. Законы
теплопроводности Фурье. Различные частные процессы: адиабатический,
изотермический и др.
12. Обратимые и необратимые процессы. Совершенный газ. Цикл Карно. Второй закон
термодинамики. Энтропия и абсолютная температура. Некомпенсированное тепло
и производство энтропии. Неравенство диссипации, тождество Гиббса.
Диссипативная функция. Основные макроскопические механизмы диссипации.
Понятие о принципе Онзагера. Уравнения состояния. Термодинамические
потенциалы двухпараметрических сред.
13. Модель идеальной жидкости. Уравнения Эйлера. Полные системы уравнений для
идеальной, несжимаемой и сжимаемой жидкостей. Начальные и граничные
условия.
14. Интегралы Бернулли и Коши—Лагранжа. Явление кавитации.
15. Теорема Томсона и динамические теоремы о вихрях . Возникновение вихрей.
Теорема Бьеркнеса.
16. Модель вязкой жидкости. Линейно-вязкая (ньютоновская) жидкость. Уравнения
Навье-Стокса. Полные системы уравнений для вязкой несжимаемой и сжимаемой
жидкостей. Начальные и граничные условия. Диссипация энергии в вязкой
теплопроводной жидкости.
17. Применение интегральных соотношений к конечным объемам среды при
установившемся движении. Теория реактивной тяги и теория идеального
пропеллера.
18. Поверхности слабых и сильных разрывов. Разрывы сплошности.
19. Условия на поверхностях сильного разрыва в материальных средах и в
электромагнитном поле. Тангенциальные разрывы и ударные волны.
20. Равновесие жидкости и газа в поле потенциальных массовых сил. Закон Архимеда.
Равновесие и устойчивость плавающих тел и атмосферы.
21. Общая теория непрерывных потенциальных движений несжимаемой жидкости.
Свойства гармонических функций. Многозначностъ потенциала в многосвязных
областях. Кинематическая задача о произвольном движении твердого тела в
неограниченном объеме идеальной несжимаемой жидкости. Энергия, количество
7
движения и момент количества движения жидкости при движении в ней твердого
тела. Движение сферы в идеальной жидкости.
22. Силы воздействия идеальной жидкости на тело, движущееся в безграничной массе
жидкости. Основы теории присоединенных масс. Парадокс Даламбера.
23. Плоские движения идеальной жидкости. Функция тока. Применение методов
теории аналитических функций комплексного переменного для решения плоских
задач гидродинамики и аэродинамики. Стационарное обтекание жидкостью
цилиндра и профиля. Формулы Чаплыгина и теорема Жуковского. Правило
Жуковского и Чаплыгина определения циркуляции вокруг крыльев с острой задней
кромкой. Нестационарное обтекание профилей.
24. Плоские задачи о струйных течениях жидкости. Обтекание тел с отрывом струй.
Схемы Кирхгофа, Эфроса и др.
25. Определение поля скоростей по заданным вихрям и источникам. Формулы БиоСавара. Прямолинейный и кольцевой вихри. Законы распределения давлений,
силы, обусловливающие вынужденное движение прямолинейных вихрей в плоском
потоке.
26. Постановка задачи и основные результаты теории крыла конечного размаха.
Несущая линия и несущая поверхность.
27. Постановка задачи Коши—Пуассона о волнах на поверхности тяжелой
несжимаемой жидкости. Гармонические волны. Фазовая и групповая скорость.
Дисперсия волн. Перенос энергии прогрессивными волнами. Теория мелкой воды.
Уравнения Буссинеска и Кортевега-де-Вриза. Нелинейные волны. Солитон.
28. Ламинарное движение несжимаемой вязкой жидкости. Течения Куэтта и Пуазейля.
Течение вязкой жидкости в диффузоре. Диффузия вихря.
29. Приближения Стокса и Озеена. Задача о движении сферы в вязкой жидкости в
постановке Стокса.
30. Ламинарный пограничный слой. Задача Блазиуса. Интегральные соотношения и
основанные на их использовании приближенные методы в теории ламинарного
пограничного слоя. Явление отрыва пограничного слоя. Устойчивость
пограничного слоя. Теплообмен с потоком на основе теории пограничного слоя.
31. Турбулентность. Опыт Рейнольдса. Уравнения Рейнольдса. Турбулентный перенос
тепла и вещества. Полуэмпирические теории турбулентности. Профиль скорости в
пограничном слое. Логарифмический закон. Прямое численное решение уравнений
гидромеханики при наличии турбулентности.
32. Свободная и вынужденная конвекция. Приближение Буссинеска. Линейная
неустойчивость подогреваемого плоского слоя и порог возникновения конвекции.
Понятие о странном аттракторе.
33. Движение жидкости и газа в пористой среде. Закон Дарси. Система
дифференциальных уравнений подземной гидрогазодинамики. Неустановившаяся
фильтрация газа. Примеры точных автомодельных решений.
34. Распространение малых возмущений в сжимаемой жидкости. Волновое уравнение.
Скорость звука.
35. Запаздывающие потенциалы. Эффект Допплера. Конус Маха. Уравнения газовой
динамики. Характеристики.
36. Влияние сжимаемости на форму трубок тока при установившемся движении.
Элементарная теория сопла Лаваля.
37. Одномерные неустановившиеся движения газов с плоскими, цилиндрическими и
сферическими волнами. Автомодельные движения и классы соответствующих
задач. Задачи о поршне и о сильном взрыве в газе.
38. Волны Римана. Эффект опрокидывания волн. Адиабата Гюгонио. Теорема
Цемплена. Эволюционные и неэволюционные разрывы.
39. Теория волн детонации и горения. Правило Жуге и его обоснование.
8
40. Задача о структуре сильного разрыва.
41. Качественное описание решения задачи о распаде произвольного разрыва.
42. Плоские стационарные сверхзвуковые течения газа. Метод характеристик. Течение
Прандтля—Майера. Косой скачок уплотнения. Обтекание сверхзвуковым потоком
газа клина и конуса. Понятие об обтекании тел газом с отошедшей ударной волной.
43. Линейная теория обтекания тонких профилей и тел вращения.
44. Течения с гиперзвуковыми скоростями. Закон сопротивления Ньютона.
45. Электромагнитное поле. Уравнения Максвелла в пустоте. Взаимодействие
электромагнитного поля с проводниками. Сила Лоренца. Закон сохранения
полного заряда. Закон Ома. Среды с идеальной проводимостью. Вектор и
уравнение Умова—Пойнтинга. Джоулево тепло. Уравнения импульса и притока
тепла для проводящей среды.
46. Уравнения магнитной гидродинамики. Условия вмороженности магнитного поля в
среду. Понятие о поляризации и намагничивании жидкостей.
47. Система определяющих параметров для выделенного класса явлений. Основные и
производные единицы измерения. Формула размерностей. П-теорема. Примеры
приложений. Определение физического подобия. Моделирование. Критерии
подобия. Числа Эйлера, Маха, Фруда, Рейнольдса, Струхала, Прандтля.
48. Основные уравнения динамики многофазных сред.
49. Принципы осреднения в механике многофазных сред.
50. Динамика волн в пузырьковых жидкостях
51. Теория линейных волн в пористых средах
52. Основные уравнения теории горения и взрыва
7. Образовательные технологии
В процессе обучения применяются следующие образовательные технологии:
1. Сопровождение лекций показом визуального материала.
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 жидкости и газа, научные журналы и труды
конференций.
8.1 Основная литература:
№ Наименование учебной
п/п
литературы
Автор, место издания,
издательство год
Количество
экземпляров в
библиотеке
СГПА им.
Зайнаб
Биишевой
Число
обучающихся,
воспитанников,
одновременно
изучающих
дисциплину
9
1
1
2
3
4
5
6
7
8
2
Движение природ-ных
жидкостей и га-зов в
пористой сре-де.
Механика
сплошной
среды. Т.1
Механика
сплошной
среды. Т.2
Тепло- и массо-обмен в
погранич-ных слоях.
3
Л.С. Лейбензон М.
1947г. (ксерокопия)
4
1
5
7
Седов Л.И. СПб, 2004г.
14
7
Седов Л.И. СПб, 2004г.
14
7
1
7
1
7
1
7
5
7
30
7
Количество
экземпляров в
библиотеке
СГПА им.
Зайнаб
Биишевой
4
2
Число
обучающихся,
воспитанников,
одновременно
изучающих
дисциплину
5
7
2
7
2
2
7
7
2
7
Количество
экземпляров в
библиотеке
СГПА им.
Зайнаб
Биишевой
4
Число
обучающихся,
воспитанников,
одновременно
изучающих
дисциплину
5
10
C. Патанкар, Д.
Сполдинг «Энергия»
М.1971г.(ксерокопия)
Механика жидкости и
Лойцянский Л.Г. М.,
газа.
2003г.7-изд.
Основы
механики Петкевич, В.В. издасплошных сред.
тельство:
Эдиториал
УРСС, 2001 г.
Прикладная
Сурин, В.М. Издат.:
механика.
Минск, Новое знание
, 2008г.
Механика сплошных Черняк, В.Г. 2010 Изд.:
сред.
Физматлит; Год: 2006;
8.2 Дополнительная литература
№
п/п
Наименование учебной
литературы
Автор, место издания,
издательство год
1
1
2
Теоретическая
гидромеханика, часть 1
Теоретическая
гидромеханика, часть 2
Гидродинамика
Вычислительная
гидродинамика
Проблемы
гидродинамики и их магнитные
модели
3
Кочин Н.Е., Кибель
И.А., Розе Н.В.
Кочин Н.Е., Кибель
И.А., Розе Н.В.
Ламб Г.
П.Роуч.
2
3
4
5
Лаврентьев М.А.,
Шабат Б.В.
8.3 Программное обеспечение и Интернет-ресурсы
№
п/п
Наименование учебной
литературы
Автор, место издания,
издательство год
1
2
3
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
Альбом течений
кости и газа
Вычислительная
гидродинамика
Гидродинамика
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
1
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
1
1
Название дисциплины
2
Основы механики
сплошных сред
Наименование оборудованных
учебных кабинетов, объектов для
проведения практических занятий
с перечнем основного
оборудования
3
Научно-исследовательская
лаборатория «Физико-химическая
механика гетерогенных систем»
Фактический адрес
учебных кабинетов и
объектов
4
453103, г.
Стерлитамак, пр.
Ленина 37, 316
11