МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)
ИНСТИТУТ ЭНЕРГОМАШИНОСТРОЕНИЯ И МЕХАНИКИ (ЭнМИ) ___________________________________________________________________________________________________________
Направление подготовки: 221000 Мехатроника и робототехника
Профиль подготовки: Компьютерные технологии управления в робототехнике и мехатронике Квалификация (степень) выпускника: бакалавр
Форма обучения: очная
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
"МЕХАНИКА ЖИДКОСТИ И ГАЗА"
Цикл: | профессиональный | |
Часть цикла: | Вариативная | |
№ дисциплины по учебному плану: | ЭнМИ; Б3.14 | ЭнМИ; Б3.14 |
Часов (всего) по учебному плану: | 108 | |
Трудоемкость в зачетных единицах: | 3 |
|
Лекции | 36 час | 4 семестр |
Практические занятия | 0 час | Не предусмотрено |
Лабораторные работы | 18 час | 4 семестр |
Расчетные задания, рефераты | 16 час самостоят. работы | 4 семестр |
Объем самостоятельной работы по учебному плану (всего) | 54 час | 4 семестр |
Экзамен | 36 час | 4 семестр |
Курсовые проекты (работы) | 0 з. е. (0 час) | Не предусмотрено |
Москва - 2010
1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
Целью дисциплины является изучение основных физических свойств жидкостей и газов, общих законов и уравнений статики, кинематики и динамики жидкостей и газов; особенностей физического и математического моделирования одномерных, двухмерных и трехмерных течений; течений несжимаемых и сжимаемых потоков идеальной и реальной жидкостей для использования в профессиональной деятельности.
По завершению освоения данной дисциплины студент способен и готов:
· Владеть культурой мышления, обобщать, анализировать, воспринимать информацию, ставить цели и выбирать пути ее достижения (ОК-1)
· Использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования (ОК-9);
· Разрабатывать математические модели составных частей объектов профессиональной деятельности, применять необходимые для построения моделей знания принципов действия и математического описания составных частей электрогидравлических систем, определять характеристики объектов профессиональной деятельности по разработанным моделям (ПК-1);
· Применять контрольно-измерительную аппаратуру для определения характеристик и параметров макетов (ПК-2).
Задачами дисциплины являются:
· познакомить обучающихся теоретическими и экспериментальными исследованиями в области механики жидкости и газов в целях изыскания принципов и путей совершенствования существующих объектов профессиональной деятельности, обоснования их технических характеристик, определения условий применения;
· дать информацию о составлении уравнений расчета в дифференциальной и интегральной форме и записи граничных условий для задач динамики жидкости.
2. МЕСТО ДИСЦИПЛИНЫ В СТРУКТУРЕ ООП ВПО
Дисциплина относится к вариативной части по выбору профессионального цикла Б.3 основной образовательной программы подготовки бакалавров по профилю " Компьютерные технологии управления в робототехнике и мехатронике" направления 221000 Мехатроника и робототехника.
Дисциплина базируется на следующих дисциплинах: "высшая математика", "физика", "информатика".
Знания, полученные по освоению дисциплины, необходимы при выполнении бакалаврской выпускной квалификационной работы по направлению «Мехатроника и робототехника» и изучении дисциплин "Термодинамика и тепломассообмен", а также программы магистерской подготовки по направлению «Мехатроника и робототехника».
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
В результате освоения учебной дисциплины обучающиеся должны демонстрировать следующие результаты образования:
Знать:
· основы машиностроительной гидравлики для изучения гидравлических приводов и их элементов, рабочие жидкости и их основные свойства и характеристики; основные законы гидрогазодинамики;
· особенности физического и математического моделирования одномерных и трех мерных, дозвуковых и сверхзвуковых, ламинарных и турбулентных течений идеальной и реальной несжимаемой и сжимаемой жидкостей.
· Уметь:
· использовать математические методы в расчетах гидравлических систем;
· проводить гидравлический расчет трубопроводов;
· анализировать результаты решения конкретных задач с целью построения более совершенных моделей.
Владеть:
· методиками проведения типовых гидродинамических расчетов гидромеханического оборудования и трубопроводов;
· основными методами измерений, обработки результатов и оценки погрешностей измерений в объеме, достаточном для практического участия в их освоении;
· методами поиска и обработки информации как вручную, так и с применением современных информационных технологий.
4. СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
4.1. Структура дисциплины
Общая трудоемкость дисциплины составляет 3 зачетных единицы, 108 часов.
№ п./п. | Раздел дисциплины. Форма промежуточной аттестации | Всего часов на раздел | Семестр | Виды учебной работы, включая самостоятельную работу студентов и | Формы текущего контроля успеваемости (по разделам) | |||
Лк | пр | лаб | сам. | |||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
1 | Основные понятия и уравнения сохранения | 8 | 4 | 4 | - | 4 | Контрольный опрос на знание основных понятий | |
2 | Одномерные течения | 30 | 4 | 10 | - | 4 | 16 | Типовой расчет |
3 | Плоские течения несжимаемой жидкости | 12 | 4 | 8 | - | 4 | Контрольный опрос | |
4 | Течение вязкой жидкости | 8 | 4 | 8 | - | - | Контрольный опрос | |
5 | Сверхзвуковые течения | 8 | 4 | 4 | - | 4 | Контрольный опрос | |
6 | Теория подобия | 4 | 4 | 2 | - | 2 | Контрольный опрос | |
Зачет | 2 | 4 | - | - | - | 2 | Защита типового расчета, контрольная работа, тест; | |
Экзамен | 36 | 4 | - | - | - | 36 | устный | |
Итого: | 108 | 36 | - | 18 | 54 |
4.2 Содержание лекционно-практических форм обучения
4.2.1. Лекции:
1. Основные понятия и уравнения сохранения
Основные понятия и определения. Параметры потока. Свойства жидкостей, газов и паров. Вязкость жидкостей и газов. Реальная и идеальная (невязкая) жидкости. Основные термодинамические соотношения.
Поверхностные и массовые силы. Тензор напряжений для вязкой и идеальной жидкости. Элементы кинематики сплошных сред. Методы изучения движения жидкости. Линии тока и вихревые линии. Деформация и вращение жидкой частицы. Теорема Гельмгольца.
Уравнения сохранения (массы, количества движения, момента количества движения и энергии) в интегральной и дифференциальной форме. Частные случаи.
Жидкость в поле силы тяжести. Равновесие вращающейся жидкости. Закон Архимеда. Равновесие сжимаемой жидкости. Атмосфера в поле силы тяжести.
2. Одномерные течения
Одномерное установившееся движение сжимаемой жидкости. Роль одномерного анализа при решении технических задач. Основные уравнения. Скорость звука. Различные формы уравнения энергии. Изоэнтропийное течение. Параметры торможения и критические параметры. Газодинамические функции и газодинамические таблицы. Критический расход. Суживающее сопло и сопло Лаваля. Режимы течения и изменение параметров потока по длине сопла Лаваля. Переменный режим работы суживающегося сопла.
Одномерные течения при различных воздействиях на поток. Установившееся течение сжимаемой вязкой жидкости в теплоизолированной трубе постоянного сечения. Критическая длина трубы. Распределение скоростей и давлений вдоль трубы.
Течение идеальной сжимаемой жидкости в канале с постоянной площадью поперечного сечения и прямым скачком уплотнения. Расчет параметров течения в сопле Лаваля со скачком уплотнения. Предельное отношение давлений за соплом.
3. Плоские течения несжимаемой жидкости
Уравнение количества движения в форме Громеко–Ламба. Вихревое и безвихревое течения. Соотношения Коши - Римана. Уравнение Бернулли и интеграл Коши-Лагранжа. Начальные и граничные условия уравнений идеальной жидкости. Функция тока и потенциал скорости и их свойства. Комплексный потенциал и комплексная скорость. Однородный поток, сток (исток), вихрь и диполь на плоскости. Применение ТФКП к расчету потоков.
Обтекание цилиндра установившимся потоком идеальной жидкости на плоскости. Теорема Жуковского о подъемной силе. Постулат Чаплыгина – Жуковского. Теоремы о сохраняемости потенциальных и вихревых течений. Обтекание вращающегося цилиндра. Вихри в идеальной жидкости.
4. Течение вязкой жидкости
Уравнение движения Навье-Стокса для вязкой несжимаемой жидкости. Ламинарное установившееся течение вязкой жидкости в трубах. Распределение скоростей в поперечном сечении трубы. Безразмерный коэффициент сопротивления. Закон Хагена-Пуазейля. Универсальные законы распределения скорости в трубе.
Особенности турбулентного течения. Степень турбулентности. Трение при турбулентном течении. Статистические характеристики турбулентности.
Уравнение Рейнольдса для турбулентного течения несжимаемой жидкости.
Турбулентное течение в трубах. Универсальные законы сопротивления для гладких труб. Гидравлическое сопротивление трубопроводов. Различные виды местных сопротивлений. Сопротивление при внезапном изменении площади каналов.
Гипотеза о пограничном слое. Основные особенности и допущения. Распределение скоростей в пограничном слое. Дифференциальное уравнение пограничного слоя для установившегося течения несжимаемой жидкости. Интегральное соотношение для пограничного слоя (уравнение Кармана). Условные толщины пограничного слоя. Расчет ламинарного и турбулентного пограничного слоя на пластине. Коэффициенты трения и потери энергии при обтекании пластины.
Отрыв пограничного слоя. Схема отрыва. Особенности отрыва ламинарного и турбулентного пограничного слоя. Сила сопротивления и безразмерный коэффициент сопротивления. Хорошо и плохо обтекаемые тела. Крыловидные профили и аэродинамические решетки. Закон сопротивления для цилиндра.
Кризис сопротивления плохо обтекаемых тел. Парадокс Даламбера.
5. Сверхзвуковые течения
Особенности распространения слабых возмущений в дозвуковых и сверхзвуковых потоках. Волны возмущения и характеристики. Угол Маха. Уравнение характеристик в плоскости течения. Плоскость годографа. Диаграмма характеристик. Расчет простейших сверхзвуковых течений.
Образование скачков уплотнений. Ударная поляра и диаграмма ударных поляр. Обтекание тел сверхзвуковым потоком.
6. Теория подобия
Теория физического подобия. Теория размерности. Формулы Фурье. Определяющие параметры. 
– теорема подобия. Критерии подобия и моделирования. Роль подобия в теоретических и экспериментальных исследованиях.
4.2.2. Практические занятия
«Практические занятия учебным планом не предусмотрены».
4.3. Лабораторные работы
Примерные темы лабораторных работ:
4.3.1. Исследование сопловых решеток.
4.3.2. Исследование кромочных следов за цилиндрическими стержнями.
4.3.3. Исследование лабиринтовых уплотнений.
4.4.4. Исследование пограничного слоя в диффузорных каналах.
4.4.5. Исследование сопротивления участка трубопровода.
4.4. Расчетные задания
Примерные темы расчетных заданий:
4.4.1. Рассчитать и построить диаграмму режимов сопла Лаваля.
4.4.2. Для заданной геометрии канала рассчитать при заданном расходе
газа коэффициент расхода и коэффициент потери энергии.
4.5. Курсовые проекты и курсовые работы
«Курсовой проект учебным планом не предусмотрен».
5. ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
Лекционные занятия проводятся, как в традиционной форме, так и в форме лекций с использованием компьютерных презентаций.
Лабораторные работы проводятся на стендах в учебной лаборатории кафедры.
Самостоятельная работа включает выполнение типового расчета, подготовку к зачету и экзамену.
6. ОЦЕНОЧНЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ТЕКУЩЕГО КОНТРОЛЯ УСПЕВАЕМОСТИ, ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ ПО ИТОГАМ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
Для текущего контроля успеваемости используются тесты, контрольные работы, устный опрос.
Контрольная работа или контрольный опрос на занятиях проводится с выставлением оценки за выполнение предложенных заданий по пятибалльной системе.
По результатам выполнения и защиты типового расчета выставляется оценка по пятибалльной системе.
Аттестация по дисциплине – зачет и экзамен.
Оценка за освоение дисциплины, определяется как оценка за экзамен.
В приложение к диплому вносится оценка за 4 семестр.
7. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
7.1. Литература:
а) основная литература:
1. Самойлович : учебник для студентов вузов,-2-е изд.-М.:Машиностроение,1990.-384 с.
2. , Грибин : сборник задач, Москва, Издательский дом МЭИ, 2007, 80 с.
3. , Нитусов жидкости и газа: сборник задач, Москва, Издательский дом МЭИ, 2009,52 с.
б) дополнительная литература:
1. Самойлович .- М: Машиностроение,1980г.
2. , Зарянкин . - М: Энергоиздат, 1984г.
7.2 Электронные образовательные ресурсы: программное обеспечение для проведения презентаций
а) лицензионное программное обеспечение и Интернет-ресурсы: WaterSteamPro программа для расчета свойств воды, водяного пара, газов и смесей газов; http://www. *****/.
8. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Для обеспечения освоения дисциплины необходимо наличие учебной аудитории, снабженной мультимедийными средствами и программным обеспечением для презентации лекций, а также учебных газодинамических стендов лаборатории для выполнения лабораторных работ.
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО и с учетом рекомендаций ПрООП ВПО по направлению подготовки 221000 «Мехатроника и робототехника» и профилю «Компьютерные технологии управления в робототехнике и мехатронике».
ПРОГРАММУ СОСТАВИЛ:
к. т.н., ассистент
"УТВЕРЖДАЮ":
Зав. кафедрой ПГТ
д. т.н., профессор
