Министерство образования и науки Российской Федерации

Филиал федерального государственного бюджетного образовательного учреждения

высшего профессионального образования

«Российский государственный гидрометеорологический университет»

в г. Туапсе

УТВЕРЖДАЮ:

Заместитель директора по учебной работе

(руководитель структурного подразделения)

(в состав которого входит кафедра-составитель)

__________________

«__»______________20__г.

РАБОЧАЯ УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА

дисциплины «Механика жидкости и газа»

по направлению (специальности) 020602 «Метеорология»

Форма обучения очная Блок дисциплин ОПД

Всего учебных занятий,

(в академических часах)

в том числе:

аудиторных, из них:

лекций

лабораторных

практических (семинарских)

самостоятельных

330

172

86

54

32

158

Отчетность

Курсовой проект (работа)

Экзамен

Экзамен

-

4 семестр

5 семестр

Туапсе

2011

Рабочая программа составлена на основании ГОС ВПО и учебного плана Филиала РГГМУ в г. Туапсе специальности (направления) 020602 «Метеорология»

на кафедре «Метеорологии и природопользования».

Составители рабочей программы

Доцент, к. х.н. _________________

(должность, ученое звание, степень) (подпись) ()

Рабочая программа утверждена на заседании кафедры «Метеорологии и природопользования»

Протокол заседания № ___от «__»___ 20__ г.

Заведующий кафедрой

«___»________20__г. _________________

(подпись) ()

Согласовано с научно-методической комиссией

Председатель научно-методической комиссии

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

«___»________20__г. _________________ ___________________

(подпись) ()

Выписка из ГОС ВПО по направлению подготовки дипломированного специалиста 020602 «Метеорология»:

Индекс

Наименование дисциплины и ее основные разделы

Всего часов

ОПДФ 02.02

Механика жидкости и газа:

Основные методы механики жидкости и газа, математический аппарат механики жидкости и газа; кинематика и общие теоремы динамики жидкости и газа; основные уравнения и теоремы динамики идеального газа, одномерные задачи; уравнения Эйлера и Гельмгольца, теорема Бернулли, изэнтропические формулы, одномерные потоки идеального газа, плоские безвихревые течения идеальной жидкости и газа: основные теремы, потенциал скоростей, до - и сверхзвуковое обтекание тонких профилей; пространственные безвихревые движения идеальной жидкости6 потенциалы скоростей и функции тока простейших пространственных течений; динамика вязкой несжимаемой жидкости, простейшие задачи ламинарного пограничного слоя, уравнения Навье-Стокса, примеры линейных задач; ламинарный пограничный слой; турбулентные движения несжимаемой жидкости, неустойчивость ламинарных течений, уравнения Рейнольдса, турбулентный пограничный слой.

Крупномасштабные движения на вращающейся Земле, подходы и особенности к описанию крупномасштабных движений на вращающейся Земле: уравнения движения во вращающейся системе координат, уравнения движения в сферических координатах, геострофическое и градиентное движение, термический ветер; теория мелкой воды: основные уравнения, потенциальный вихрь, волны Пуанкаре и Кельвина, акустические и гравитационные волны, волны Россби и их динамика; планетарный пограничный слой, течения в планетарном пограничном слое; движения в стратифицированной жидкости на сфере, волны Россби в стратифицированной жидкости, взаимодействие волн с зональным потоком, теория баротропной и бароклинной неустойчивости крупномасштабных течений: необходимые и достаточные условия неустойчивости, характеристики неустойчивых течений; агеострофические движения и теория фронтогенеза

330

1. Цели и задачи учебной дисциплины, ее место в учебном процессе

1.1. Цели и задачи изучения дисциплины

Целью преподавания механики жидкости и газа является формирование у студентов знаний о классических теоремах и методах теоретической гидромеханики с изложением современных инженерных методов расчетов, а также формирование навыков решения конкретных задач, соответствующих профилю специальности.

Задачей изучения дисциплины является получение студентами теоретических знаний и практических навыков, необходимых:

- для классификации, качественного анализа и математического описания изученных гидромеханических процессов;

- для постановки и решения типовых задач, связанных с расчетами движения жидкости и газа в открытых руслах и каналах, движение воды в водопроводящих, водосбросных и сопрягающих сооружениях, движение грунтовых вод и т. д.;

- для проведения типовых гидромеханических измерений в потоках жидкости и газа;

- для анализа и обобщения результатов экспериментальных исследований.

1.2. Краткая характеристика дисциплины, ее место в учебном процессе

Курс «Механика жидкости и газа» является одним из базовых курсов в системе образования специалистов в области метеорологии. Включая основные вопросы, связанные с гидромеханическими и газодинамическими расчетами, он служит основой для ряда дисциплин прикладного характера.

1.3. Связь с предшествующими дисциплинами

Изучение курса «Механика жидкости и газа» базируется на зна­ниях полученных студентами при прохождении курсов физики, математи­ки, теоретической механики и др.

1.4. Связь с последующими дисциплинами

Знания, полу­ченные при изучении курса «Механика жидкости и газа» применя­ются при изучении курсов гидравлики, динамической метеорологии, физики океана и физики вод суши.

2. Требования к уровню освоения дисциплины

В результате изучения дисциплины студент должен

иметь представление:

- о теории подобия и размерности в процессах движения жидкости и газа;

- об основах моделирования гидромеханических явлений;

- об экологических задачах в потоках жидкости и газа;

знать:

- основные законы механики жидких и газообразных сред;

- модели течения жидкости и газа;

уметь:

- проводить гидромеханические эксперименты в лабораторных условиях;

- использовать математические модели гидромеханических явлений и процессов для расчетов жидких и газовых потоков.

3. Распределение учебных занятий по семестрам и тематический план дисциплины

Таблица 1

Распределение видов и часов занятий по семестрам

Вид занятий

Количество часов в семестр

Всего

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Лекции

Лабораторные работы

Практические

(семинарские) занятия

Самостоятельная работа, в т. ч.

- курсовой проект (работа)

- контрольная работа

- экзамен (сем.)

- зачет (сем.)

Итого

32

32

60

4

54

54

98

4

86

54

32

158

330

Таблица 2

Тематический план изучения дисциплины

№

Наименование разделов

Количество часов

Всего

часов

Аудиторных

Самостоятельных (в том числе контроль
СРС*

Лекции

Практ. (сем.) занятия

Лабораторные

работы

1

Кинематика и общие теоремы динамики жидкости и газа.

32

32

60(6)

124

2

Основные уравнения и теоремы динамики идеальной жидкости и газа.

16

16

26(3)

58

3

Динамика вязкой несжимаемой жидкости.

18

16

28(3)

62

4

Геофизическая гидродинамика.

20

22

44(5)

86

Итого часов

86

32

54

158(17)

330

4. Содержание дисциплины

4.1. Теоретический курс

Таблица 3

Теоретический курс

Раздел, тема учебной дисциплины,
содержание темы

Номер

лекции

Количество часов

лекции

СРС

1

2

3

4

ЧЕТВЕРТЫЙ СЕМЕСТР

Введение

Предмет исследования механики жидкости и газа. Основные методы механики жидкости и газа. Основные положения. Краткие сведения из истории развития дисциплины. Связь предмета с другими естественными науками. Основные методы исследования.

Основные понятия

Понятие жидкости и газа в гидромеханике. Понятие физически бесконечно малого объема и гипотеза сплошной среды Основные величины: плотность, скорость, напряжение. Основные свойства жидкости.

Математический аппарат механики жидкости и газа. Элементы векторного и тензорного исчисления.

Раздел 1. Кинематика и общие теоремы динамики жидкости и газа

Тема 1.1. Задание движения сплошной среды

1.1.1.  Методы исследования движения жидкости.

Два подхода к исследованию жидкости. Переменные Лагранжа и Эйлера. Индивидуальная и местная производные.

1.1.2.  Поле скоростей.

Установившиеся и неустановившиеся течения. Скорость и ускорение. Траектории, линии тока. Критические точки. Поверхность тока и трубка тока. Плоское движение.

1.1.3. Примеры полей скоростей.

Пространственный источник. Плоский источник. Вращение жидкости как твердого тела. Безвихревое вращение жидкости. Изолированный вихрь.

Тема 1.2. Скорости и перемещения бесконечно малого объема сплошной среды

1.2.1. Тензор скоростей деформации. Скорости и перемещения точек жидкой частицы. Тензор скоростей деформации. Смысл его компонент. Инварианты тензора скоростей деформации.

1.2.2. Вихрь (ротор) скорости.

Вихрь скорости. Смысл компонент вихря скорости. Вихревые линии, вихревые трубки. Теоремы Гельмгольца.

1.2.3. Поток и дивергенция скорости.

Поток вектора. Расход жидкости. Физический смысл потока вектора скорости. Дивергенция скорости. Физический смысл дивергенции скорости. Запись дивергенции в натуральных координатах. Определение вертикальной скорости при движении несжимаемой жидкости.

1.2.4. Понятие и физический смысл циркуляции скорости.

Циркуляция вектора скорости. Примеры определения циркуляции скорости. Ускорение циркуляции.

1.2.5. Связь между циркуляцией скорости и полем ротора скорости.

Физический смысл взаимосвязи завихренности и циркуляции. Интенсивность вихревой трубки.

1.2.6. Функция тока и потенциал скорости.

Понятие и важнейшие свойства функции тока. Определение функции тока по заданному полю скорости. Потенциал скорости. Потенциальные течения. Плоские течения. Примеры определения потенциала скоростей по заданному полю скорости.

Тема 1.3. Основные уравнения движения и равновесия сплошной среды

1.3.1. Закон сохранения масс.

Интегральная запись закона сохранения масс. Дифференциальная запись закона сохранения масс (уравнение неразрывности). Сжимаемая и несжимаемая жидкости.

1.3.2. Закон количества движения.

Массовые и поверхностные силы. Закон количества движения в интегральной форме.

1.3.3. Тензор напряжений.

Тензор напряжений и физический смысл его компонент. Модели идеальной жидкости и вязкой ньютоновской жидкости. Тензоры напряжений для них. Уравнения движения сплошной среды в напряжениях.

1.3.4. Закон сохранения энергии.

Внутренняя энергия жидкого объема. Полная энергия жидкого объёма. Закон сохранения энергии в интегральной форме. Вектор потока тепла. Нетеплопроводная жидкость. Жидкость, подчиняющаяся закону теплопроводности Фурье. Дифференциальная запись закона сохранения энергии.

Тема 1.4. Уравнения равновесия жидкости и газа

1.4.1. Уравнения равновесия и условия их разрешимости.

Уравнения равновесия. Условия разрешимости системы уравнений равновесия. Условия на поверхности раздела двух жидкостей. Равновесие однородной несжимаемой жидкости.

1.4.2. Равновесие баротропной жидкости.

Понятие о баротропной и бароклинной жидкости. Равновесие баротропной жидкости. Частные случаи баротропных процессов: несжимаемая жидкость, изотермический процесс, адиабатический процесс.

1.4.3. Равновесие тяжелой несжимаемой жидкости. Главный вектор и главный момент сил давления на твердую поверхность. Равновесие тяжелой несжимаемой жидкости. Закон Архимеда.

ПЯТЫЙ СЕМЕСТР

Раздел 2. Основные уравнения и теоремы динамики идеальной жидкости и газа

Тема 2.1. Уравнения идеальной жидкости.

2.1.1. Запись уравнений в форме Эйлера.

Система уравнений идеальной нетеплопроводной жидкости и постановка задач для нее. Уравнения Эйлера. Постановка задач об отыскании установившихся и неустановившихся течений идеальной жидкости.

2.1.2. Различные формы записи уравнений движения.

Уравнения движения в натуральных координатах. Уравнение Эйлера в форме Громеки-Лэмба.

2.1.3. Адиабата Пуассона.

Тема 2.2. Интегралы уравнений движения идеальной жидкости.

2.2.1. Интеграл Бернулли.

Функция давления. Интеграл Бернулли. Частные случаи интеграла Бернулли: однородная несжимаемая жидкость, идеальный газ.

2.2.2. Интегрирование уравнений движения.

Интеграл Лагранжа. Интеграл Эйлера-Бернулли.

Тема 2.3. Плоские безвихревые течения идеальной жидкости и газа

2.3.1. Теоремы Кельвина и Лагранжа.

Теоремы Кельвина и Лагранжа. Условия существования безвихревых течений.

2.3.2. Комплексный потенциал.

Комплексный потенциал и комплексная скорость. Комплексные потенциалы простейших потоков.

Тема 2.4. Вихревые течения идеальной жидкости

2.4.1. Основные теоремы.

Теорема Томсона. Теорема Лагранжа. Теоремы Гельмгольца о сохранении вихрей.

2.4.2. Возникновение вихрей.

Образование вихрей. Уравнение Фридмана для вихря. Теорема Бьеркнеса об ускорении циркуляции. Примеры образования вихрей.

Раздел 3. Динамика вязкой несжимаемой жидкости

Тема 3.1. Система уравнений гидромеханики вязкой жидкости

3.1.1. Понятие о вязкой жидкости.

Ньютоновская вязкая жидкость. Общие свойства движений вязкой жидкости (необратимость движения, завихренность течений, диссипация механической энергии).

3.1.2. Система уравнений гидромеханики вязкой теплопроводной жидкости и постановка задач для нее. Общая система уравнений гидромеханики вязкой жидкости. Система уравнений гидромеханики однородной несжимаемой вязкой жидкости. Уравнение Навье-Стокса. Постановка задач об отыскании течений вязкой теплопроводной жидкости.

Тема 3.2. Точные решения уравнения вязкой жидкости.

Постановка задачи об отыскании одномерных течений вязкой жидкости. Пример одномерного нестационарного течения вязкой жидкости. Установившееся течение между двумя параллельными плоскостями.

Тема 3.3. Подобие гидромеханических процессов

3.3.1. Подобие течений вязкой жидкости.

Сходственные пространственно-временные точки. Запись уравнений гидромеханики вязкой жидкости в безразмерном виде. Подобие установившихся течений.

3.3.2. Критерии подобия.

Числа Рейнольдса, Фруда, Струхаля, Эйлера, Маха. Физический смысл критериев подобия.

Тема 3.4. Простейшие задачи ламинарного пограничного слоя

3.4.1. Течения вязкой жидкости при больших числах Рейнольдса.

Уравнения Прандтля ламинарного пограничного слоя. Пограничный слой на пластине.

3.4.2. Течения вязкой жидкости при малых числах Рейнольдса.

Тема 3.5. Турбулентные движения несжимаемой жидкости

3.5.1. Общие понятия о турбулентности.

Два режима течения жидкости – ламинарный и турбулентный. Неустойчивость ламинарных течений и возникновение турбулентности.

3.5.2. Уравнения Рейнольдса осредненного турбулентного течения.

Уравнения Рейнольдса осредненного турбулентного течения. Турбулентный пограничный слой.

3.5.3. Полуэмпирические теории турбулентности.

Полуэмпирические теории турбулентности. Проблемы замыкания в теории турбулентности.

Раздел 4. Геофизическая гидродинамика

Тема 4.1. Уравнения движения жидкости во вращающейся системе координат.

Подходы и особенности к описанию крупномасштабных движений на вращающейся Земле. Силы, действующие в жидкости на вращающейся Земле. Центростремительное ускорение. Ускорение Кориолиса. Уравнения движения во вращающейся системе координат. Уравнения движения в сферических координатах.

Тема 4.2. Геострофическое и градиентное движение, термический ветер

Геострофическое движение воздуха (геострофический ветер) и воды (геострофическое течение). Градиентное и циклострофическое движение. Следствие геострофического и гидростатического приближений. Геострофическое приспособление полей давления и ветра. Термический ветер. Связь термического ветра с адвективным изменением температуры. Баротропная и бароклинная жидкая и воздушная среда

Тема 4.3. Теория мелкой воды

Модель, уравнения. Интегральные соотношения. Абсолютный и относительный вихрь скорости. Уравнение переноса вихря. Усло­вие сохранения абсолютного вихря. Потенциальный вихрь. Плоские волны.

Тема 4.4. Волны в геофизических средах.

4.4.1. Уравнения линейной теории волн.

Метод малых возмущений. Параметры волн. Система уравнений для малых колебаний. Главные типы атмосферных волн.

4.4.2. Акустические волны

4.4.3. Гравитационные волны.

Внутренние гравитационные волны. Гравитационные волны на мелкой воде. Гравитационные волны на границе двух масс с разными плотностями. Проблемы отфильтровывания гравитационных волн.

4.4.4. Волны Россби.

Волны Россби и их динамика. Механизм поддержания волн Россби. Групповая скорость, энергия и поток энергии. Резонансное взаимодействие.

Тема 4.5. Планетарный пограничный слой и течения в нем.

Течения в планетарном пограничном слое. Уравнения движения для стационарного, горизонтально одно­родного ППС. Распределение скорости и сил по высоте в верхнем слое океана и в пограничном слое атмосферы, толщина ППС.

Тема 4.6. Движения в стратифицированной жидкости на сфере.

Квазигеострофическое движение и статическая устойчивость. Экмановский слой в стратифицированной жидкости и доступная потенциальная энергия слоя. Волны Россби в стратифицированной жидкости. Вынужденные стационарные волны в атмосфере. Многослойная модель волн Россби.

Тема 4.7. Теория баротропной и бароклинной неустойчивости крупномасштабных течений

Неустойчивость крупномасштабных течений. Необходимое условие баротропной устойчивости. Достаточное условие устойчивости. Верхний предел скорости роста волновых возмущений. Критический уровень. Условия бароклинной неустойчивости. Простейшие критерии бароклинной неустойчивости.

Тема 4.8. Агеострофические движения и теория фронтогенеза

Общие положения и понятия. Кинематическое и динамическое условие на поверхности раздела. Волны на поверхности раздела. Теория устойчивости волновых движений на поверхности раздела. Основы теории циклогенеза.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12,13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

1

1

2

2

2

1

1

2

1

1

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

1

1

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

1

1

2

2

2

2

2

2

2

2

2

1

1

1

1

1

2

2

2

2

2

2

1

2

1

1

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

1

1

2

2

2

2

4

2

2

4

2

2

4

2

2

4

4

4

4.2. Практические (семинарские) занятия

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4