СДМ. Р.2 Физические основы высокотемпературных технологий в машиностроении
10 семестр 1 год обучения
1) Краткое содержание дисциплины: Современные высокотемпературные технологии, теплообмен, теплопроводность, механизмы переноса тепла, особенности воздействия различных источников энергии на материалы, массообмен, тепломассообмен
2) Кредитная стоимость дисциплины: 6 кредитов
3) Цель: дать студентам необходимые теоретические знания по современным высокотемпературным технологиям, их математическому моделированию; научить студентов, формулировать теплофизические задачи, необходимые для анализа высокотемпературных технологических процессов; выявлять при постановке задач основные физические явления, применять инженерные методы для получения простейших оценок, разбираться в том, какие методы требуются для решения задач. Курс ориентирован на подготовку студентов к научно–исследовательской работе.
4) Результаты обучения: После изучения данной дисциплины студент должен знать механизмы переноса тепла в твердых, жидких и газообразных средах, формы записи уравнения теплопроводности в различных системах координат, должен знать и уметь формулировать возможные варианты граничных условий, владеть такими понятиями как стационарная задача, нестационарная задача, теплоемкость, плотность, теплопроводность; должен знать основные понятия и определения теории фазовых переходов и формальной химической кинетики, владеть инженерными методами построения решений теплофизических задач и задач, им подобных; должен уметь пользоваться получаемыми аналитическими решениями, уметь их анализировать; должен разбираться в критериях подобия и возможностях метода анализа размерностей; должен знать, для какого типа технологий применимы теплофизические методы описания.
5) Содержание:
1. Современные высокотемпературные технологии. Источники энергии. Основные характеристики теплообмена. Единицы измерения. Отношение теплообмена к термодинамике. Теплоемкость. Производство энтропии. – 2 ч.
2. Механизмы переноса тепла: теплопроводность, конвекция, излучение. Понятие о массообмене. Теплопроводность в различных средах. Закон Фурье. Коэффициент теплопроводности. Зависимость теплофизических свойств от температуры. Уравнение теплопроводности. Формулировка граничных условий. Частные примеры. – 2 ч.
3. Конвективный теплообмен. Закон Ньютона-Рихмана. Применение теории подобия к изучению теплообмена. Примеры расчета коэффициентов теплоотдачи – 2 ч.
4. Уравнение теплопроводности в различных системах координат. Уравнения теплопроводности для тел канонической формы. Стационарные задачи теплопроводности в различных системах координат. Критический диаметр теплоизоляции. – 2 ч.
5. Теплообмен излучением. Основные законы теплового излучения. Лучистый теплообмен между телами. Сложный теплообмен. Особенности воздействия различных источников энергии на материалы. – 2 ч.
6. Нестационарные задачи теплопроводности. Задачи с граничными условиями первого, второго, третьего рода; сопряженные задачи. Типы эффективных источников тепла – распределенные и точечные, неподвижные и подвижные, постоянные и зависящие от времени, объемные и поверхностные. – 2 ч.
7. Теплоперенос в процессах плавления и кристаллизации. Задачи Стефана. Понятие о теории двухфазной зоны. – 2 ч.
8. Теплообмен в системах с химическими реакциями. Химические источники тепла. Физические классификации химических превращений. Массообмен. Механизмы диффузии в газах, жидкостях и твердых телах. Термодиффузия и диффузионная теплопроводность. Многокомпонентная диффузия. – 2 ч.
9. Примеры упрощенных моделей высокотемпературных технологических процессов кислородной и лазерной резки, дуговой сварки, электронно-лучевой и электрошлаковой наплавки, диффузионной пайки, термической обработки с использованием различных источников энергии (выборочно). – 2 ч.
6) Пререквизиты:
Для успешного освоения дисциплины студент должен знать фундаментальные основы курсов: “ Высшая математика ” - знать простейшие методы решения ОДУ; интегральное и дифференциальное исчисление, “ Физика”, “Информатика” - должен владеть любым прикладным пакетом (например, MATHCAD).
7) Основные учебники:
1. Исаченко В. П., Осипова В. А., Сукомел , М.: Энергия, 1975. -488 С.
2. Ф. Крейт, У. Блэк Основы теплопередачи /М.: Мир, 1983. – 512 С.
3. J. H.Lienhard IV, J. H. Lienhard V A heat transfer textbook / 2003, (есть электронный вариант)
4. Князева понятия о разностных схемах – методическое пособие для выполнения лабораторных работ./Томск. ТПУ. 2006
5.Князева варианты метода прогонки – методическое пособие для выполнения лабораторных работ./Томск. ТПУ. 2006
6. Князева основы высокотемпературных технологий обработки материалов – учебное пособие./Томск. ТПУ. Готовится к печати
8) Дополнительная литература:
1. Kalyan Annamalai, Iswar K. Puri Advanced thermodynamics engineering / 2001
2. Р. Берд, Стьюарт, Е. Лайтфут Явления переноса / М.: Химия, 1974. – 688 С.
3. Баскаков А. П., Берг Б. В., Витт О. К. и др. Теплотехника, Учебник для ВУЗов / М.: Энергоиздат, 1982. – 264 С.
4. , , . Высокотемпературные технологические процессы. Теплофизические основы./ М.: Наука, 1986.
5. Лыков теплопроводности: учебное пособие для вузов/ М.: Высшая школа, 1967
6. Лашутина Н. Г., , Медведев термодинамика с основами теплопередачи и гидравлики / М.: Машиностроение, 1988. – 336 С.
9) Координатор: , профессор. каф. ФВТМ, д. ф-м. н, профессор
10) Использование компьютера: компьютер используется преподавателем при чтении лекций (в течение всего курса), при выполнении всех практических занятий (лабораторных работ) студентами.
11) Лабораторные работы и проекты:
Решение стационарной задачи о распространении тепла в плоской стенке– 2 ч. Решение стационарной задачи о распределении температуры в различных системах координат при конвективном теплообмене – 6 ч. Решение стационарной задачи теплопроводности для многослойной стенки в различных системах координат с объемным тепловыделением – 4 ч. Решение стационарной задачи теплопроводности для многослойной стенки цилиндра – 2 ч. Решение нестационарной задачи теплопроводности с использованием операционного метода – 2 ч.6. Решение первой краевой задачи для уравнения теплопроводности по явной разностной схеме – 2 ч.
