Рабочая программа по дисциплине “Магнитогидродинамика”

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

“УТВЕРЖДАЮ”

Декан факультета ФЛА,

проф. ____________

“____”_________2011 г.

Р А Б О Ч А Я П Р О Г Р А М М А

по дисциплине “Магнитогидродинамика”

для студентов, обучающихся по направлению

160100 Авиа - и ракетостроение (магистратура)

Факультет летательных аппаратов

Кафедра «Аэрогидродинамика»

Курс________3_______ Семестр _______5 ______

Лекции_____20_______час. РГР_________3_______ час. Индивид. занятия______ час. Всего часов______80 Самостоятельная работа _____60___________час.

Зачёт_____3_________ семестры

2011 г.

Рабочая программа составлена на основании государственного образовательного стандарта (ГОС) по направлению 160100 – “Авиа - и ракетостроение” для магистрантов техники и технологии, утверждённого 14 апреля 2000г. (Регистрационный номер 337 тех/бак).

Рабочая программа обсуждена на заседании кафедры Аэрогидродинамики НГТУ. Протокол № от “ “ 2011 г.

Программу составили

Д. ф.-м..н., проф.

Д. ф.-м. н..

Заведующий кафедрой АГД,

ответственный за образовательную программу

д. т.н., проф.

Председатель метод. совета ФЛА

д. т.н., проф.

Ответственные за образовательную программу

от каф. АГД к. т.н., доцент

Председатель метод. совета ФЛА

д. т.н., проф.

Эксперт НМЦ

1.  Требования к дисциплине основаны на содержании государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению 160100 – “Авиа - и ракетостроение” для магистров техники и технологии, утверждённого 5 апреля 2000г. (Номер гос. рег. 327 тех/маг).

Магистр по направлению 160100 "Авиа - и ракетостроение" подготовлен к деятельности, требующей углубленной фундаментальной и профессиональной подготовки, в том числе к научно-исследовательской работе; а при условии освоения соответствующей образовательно-профессиональной программы педагогического профиля - к педагогической деятельности.

Магистр должен: владеть навыками самостоятельной научно-исследовательской и научно-педагогической деятельности, требующими широкого образования в соответствующем направлении;

Магистр по направлению 160100 “Авиа - и ракетостроение” должен

знать:

- основы магнитогидродинамики

- основные научно-технические проблемы и перспективы развития магнитной гидродинамики (МГД) в области авиа - и ракетостроения;

уметь:

- формулировать и решать задачи, возникающие в ходе научно – исследовательской и педагогической деятельности и требующие углубленных профессиональных знаний;

- выбирать необходимые методы исследования, модифицировать существующие и разрабатывать новые методы, исходя из задач конкретного исследования;

- обрабатывать полученные результаты, анализировать и осмысливать их с учетом имеющихся литературных данных;

- вести библиографическую работу с привлечением современных информационных технологий;

- представлять итоги проделанной работы в виде отчетов, рефератов, статей, оформленных в соответствии с имеющимися требованиями, с привлечением современных средств редактирования и печати;

- использовать современные компьютерные технологии в науке, технике и технологии авиационной и ракетно-космической отрасли;

-  применять информационные образовательные технологии, способы информатизации и компьютерной педагогики.

- применять методы магнитной газодинамики в профессиональной деятельности (конструкторской, расчетной, исследовательской).

2. Особенности построения дисциплины

№	Название	Содержание
1	Основания для введения дисциплины в учебный план по направлению и специальности.	Курс входит в число общих математических и естественнонаучных дисциплин федерального компонента.
2	Адресат курса.	Студенты, обучающиеся по направлению 160100 Авиа - и ракетостроение (магистранты).
3	Основная цель дисциплины.	Ознакомить студентов с основами магнитной газодинамики и её применения в самолетостроении.
4	Ядро дисциплины.	Основы разделов физики: теории столкновений частиц в газе; электродинамики движущегося частично-ионизованного газа; магнитной газодинамики и её применения в технике и аэродинамике.
5	Связи с другими учебными дисциплинами основной образовательной программы.	Базой для изучения курса являются ранее изученные разделы общей физики, электротехники, аэродинамики.
6	Требования к первоначальному уровню подготовки обучающихся	Обучающиеся должны знать линейную алгебру, математический анализ и уравнения математической физики в объеме ранее изученных курсов, основы тензорного анализа, уверенно работать на персональном компьютере, в том числе в стандартных программах.
7	Особенности организации учебного процесса по дисциплине.	В расчетно-графическое задание входит, материал, освещенный в лекциях.

2.  Цели дисциплины

В проблеме освоения ближнего космоса для коммерческих полетов важное значение имеет углубленное изучение гиперзвуковых течений и среди них изучение возможности управления потоком при обтекании тел с использованием плазменных и магнитогидродинамических (МГД) эффектов. Целью курса «Магнитогидродинамика» является изучение основ МГД взаимодействия и МГД технологий. Существенное внимание в курсе уделено современному направлению продвижения МГД метода в гиперзвуковую аэродинамику.

№ цели	Содержание цели
Студент будет иметь представление
1	Об основных этапах, проблемах и современных тенденциях развития магнитогидродинамики
2	Об основных понятиях и эффектах частично ионизованного газа
3	О методах описания МГД процессов
4	О динамике электропроводного газа при наличии электрического и магнитного полей
5	Об основных технических приложениях магнитной газодинамики
6	О перспективных направлениях развития МГД в аэрокосмических приложениях
7	О перспективных направлениях развития МГД в освоении космического пространства.
Студент будет знать
8	Свойства и модели электропроводящей жидкости и газов
9	Основы кинетики и динамики частично ионизованного газа
10	Основы теории МГД течений
11	Уравнения МГД
12	Критерии подобия в МГД
13	Элементы теории устойчивости МГД течений
14	Геометрические и газодинамические характеристики МГД генераторов электроэнергии
15	Основы МГД управления потоком при обтекании ЛА
16	Современное направление развития МГД в аэрокосмических приложениях
Студент будет уметь
17	Рассчитывать транспортные коэффициенты частично ионизованного газа
18	Анализировать условия протекания МГД процессов
19	Рассчитывать простейшие МГД течения сжимаемого газа
20	Делать оценку параметров МГД взаимодействия в потоке около ЛА
Студент будет иметь опыт (владеть)
21	Анализа возможности использования магнитной газодинамики в аэродинамических приложениях

4. Структура дисциплины

Лекции

№	Се-местр	Модуль	Д. Е.	Тема	Часы	Цели
1	3	Введение	«Исторический обзор». «Магнитная газодинамика в теории сплошной среды».	Исторический обзор развития магнитной гидродинамики. Описание электропроводного газа как сплошной среды.	4	1
2	3	Основы теории частично ионизованного газа	«Теория столкновений частиц в газе», «Транспортные коэффициенты в частично-ионизованном газе»	Основные понятия теории столкновений. Скорость процесса, частота столкновений, средняя длина свободного пробега. Молекулярная структура газа. Равновесное состояние газа. Определение вязкости, теплопроводности, электропроводности.	8	4,8
3	3	Электрические свойства частично-ионизованного газа	«Движение проводящего газа в электрическом и магнитном поле», «Параметр Холла» «Эффект проскальзывания ионов», «Обобщенный закон Ома»	Движение заряженных частиц в электрическом, магнитном полях. Скорость дрейфа заряженных частиц в скрещенных электрическом и магнитном полях с учетом столкновений частиц. Проводимость частично ионизованной плазмы в магнитном поле. Эффекты Холла и проскальзывания ионов. Обобщенный закон Ома.	4	5,9
4	3	Уравнения магнитной гидродинамики	«Уравнения Максвелла», «Система уравнений магнитной гидродинамики с учетом магнитогидродинамического взаимодействия»	Уравнения Максвелла. уравнения магнитной гидродинамики с учетом магнитогидродинамического взаимодействия.	4	2, 10
5	3	Теория подобия МГД течений	«Критерии подобия в уравнениях Максвелла» «Критерии подобия в уравнении движения» «Критерии подобия в уравнениях энергии»	Критерии подобия Вытекающие из уравнениний Максвелла. Критерии подобия в уравнении движения и в уравнениях энергии.	4	3, 11
6	3	Простейшие интегралы уравнений магнитной газодинамики	«Простейшие интегралы движения при Rem → ∞» «Простейшие интегралы движения при Rem ≈1» «Уравнение Бернулли»	Уравнение индукции магнитного поля. Простейшие интегралы движения при Rem → ∞, Rem ≈1 и Rem → 0.	8	6,12
7	3	Неустойчивости плазменных потоков	«Гидродинамические неустойчивости» «Ионизационные неустойчивости плазмы в электростатическом поле» «Ионизационно–перегревная (тепловая) неустойчивость»	Неустойчивости электропроводной жидкости типа Кельвина–Гельмгольца и Релея – Тейлора в магнитном поле. Ионизационные неустойчивости плазмы в электростатическом поле. Ионизационно–перегревная (тепловая) неустойчивость.	4	7,13
8	3	Одномерные течения	«Система уравнений одномерного установившегося потока» «Закон обращения воздействия в ионизованном газе»	Установившиеся одномерные течения электропроводного газа в магнитном поле. Закон обращения воздействия в ионизованном газе а магнитном поле.
9	3	Основы теории МГД генераторов	«Однородные течения ионизованного, нетеплопроводного, невязкого газа в электрическом и магнитном полях» «Характеристики линейного Фарадеевского МГД генератора» «Типы МГД-генераторов»	Одномерные и однородные течения электропроводного газа в магнитном поле. Характеристики Фарадеевского и Холловского МГД-генераторов. Типы МГД-генераторов.
10	3	Неоднородные течения	«Течения с Т-слоем» «Эффект Т-слоя, как развитие перегревной неустойчивости» «МГД - генераторы с Т-слоем»	Неоднородные течения с Т-слоем как результат развития перегревной неустойчивости. МГД - генераторы с Т-слоем.
		Прямое преобразование тепловой энергии в электрическую	«Примеры реализаций МГД - генераторов в технике и научных исследованиях» «Импульсные МГД-генераторы» «Применение МГД-генераторов в геофизических исследованиях»	Линейные МГД-генераторы. Дисковые МГД-генераторы. Импульсные МГД-генераторы. Применение МГД-генераторов в геофизических исследованиях. МГД-генераторы с неравновеснгой проводимостью газа.
		Аэрокосмические приложения МГД	«Магнитоплазменная аэродинамика» «МГД метод в аэрокосмических приложениях»	Современные задачи магнитной газодинамики. МГД - метод в аэрокосмических приложениях.

5. Самостоятельная работа

№	Семестр	Тип	Содержание
1	3	РГР	Выполнение расчетно-графических работ по индивидуальным заданиям из Приложение.

6. Правила аттестации

Максимальный рейтинг курса – 100 баллов.

Из них рейтинг РГР – 60 баллов.

К зачету допускаются студенты, набравшие не менее 36 баллов (из максимума в 60 баллов).

На зачете студенту предлагается решить одну задачу и ответить на один вопрос.

Задача оценивается из 20 баллов (минимальный бал - 10). Ответ на вопрос оценивается из 20 баллов (минимальный бал-10).

Зачет получают студенты, получившие за РГР, задачу и ответ на вопрос. 56 баллов.

7. Список литературы

Основная

, . Магнитогидродинамические генераторы. Изд-во «Наука», Москва, 1972.

М. Митчнер, Ч. Кругер. Частично ионизованные газы. Издательство «МИР», Москва. 1976.

. Динамика разреженного газа. Издательство «Наука». Москва. 1967.

. Аэрогазодинамика (краткий курс). Издатнльство «Высшая школа», Москва 1966.

Дж. Саттон, А. Шерман. Основы технической магнитной газодинамики. Перевод с английского под редакцией . . Издательство «МИР», Москва. 1968.

и . Магнитная гидродинамика. Издательство Физико-математической литературы», Москва. 1962.

. Элементы магнитной газодинамики. Атомиздат, Москва 1964.

. Газовая динамика двигателей. ГН-ТИ Оборонгиз, Москва 1962.

Р. Роза. Магнитогидродинамическое преобразование энергии. Издательство «МИР», Москва. 1970.

Магнитогидродинамический метод преобразования энергии. Сборник статей. Перевод под редакцией . Издательство Физико-математической литературы», Москва. 1963.

. Прикладная газовая динамика. Издательство «Наука». Москва, 1969г.

Магнитогидродинамическое преобразование энергии. Открытый цикл. Москва, 1979.

Импульсные МГД-преобразователи химической энергии в электрическую, Энергоатомиздат, Москва, 1997.

Взрывные генераторы мощных импульсов электрического тока. Под редакцией академика . Москва, «Наука», 2002.

, , . Неоднородные МГД-течения с Т-слоем. Издательство «Наука» Сибирское отделение, Новосибирск, 1984.

и . Об обращении воздействия в магнитной гидродинамике. ЖТФ. 1961. Т. ХХХI. В. 7. С. 807-817.

Дополнительная

Вопросы теории плазмы Т. 8. Под редакцией академика . Атомиздат, Москва, 1974.

Исследования по МГД-преобразованию энергии. Москва, 2006.

, , Ядренкин. Исследование магнитогидродинамического взаимодействия в сверхзвуковом потоке воздуха при М=8 // ЖТФ, 2011, том 81, выпуск 3, с. 10-17.

Bityurin V. A., Bocharov A. N. MHD Parachute in ReEntry Flight Induced Electric Field Effects in Hypersonic MHD Flow. In: 2nd International ARA Days, October 21-23, 2008, Arcachon, France.

8. Контролирующие материалы

Вопросы на зачёте

1.  История развития МГД метода. Современные задачи магнитной газовой динамики.

2.  Структура теории сплошных сред и место МГД метода в газодинамики.

3.  Столкновительные процессы в частично ионизованном газе. Функция распределения частиц по скоростям. Средние значения газодинамических величин.

4.  Скорость процесса, частота столкновений, средняя длина свободного пробега.

5.  Определение вязкости, теплопроводности, электропроводности через столкновения частиц. Зависимости коэффициентов переноса и термодинамических параметров частично ионизованных газов от температуры (примеры).

6.  Эффект Холла и проскальзывание ионов.

7.  Уравнения Максвелла. Закон индукции Фарадея, закон Ампера, закон сохранения электрического заряда, закон сохранения магнитного поля.

8.  Обобщенный закон Ома. Уравнения магнитной газовой динамики.

9.  Критерии подобия в МГД.

10.  Простейшие интегралы системы уравнений МГД при Rem >>1, Rem <<1, Rem ~1.

11.  Закон обращения воздействия. Сопло Лаваля в МГД потоке.

12.  МГД – генераторы Фарадеевские, Холловские, диагональные.

13.  Линейные и дисковые МГД – генераторы.

14.  Энергетические источники для МГД потоков. МГД – генераторы на продуктах сгорания органических топлив, твердых топлив, взрывные МГД – генераторы.

15.  Неустойчивости в МГД потоках частично ионизованного газа.

16.  Течение с Т – слоем.

17.  Инициирование Т – слоя в дисковом канале. Дисковые МГД – генераторы с Т – слоем.

18.  Современные задачи МГД в гиперзвуковых потоках.

19.  Управление потоком при сверхзвуковом обтекании тел МГД методом.

Примеры задач на зачёте.

Задача №1

Давление в потоке воздуха10 торр, температура 2000 К, определить величину параметра Холла.

Задача №2

Скорость воздуха 2000 м/с, величина индукции магнитного поля 2Тл, определить величину индуцированной разности электрического потенциала на электродах, если расстояние между ними 10 см.

Задача №3

Определить электропроводность потока воздухе при плотности электроном 1012 1/см3 и температуре 3000 К, если известна его вязкость при нормальных условиях.

Примеры контролирующих вопросов для определения остаточных знаний студентов по дисциплине.

Задача № 1

Написать формулу для определения электропроводности газа в магнитном поле

Задача №2

Написать формулу для оценки (в энергетическом приближении) мощности Фарадеевского МГД генератора.

Задача №3

Написать формулу определения вязкости и теплопроводности с использованием параметра газа: «средняя длина свободного пробега частиц».

Задача №4

Дать определение параметра Холла и коэффициента проскальзывания электронов.

П А С П О Р Т

комплекта итоговых контролирующих

материалов, спецификация

по направлению: 160100- “Авиа - и ракетостроение”

дисциплина: “Магнитогидродинамика”

разработчик: кафедра аэрогидродинамики, .

Паспорт комплекта КМ содержит основные характеристики комплекта и предназначен для использования:

- при подготовке контролирующих материалов;

- при проведении контроля;

- при анализе результатов контроля.

1. Соответствует Государственному образовательному стандарту высшего профессионального образования (ГОС ВПО) по направлению 160100 – “Авиа - и ракетостроение” для бакалавров техники и технологии, утверждённому 14 апреля 2000 г. (Регистрационный номер 337 тех/бак).

1.1  Задания КМ соответствует целям дисциплины «Магнитогидродинамика».

1.2  Задания КМ соответствуют содержанию дисциплины.

2. Вид контроля – контроль остаточных знаний.

3. Содержание и цели контроля – КМ охватывают все темы дисциплины «Магнитогидродинамика».

4. Форма КМ – Зазачи и дополнительные вопросы на зачете.

5. Характеристика заданий – Расчетно-графическая работа, задача и дополнительный вопрос.

6. Измерение результата контроля. Провести проверку работ студентов с выставлением оценки по пятибалльной шкале за выполнение каждого задания. Итоговая оценка рассчитывается как сумма коэффициентов, соответствующих баллам за выполнение каждого задания согласно таблице.

Оценка	Коэффициент
Отлично (5 баллов)	1,00-0,90
Хорошо (4 балла)	0,90-0.60
Удовлетворительно (3 балла)	0,60-0.40
Неудовлетворительно (2 балла)	<0,40

7. Время, отведенное для выполнения комплекта КМ – 1,0 час

Темы РГР прилагаются.

Составил: д. ф.-м. н.

Приложение. Задания для РГР.

1.Построить зависимость неравновесной электропроводности воздуха при температуре 120, 273, 550, 1200, 2500, 5000, 7000К, и давлении 10 Торр при плотности электронов от внешнего источника в диапазоне 1011¸10151/см3. Для сравнения построить зависимость равновесной проводимости при температуре 1000 ¸12000К.

2.Построить зависимость электропроводности аргона при температуре 160, 290, 580, 1200, 2500, 5000, 7000К, и давлении 10 Торр при плотности электронов от внешнего источника в диапазоне 1011¸10151/см3. Для сравнения построить зависимость равновесной проводимости при температуре 1000 ¸12000К.

3.Построить зависимость неравновесной электропроводности воздуха при температуре 120, 273, 550, 1200, 2500К, и давлении 10 Торр и 760 Торр при заданной плотности электронов от внешнего источника в диапазоне 1011, 1013, 1014, 1015 1/см3 и магнитной индукции 0¸4Тл.

4.Построить зависимость электропроводности аргона при температуре 160, 290, 1200, 2500К, и давлениях 10 Торр и 760 Торр при плотности электронов от внешнего источника в диапазоне 1011¸10151/см3 и магнитной индукции 0¸4Тл.

5.Определить соотношение между силовым (jB) и тепловым (j2/s) эффектами уменьшения числа Маха потока воздуха при изменении магнитной индукции от 0 до 4 Тл. Начальные параметры потока: Рст = 10 Торр, Тст = 120 К, sо = 1, 10, 100 См/м.

6.Определить соотношение между силовым (jB) и тепловым (j2/s) эффектами уменьшения числа Маха потока аргона при изменении магнитной индукции от 0 до 4 Тл. Начальные параметры потока: Рст = 10 Торр, Тст = 120 К, sо = 1, 10, 100 См/м.

7.Рассчитать параметры Фарадеевского МГД генератора на мощность 100 кВт при параметрах потока воздуха: М=1, статическом давлении 1 и10 атм, Тст = 2200 К. плотности электронов 1014 и 1015 1/см3.

8.Рассчитать параметры Фарадеевского МГД генератора на мощность 100 кВт при параметрах потока аргона: М=1, статическом давлении 1 и10 атм, Тст = 2200 К, плотности электронов 1014 и 1015 1/см3.

9.Рассчитать параметры диагонального МГД генератора на мощность 100 кВт при параметрах потока воздуха: М=1, статическом давлении 1 и10 атм, Тст = 2200 К плотности электронов 1014 и 1015 1/см3.

10.Рассчитать параметры диагонального МГД генератора на мощность 100 кВт при параметрах потока аргона: М=1, статическом давлении 1 и10 атм, Тст =2200К, плотности электронов 1014 и 1015 1/см3.

11.Оценить инкремент нарастания ионизационной перегревной неустойчивости при следующих параметрах потока: Рст = 10 Торр, Тст = 300 К, V = 70 м/с, Е = 100 В/см, j = 10 мА/см2.

12.Предложить вариант управления отрывом потока на плоской пластине с помощью МГД воздействия на поток. Рст = 1 атм, Тст = 300 К, V = 100 м/с.