Рабочая программа для аспирантов специальности 05.04.12  «Турбомашины и комбинированные турбоустановки» очной и заочной форм обучения, 2011 г

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

«УТВЕРЖДАЮ»:

И. о. проректора-начальник

управления по научной работе

_______________________

__________  _____________ 2011 г.

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТУРБОМАШИН


Учебно-методический комплекс.

Рабочая программа для аспирантов специальности 05.04.12 

«Турбомашины и комбинированные турбоустановки»

Очной и заочной форм обучения

«ПОДГОТОВЛЕНО К ИЗДАНИЮ»:

Автор (ы) работы _____________________________//

«30» августа 2011г.

Рассмотрено на заседании кафедры механики многофазных систем «03» сентября 2011 г., протокол № 2.

Соответствует требованиям к содержанию, структуре и оформлению.

«РЕКОМЕНДОВАНО К ЭЛЕКТРОННОМУ ИЗДАНИЮ»:

Объем 12 стр.

Зав. кафедрой ______________________________//

«______»___________ 2011 г.

Рассмотрено на заседании УМК ИМЕНИТ «___»______________2011 г., протокол № _____.

Соответствует ФГОС ВПО и учебному плану образовательной программы.

«СОГЛАСОВАНО»:

Председатель УМК ________________________//

«______»_____________2011г.

«СОГЛАСОВАНО»:

Нач. отдела аспирантуры

и докторантуры_____________

«______»_____________2011 г.

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

Государственное образовательное учреждение

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

высшего профессионального образования

ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Институт математики, естественных наук и информационных технологий

Кафедра Механики многофазных систем



МАКСИМОВ А. Ю.

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТУРБОМАШИН


Учебно-методический комплекс.

Рабочая программа для аспирантов специальности 05.04.12 

Турбомашины и комбинированные турбоустановки

Очной и заочной форм обучения

Тюменский государственный университет

2011

       . Компьютерное моделирование турбомашин. Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для аспирантов специальности 05.04.12 Турбомашины и комбинированные турбоустановки, очная и заочная форма обучения. Тюмень, 2011, 12 стр.

Рабочая программа составлена в соответствии с ФГТ к структуре основной профессиональной образовательной программы послевузовского профессионального образования (аспирантура).

Рабочая программа дисциплины (модуля) опубликована на сайте ТюмГУ: Компьютерное моделирование турбомашин [электронный ресурс] / Режим доступа: http://www. umk3.utmn. ru., свободный.

Рекомендовано к изданию кафедрой Механики многофазных систем. Утверждено и. о. проректора-начальника управления по научной работе Тюменского государственного университета. 

Ответственный редактор:        зав. кафедрой механики многофазных систем, д. т.н., профессор .

© Тюменский государственный университет, 2011.

© , 2011.

Учебно-методический комплекс. Рабочая программа включает следующие разделы:

Пояснительная записка Цели и задачи дисциплины (модуля)

Цель дисциплины -  дать аспирантам знания, навыки и умения по компьютерному моделированию турбомашин, знание основ проектирования и эксплуатации турбомашин.

Задачи учебного курса:

    изучение основ автоматизированного проектирования и эксплуатации турбомашин; изучение термодинамических циклов и конструктивных схем; расчет элементов турбомашин, разработка вариантов решения и их анализ; исследование динамики и прочности элементов турбомашин; изучение процессов теплообмена в элементах турбомашин; обработка результатов численного моделирования турбомашин.

Место дисциплины в структуре ОПППО

Дисциплина «Компьютерное моделирование турбомашин» – это специальная дисциплина по выбору аспирантов.

При изучении курса используются знания, полученные аспирантами при изучении в специалитете или бакалавриате курсов: «Физика», «Математический анализ», «Теплофизика»,  «Термогазодинамика», «Инженерная и компьютерная графика», «Математическая физика и механика сплошных сред», «Материаловедение», «Численные методы технической физики», «Теория и детали машин и механизмов» и т. д.

1.3. Требования к результатам освоения дисциплины:

Процесс изучения дисциплины направлен на формирование следующих компетенций:

    готовностью и способностью использовать фундаментальные законы природы и основные законы естественно-научных дисциплин в профессиональной деятельности; способностью понимать сущность и значение информации в развитии современного информационного общества, сознавать опасности и угрозы, возникающие в этом процессе, соблюдать основные требования безопасности, в том числе защиты государственной тайны; способность вскрыть физическую, естественнонаучную сущность проблем, возникающих в ходе профессиональной деятельности, провести их качественный и количественный анализ; способность осуществлять научный поиск и разработку новых перспективных подходов и методов к решению профессиональных задач, готовность к профессиональному росту, к активному участию в научной и инновационной деятельности, конференциях, выставках и презентациях.

В результате освоения дисциплины аспирант должен:

Знать:

- принципы работы, технические характеристики, конструктивные особенности разрабатываемых элементов и узлов турбомашин;

- методы проведения технических расчетов динамики и прочности элементов, узлов турбомашин;

- методы исследования элементов и узлов турбомашин;

- методы конструирования и проектирования элементов и узлов турбомашин;

- основы численного моделирования и расчет характеристик турбомашин.

Уметь:

- выполнять инженерные расчёты элементов и узлов турбомашин, в том числе численно;

- работать с конструкторской документацией,  технической литературой, справочниками;

- планировать исследования и выполнение численных расчетов в области динамики и прочности турбомашин.

Владеть:

-  программными комплексами конечно-элементного анализа;

- методами расчёта основных характеристик ступеней турбомашин;

- приёмами построения расчётных сеток для решения задач турбомашиностроения.

2. Структура и трудоемкость дисциплины

Данная дисциплина читается в третьем семестре. Форма промежуточной аттестации – зачет, контрольная работа и  реферат по теме диссертационного исследования. Общая трудоемкость дисциплины составляет – 180 часов, зачетных единиц 5 (лекции – 36 ч., лабораторные занятия – 18 ч., самостоятельная работа – 126 час.).

3.Тематический план.

Таблица 1.

Тематический план

№

Тема

Всего часов

виды учебной работы и самостоятельная работа, в час.

 из них в интерактивной форме

Фор-мы конт-роля

лекции*

семинарские (практические) занятия*

лабораторные занятия*

самостоятельная работа*

1

2

3

4

5

8

6

7

8

1

1. Основные сведения и принципы работы турбомашин

20

4

2

14

4

2

2. Тепловые циклы турбинных установок

20

4

2

14

4

с/р

3

3. Течение рабочего тела в решётках профилей

20

4

2

14

4

4

4. Теплообмен в элементах турбомашин

20

4

2

14

4

5

5. Решетки турбомашин

20

4

2

14

4

с/р

6

6. Численные методы интегрирования уравнений сохранения

20

4

2

14

4

7

7. Расчётные сетки

20

4

2

14

4

с/р

8

8. Пространственные турбулентные течения в решетках турбомашин

20

4

2

14

4

к/р

9

9. Вынужденные колебания и оценка вибрационных напряжений и  усталостной прочности лопаток

20

4

2

14

4

Итого:

180

36

18

126

из них часов в интерактивной форме

36

12

6

18

36

Таблица 2.

Планирование самостоятельной работы аспирантов (СРА)

№

Темы

Виды СРА

Объем часов

обязательные

дополнительные

1.

Основные сведения и принципы работы турбомашин

1. Работа с учебной литературой.

2. Проработка лекций

3. Подготовка к лабораторному занятию

14

2.

Тепловые циклы турбинных установок

1. Работа с учебной литературой.

2. Проработка лекций

3. Подготовка к лабораторному занятию

1. работа с дополнительной литературой

14

3.

Течение рабочего тела в решётках профилей

1. Работа с учебной литературой.

2. Проработка лекций

3. Подготовка к лабораторному занятию

1. работа с дополнительной литературой

14

4.

Теплообмен в элементах турбомашин

1. Работа с учебной литературой.

2. Проработка лекций

3. Подготовка к лабораторному занятию

1. работа с дополнительной литературой

14

5.

Решетки турбомашин

1. Работа с учебной литературой.

2. Проработка лекций

3. Подготовка к лабораторному занятию

1. работа с дополнительной литературой

14

6.

Численные методы интегрирования уравнений сохранения

1. Работа с учебной литературой.

2. Проработка лекций

3. Подготовка к лабораторному занятию

1. работа с дополнительной литературой

14

7.

Расчётные сетки

1. Работа с учебной литературой.

2. Проработка лекций

3. Подготовка к лабораторному занятию

1. работа с дополнительной литературой

14

8.

Пространственные турбулентные течения в решетках турбомашин

1. Работа с учебной литературой.

2. Проработка лекций

3. Подготовка к лабораторному занятию

1. работа с дополнительной литературой

14

9.

Вынужденные колебания и оценка вибрационных напряжений и  усталостной прочности лопаток

1. Работа с учебной литературой.

2. Проработка лекций

3. Подготовка к лабораторному занятию

1. работа с дополнительной литературой

14

ИТОГО:

126


Разделы дисциплины и междисциплинарные связи с обеспечиваемыми (последующими) дисциплинами

№ п/п

Наименование обеспечиваемых (последующих) дисциплин

Темы дисциплины необходимые для изучения обеспечиваемых (последующих) дисциплин

1

2

3

4

5

6

7

8

9

1.

Подготовка кандидатской диссертации к защите

+

+

+

+

+

+

+

+

Содержание дисциплины.

Тема 1. Основные сведения и принципы работы турбомашин. Существующие типы турбинных (паровых, газовых, гидравлических) и компрессорных установок, принцип их действия. Области применения турбинных и компрессорных установок, современный уровень параметров рабочего тела в турбомашинах, состояние развития их в России.

Тема 2. Тепловые циклы турбинных установок. Тепловые циклы турбоустановок. Основные схемы паротурбинных, газотурбинных и парогазовых установок. Особенности пиковых и полупиковых турбоустановок. Экономичность турбоустановки и энергоблока. Влияние параметров рабочего тела на экономичность цикла. Комбинированная выработка тепла и электроэнергии.

Тема 3. Течение рабочего тела в решётках профилей. Основные уравнения движения вязкого сжимаемого и несжимаемого рабочего тела. Уравнения движения двухфазного рабочего тела. Потери энергии при обтекании решёток. Турбинные и компрессорные решётки. Методы расчета обтекания решёток профилей.

Тема 4. Теплообмен в элементах турбомашин. Основные уравнения теплопроводности и конвективного теплообмена. Теплообмен при фазовых превращениях. Теплообмен при проникающем охлаждении и газовых завесах. Распределение температуры в охлаждаемых турбинных лопатках, роторах и корпусах. Методы решения задач теплопроводности и теплообмена применительно к основным деталям турбин. Конструкции охлаждаемых лопаток газовых турбин.

Тема 5. Решетки турбомашин. Турбинные и компрессорные решетки, их классификация. Геометрические и аэродинамические характеристики решеток турбомашин. Методы плоского, осесимметричного и пространственного расчета решеток. Профильные и концевые потери в решетках, методы их расчета. Нестационарные течения в решетках турбомашин. Переменные, аэродинамические силы. Флаттер и помпаж.

Тема 6. Численные методы интегрирования уравнений сохранения.

Метод конечных разностей. Метод контрольного объема. Метод расчёта давления. Методы решения систем линейных алгебраических уравнений.

Тема 7. Расчётные сетки.

Создание геометрии в CAD системах, импорт и экспорт математических моделей. Сеточные генераторы. Структурированные и неструктурированные сетки. Создание и редактирование структурированных сеток для задач турбомашиностроения. Экспорт сеток из сеточных генераторов в пакеты конечно-элементного анализа.

Тема 8. Пространственные турбулентные течения в решетках турбомашин.

Основные уравнения движения жидкости. Уравнение неразрывности. Уравнение расхода. Уравнения движения в форме Эйлера, Громеко-Лэмба и Навье – Стокса. Уравнение энергии и его формы. Течение вязкой жидкости. Точные решения уравнений Навье - Стокса. Ламинарный и турбулентный типы течения. Способы осреднения турбулентных потоков и их основные характеристики. Уравнение Рейнольдса. Пограничный слой. Пути решения уравнений для пограничного слоя. Модели турбулентности. Отрыв пограничного слоя и пути его предотвращения. Численные решения задач гидрогазодинамики.

Тема 9. Вынужденные колебания и оценка вибрационных напряжений и  усталостной прочности лопаток.

Вынужденные колебания лопаток и оценка вибрационных напряжений и усталостной прочности лопаток. Методы обеспечения вибрационной надежности рабочих лопаток.


Темы лабораторных работ. (Лабораторный практикум)

Тема 1. Принципы работы турбомашин (2 часа).

Тема 2. Расчёт КПД турбины, компрессора (2 часа).

Тема 3. Параметры турбулентности в проточной части (2 часа).

Тема 4. Расчёт распределения температуры в охлаждаемых лопатках турбин (2 часа).

Тема 5. Плоский, осесимметричный и пространственный расчет решеток турбомашин (2 часа).

Тема 6. Численные методы интегрирования уравнений сохранения (2 часа).

Тема 7. Создание расчётных сеток решёток турбомашин (2 часа).

Тема 8. Моделирование пространственных турбулентных течений  в решетках турбомашин (2 часа).

Тема 9. Моделирование колебаний и оценка вибрационных напряжений и усталостной прочности лопаток. (2 часа).



Примерная тематика рефератов. Темы рефератов формируются в зависимости от тем научного исследования аспирантов. Тема реферата может являться главой диссертации (расчет основных параметров, создание методики газодинамического расчет и др.). Объем реферата – 30-50 страниц. Реферат сдается на проверку преподавателю за 2 недели до окончании курса, после проверки защищается на зачетном занятии. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы аспирантов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины (модуля).

8.1. Примерные задачи для самостоятельных и контрольной работы

Задача 1: Произвести расчёт турбины двухвального ТРДФ. Имея исходные данные определить работу ступени и величину параметра мt.

Задача 2: Произвести расчёт турбины двухвального ТРДД. Имея исходные данные определить КПД ступеней, расход газа при входе в турбину.

Задача 3: Определить при помощи расчёта характеристики осевого компрессора. КПД, мt, распределение числа Маха в решетке.

Задача 4: Определение параметров течения в системе охлаждения сопловой лопатки ТВД.

8.2. Примерные вопросы для зачета

Основные сведения и принципы работы турбомашин. Существующие типы турбинных (паровых, газовых, гидравлических) и компрессорных установок, принцип их действия. Области применения турбинных и компрессорных установок, современный уровень параметров рабочего тела в турбомашинах, состояние развития их в России. Тепловые циклы турбинных установок. Тепловые циклы турбоустановок. Основные схемы паротурбинных, газотурбинных и парогазовых установок. Особенности пиковых и полупиковых турбоустановок. Экономичность турбоустановки и энергоблока. Влияние параметров рабочего тела на экономичность цикла. Комбинированная выработка тепла и электроэнергии. Течение рабочего тела в решётках профилей. Основные уравнения движения вязкого сжимаемого и несжимаемого рабочего тела. Уравнения движения двухфазного рабочего тела. Потери энергии при обтекании решёток. Турбинные и компрессорные решётки. Методы расчета обтекания решёток профилей. Теплообмен в элементах турбомашин. Основные уравнения теплопроводности и конвективного теплообмена. Теплообмен при фазовых превращениях. Теплообмен при проникающем охлаждении и газовых завесах. Распределение температуры в охлаждаемых турбинных лопатках, роторах и корпусах. Методы решения задач теплопроводности и теплообмена применительно к основным деталям турбин. Конструкции охлаждаемых лопаток газовых турбин. Решетки турбомашин. Турбинные и компрессорные решетки, их классификация. Геометрические и аэродинамические характеристики решеток турбомашин. Методы плоского, осесимметричного и пространственного расчета решеток. Профильные и концевые потери в решетках, методы их расчета. Нестационарные течения в решетках турбомашин. Переменные, аэродинамические силы. Флаттер и помпаж. Численные методы интегрирования уравнений сохранения. Метод конечных разностей. Метод контрольного объема. Метод расчёта давления. Методы решения систем линейных алгебраических уравнений. Расчётные сетки. Создание геометрии в CAD системах, импорт и экспорт математических моделей. Сеточные генераторы. Структурированные и неструктурированные сетки. Создание и редактирование структурированных сеток для задач турбомашиностроения. Экспорт сеток из сеточных генераторов в пакеты конечно-элементного анализа. Пространственные турбулентные течения в решетках турбомашин. Основные уравнения движения жидкости. Уравнение неразрывности. Уравнение расхода. Уравнения движения в форме Эйлера, Громеко-Лэмба и Навье – Стокса. Уравнение энергии и его формы. Течение вязкой жидкости. Точные решения уравнений Навье - Стокса. Ламинарный и турбулентный типы течения. Способы осреднения турбулентных потоков и их основные характеристики. Уравнение Рейнольдса. Пограничный слой. Пути решения уравнений для пограничного слоя. Модели турбулентности. Отрыв пограничного слоя и пути его предотвращения. Численные решения задач гидрогазодинамики. Вынужденные колебания и оценка вибрационных напряжений и  усталостной прочности лопаток. Вынужденные колебания лопаток и оценка вибрационных напряжений и усталостной прочности лопаток. Методы обеспечения вибрационной надежности рабочих лопаток.
Образовательные технологии.

В соответствии с требованиями ФГОС при реализации различных видов учебной работы в процессе изучения дисциплины «Компьютерное моделирование турбомашин» предусматривается использование в учебном процессе следующих активных и интерактивных форм проведения занятий:

    лекции; практические занятия; работа в малых группах.

Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины (модуля).   Основная литература: , Шабаров . – Тюмень, изд-во ТюмГУ, 2008. , , и др. Численное моделирование течений в турбомашинах. Новосибирск: Наука, 2006. - 202 с. , Сандрацкий двигатели. – Пермь: , 2006. – 1204 с. , Лифшиц физика: Учеб.  пособ.: Для вузов. В 10т. Т. VI. Гидродинамика. -5-е изд., стереот. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2001. - 736 с. Лойцянский жидкости и газа: Учеб. для вузов. -7-е изд., испр - М.: Дрофа, 2003. - 840 с.

10.2  Дополнительная литература:

1. Кислицын теплофизики. - Тюмень, изд-во ТюмГУ, 2002.

Нигматулин многофазных сред. Ч. I.- М.: Наука, 1985. – 464с.

2. , Леонтьев и трение в турбулентном пограничном слое. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 320с.

3. Лыков (Справочник). - М.: Энергия, 1971.

4. Лыков теплопроводности. М.: Высшая школа, 1967.

5. ычислительные методы в динамике жидкостей: В 2-х томах. Пер. с англ. . - М.: Мир, 1991. - 504 с.

6. Гостелоу Дж. Аэродинамика решеток турбомашин: Пер. с англ. - М.: Мир, 1987. - 392 с.

Периодические издания:

1. Журнал «Прикладная механика и техническая физика» (2004-2009 гг.).

2.Журнал «Известия высших учебных заведений: ежемесячный научный журнал: Физика» (2004-2011 гг.)

3.Журнал «Инженерно-физический журнал» 2005-2011 гг.

4. Журнал «Нефть России: аналитич. журн./ Учредитель ООО "Нефтяная компания "ЛУКОЙЛ"". - Москва: ООО "Ойл Пресс", 1994 2008-2012 гг.

10.3. Программное обеспечение и Интернет – ресурсы:

Электронная библиотека Попечительского совета механико-математического факультета Московского государственного университета http://lib. mexmat. ru; eLIBRARY – Научная электронная библиотека (Москва) http://elibrary. ru/; www. libtech. ru – учебная электронная библиотека «Нефть и газ».

4.http://spiedl. org/ - SPIE Digital Library

Консорциум НЭИКОН предоставил ТюмГУ доступ на электронную библиотеку SPIE Digital Library

Открыт доступ к 7 журналам SPIE Digital Library на английском языке. Биюлиотека насчитывает 260 000 статей, охватывающих информационные технологии, защиту и промышленный контроль, микро и нанотехнологии, электронную обработку изображений и данных, оптику и электрооптику.

5. http://www. – открыт доступ к электронным ресурсам издательства Springer по программе консорциума МЦНТИ – ICSTI Resource Network

SpringerLink – уникальная по тематическому содержанию электронная коллекция научных и технологических журналов, книг, а также ссылок на научные работы. Доступ применим ко всем электронным книгам Springer ( с 2005 по н/в) и электронным журналам (с 1997 по н/в) в течении тестового периода по всем тематическим коллекциям

6.www. /prod/

Справочники по химии

7.http://thomson. /nano

Thomson Collexis Dashboard – система поиска информации по нанотехнологии. Предоставлена информация по 35508 публикациям и 82595 специалистам

8.www.

Справочники и книги

9.http://www. /htbin/dbrng. cgi? username=XXXX&access=XXXX

CSA Technology research databases – реферативные базы данных

10.http://www.

Questel Patent – базы  данных, содержащие информацию об интеллектуальной собственности. Коллекция патентного фонда насчитывает свыше 50 миллионов документов из 80 стран и международных патентных ведомств

Технические средства и материально-техническое обеспечение дисциплины (модуля).

Лекционная аудитория с мультимедийным оборудованием, компьютерный класс для лабораторных занятий, лекционная аудитория.