Программа дисциплины опд. Ф метрология, стандартизация и сертификация направление 140400 "Техническая физика" для студентов специальности 140404
| Вид материала | Программа дисциплины |
- Программа дисциплины в механика жидкости и газa направление 140400 «Техническая физика», 137.64kb.
- Программа дисциплины опд. Ф. 07 Математические методы моделирования физических процессов, 147.72kb.
- Учебно-методический комплекс дисциплина опд. Ф. 06 «Метрология, стандартизация и сертификация», 433.68kb.
- Методические указания «Выполнение практических заданий по дисциплине «Метрология, стандартизация, 636.89kb.
- Рабочая программа дисциплины опд. Ф. 06 Метрология, стандартизация и сертификация (код, 267.94kb.
- Рабочая программа дисциплины опд. Ф. 06 Метрология, стандартизация и сертификация (код, 408.12kb.
- Программа дисциплины сд. Ф тепломассообмен в энергетическом оборудовании для студентов, 326.63kb.
- Программа дисциплины сд. Ф тепломассообмен в энергетическом оборудовании для студентов, 339.47kb.
- Программа дисциплины дс. «Подъемно-транспортные механизмы» Направление подготовки 140400, 88.25kb.
- Программа дисциплины сд. 04 Физико-химические основы обезвреживания радиоактивных отходов, 101.62kb.
3. Содержание дисциплины
3.1. Лекции
Тема 1. Введение. Роль курса в подготовке инженеров физиков - теплоэнергетиков. Предмет и метод термодинамики. Аксиоматика механики жидкости и газа. Термодинамическая система и окружающая среда. Параметры состояния. Термодинамическое равновесие. Система единиц (СИ и техническая). Работа и теплота процесса. Теплоемкость, удельная теплоемкость. Термодинамические процессы. Процессы переноса тепла: теплопроводность, конвекция (вынужденная, свободная), излучение. Физические основы передачи тепла в различных средах. Роль процессов теплообмена в ядерной энергетике. (2 час).
Тема 2. Первое и второе начало термодинамики. Закон сохранения и превращения энергии. Теплота и работа - формы передачи энергии. Работа расширения. Полезная работа. Превращение тепла в работу. Политропный процесс и его анализ. Основные формулировки второго начала термодинамики. Термодинамические циклы. Прямые и обратные циклы. Цикл Карно и его к.п.д. Теорема Карно. Энтропия как функция состояния. Объединенные уравнения первого и второго законов термодинамики. Энтропия идеального газа. Энтропийные диаграммы. Термодинамические циклы в Т-S диаграмме. Абсолютный нуль температуры. Максимальная полезная работа. Эксергия как мера работоспособности. Статистическое истолкование второго начала термодинамики. Пределы применимости второго начала термодинамики. Условия равновесия термодинамических систем. (4 часа).
Тема 3. Термодинамические свойства реальных веществ. Уравнение Ван-дер Вальса. Критические параметры вещества. Парообразование и конденсация. Зависимость давления насыщенного пара от температуры. Теплота фазового перехода. Степень сухости. Плавление. Фазовая диаграмма. Тройная точка. Уравнение Клапейрона-Клаузиса. Таблицы термодинамических свойств воды и водяного пара. Расчет процессов изменения состояния водяного пара по таблицам и диаграммам. Уравнение состояния реальных газов Майера-Боголюбова, вириальные ряды. (4 часа)
Тема 4. Истечение газов. Диффузор и конфузор. Скорость истечения газа из суживающегося сопла. Максимальный расход и критическая скорость истечения. Сопло Лаваля. Уравнение для потока при дросселировании. Техническое применение процесса дросселирования. Дросселирование идеального газа и водяного пара. Дифференциала уравнение адиабатич еского дроссель-эффекта. Температура инверсии (2 часа).
Тема 5. Циклы паротурбинных и холодильных установок. Цикл Карно. Цикл Ренкина. Анализ цикла Ренкина с учетом необратимых потерь. Внутренний и внутренний относительный к.п.д., эффективный к.п.д. установки. Цикл с промежуточным перегревом пара. Цикл ЯЭУ. Регенеративный цикл. Теплофикационные циклы. Бинарные циклы. Обратный цикл Карно. Холодильный коэффициент. Циклы воздушной и паро-компрессионной холодильной установок. Цикл пароэжекторной холодильной установки (5 часа).
Тема 6. Равновесие жидкости и газа. Дифференциальные уравнения гидрогазостатики, их общее решение и частные случаи. Относительное равновесие. Определение сил на плоские и криволинейные поверхности (2 часа).
Тема 7. Уравнение динамики в напряжениях. Замкнутая система динамики жидкости. Особенности классификации сил, действующих в жидкости. Физический смысл компонент тензора напряжений, общность свойств давления в покоящейся и идеальной жидкости. Уравнение динамики в напряжениях. Уравнение неразрывности движения. Уравнение баланса энергии (2 часа).
Тема 8. Кинематика жидкости. Метод Эйлера. Задания движения. Полное ускорение. Разложение движения на квазитвердое и деформационное. Понятие трубки тока и вихревой трубки, их свойства. Объемный и массовый расходы, живое сечение и гидравлический радиус. Понятие средней скорости. Интенсивность вихревой трубки и ее связь с циркуляцией скорости. Кинематика турбулентных течений. Критерий Рейнольдса. Понятие и физический смысл функции тока. Уравнения линий тока через функцию тока. Потенциальные плоские течения. Характеристическая функция течения и примеры простейших течений (2 часа).
Тема 9. Динамика идеальной жидкости. Сопротивление давления. Основные уравнения. Интеграл Бернулли - как частное решение уравнений движения. Уравнение энергии. Примеры применения интеграла Бернулли. Сопротивление давления. Распределение давления вне и внутри плоского вихря. Сопротивление давления при бесциркуляционном и циркуляционном обтекании цилиндра. Кризис сопротивления плохо обтекаемых тел. Одномерное течение газа. Понятие скорости звука и числа М, критическая скорость газа. Связь термодинамических параметров в каналах переменного сечения с числом М. Прямой скачок уплотнения. Связь термодинамических параметров перед и за прямым скачком (4 часа).
Тема 10. Движение вязкой жидкости. Основные уравнения, гидродинамическое подобие. Основные уравнения. Уравнение Навье - Стокса и баланса энергии. Диссипация механической энергии и теплообразование. Неизотермическое движение газа по трубе при наличии сопротивления. Переход ламинарного течения в турбулентное. Критическое число Рейнольдса. Гипотезы турбулентности. Коэффициент “турбулентной вязкости” и его отличие от коэффициента молекулярной вязкости. Гипотезы турбулентности Буссинеска, Прандтля, Кармана. Перенос тепла и вещества при турбулентном движении. Понятие о подобии гидромеханических процессов. Числа и критерии подобия. Принципы моделирования (3 часа).
Тема 11. Одномерные течения вязкой несжимаемой жидкости. Гидравлические сопротивления. Основные свойства плавноизменяющихся движений. Обобщение интеграла Бернулли. На поток конечных размеров. (Уравнение Бернулли для потока). Природа гидравлических сопротивлений. Вычисление местных сопротивлений. Зависимость коэффициента местного сопротивления от числа Рейнольдса. Ламинарное движение в каналах. Распределение скоростей и законы сопротивления. Применение теории “пути смешения” Прандтля к расчету турбулентного течения в круглой трубе. Распределение скоростей и законы сопротивления в гидравлически гладких и шероховатых трубах. Особенности течения на начальных участках каналов. Сопротивление пучка стержней при их продольном обтекании. Профилирование расходов и определение сопротивлений по кассетам (каналам) ядерного реактора. Сопротивление пучка стержней при их поперечном обтекании. Определение минимальной мощности насоса, необходимой для перекачки теплоносителя по разветвленной или кольцевой сети. Прямой и непрямой гидравлический удар в трубах. (2 часа)
Тема 12. Гидродинамический пограничный слой. Затопленные струи. Физическое представление о пограничном слое. Уравнения ламинарного пограничного слоя Л. Прандтля. Понятие о температурном и диффузионном слое. Характерные толщины в пограничном слое. Методы управления пограничным слоем. Свободный пограничный слой. Классификация струй. Структура и закономерности затухания плоских и круглых струй в затопленном пространстве и в спутном потоке. Структура плоской ограниченной струи. Перенос тепла и вещества в струях. Системы струй. Применение струйных расчетных моделей в задачах ядерной энергетики (2часа).
Тема 13. Введение. Физические основы процессов переноса тепла. Основные понятия. Температурное поле. Плотность теплового потока. Коэффициенты теплопроводности, температуропроводности. Плотность источников тепла в ЯЭУ. Гипотеза Фурье. Линейный тепловой поток. Механизм теплопроводности в газах, жидкостях и твердых телах. Теплоотдача (теплообмен) и теплопередача. Формула Ньютона-Рихмана. Коэффициент теплообмена, его физических смысл. тепловой пограничный слой. Теплопередача. Коэффициент теплопередачи. Термические сопротивления теплообмену и теплопередачи. Аналогия с законами электротехники. Процессы массообмена. Закон Фика. Коэффициент массообмена. Аналогия между процессами переноса тепла и массы. Теория размерностей и числа (критерии) подобия. Понимание критериев как отношения двух физических эффектов, отражаемых членами уравнений в дифференциальной форме. Критерии Рейнольдса, Нуссельта, Пекле, Прандтля, Грасгофа, Фруда, Маха, Стэнтона. (2 часа)
Тема 14. Тепловыделение в ядерных реакторах. Источники энергии. Распределение энерговыделения в реакторе. Коэффициенты неравномерности по радиусу, высоте, объему. Неравномерности по сечению твэла и ТВС. Распределение температур в канале с тепловыделением. Уравнение баланса тепла для элемента длины канала. Изменение средней температуры теплоносителя вдоль канала (случаи: однофазного потока, потока с кипением). Распределение температур в цилиндрическом твэле (с оболочкой и газовым зазором). Тепловыделение в конструкциях (в замедлителе, защите, стержнях управления). Изменение интенсивности тепловыделения после отключения реактора. Формула обратных часов. Внутренние источники тепла в конструктивных элементах (топливо, замедлитель, защита, регулирующие органы и др.). Необходимость высокой интенсивности теплообмена. Теплоносители разных классов. Роль гидродинамики потока. Роль нестационарных процессов. Основная задача обоснования надежности конструкций. (2 часа)
Тема 15. Теплопроводность при стационарных процессах. Дифференциальное уравнение теплопроводности. Стационарные и нестационарные процессы. Внутренние источники тепла. Условия однозначности. Граничные условия 1, 2, 3 рода. Распределения температуры в телах разной формы. Исходные уравнения. Поле температуры в пластине без- и с внутренними источниками тепла при разных граничных условиях (1, 3 рода). Многослойная плоская стенка. Поле температуры в цилиндрической стенке, сплошном цилиндре, шаре с тепловыделением. Методы измерения коэффициента теплопроводности (по результатам лабораторных работ). Перенос тепла в ребрах. распределение температуры в ребре. Тепловой поток через основание ребра. Коэффициент эффективности ребра. Условия, при которых выгодно иметь ребристую поверхности. Теплоотдача через плоскую ребристую стенку.(2 часа)
Тема 16. Нестационарные процессы теплопроводности. Основное уравнение теплопроводности нестационарных процессов. Приведение его к безразмерному виду. Безразмерные переменные. Охлаждение (нагревание) тела без внутреннего термического сопротивления. Изменение температуры во времени. Количество тепла, отдаваемое или воспринимаемое телом. Поля температуры в телах простой формы (пластина, цилиндр, шар). Дифференциальное уравнение. Граничные условия. Роль критерия Био, его физический смысл. Температурные волны. Изменение амплитуды колебаний температуры с увеличением глубины и частоты колебаний. Время запаздывания, скорость распространения волны и ее длина. Регулярные тепловые режимы. Две стадии охлаждения (нагревания) тела (2 часа).
Тема 17 Конвективный теплообмен в однофазных средах при вынужденном течении
Основные положения. Гидродинамический, тепловой и диффузионный пограничные слои. Вынужденная и свободная конвекция. Оценка толщины ламинарного гидродинамического пограничного слоя. Термическое сопротивление теплообмену и распределение температур в средах с различными числами Прандтля. Дифференциальные уравнения конвективного теплообмена. Условия однозначности. Особенности теплообмена при ламинарном и турбулентном течениях. Пульсации скорости и температуры в турбулентном потоке. Осреднение скорости и температуры по сечению канала. Изменения средней температуры жидкости вдоль обогреваемого канала.
Подобие и моделирование тепловых процессов. Задача теории подобия. Теоремы подобия. Нахождение безразмерных величин с помощью теории размерностей и обработка результатов эксперимента с их помощью. Примеры соотношений. Выбор определяющих размеров и температур.
Основы теорий теплообмена. Соотношение теории и эксперимента. теплообмен при ламинарном течении в трубе. турбулентный перенос тепла и количества движения. Уравнения Рейнольдса, их осреднение. Полуэмпирические методы замыкания уравнений Рейнольдса. Коэффициенты турбулентного переноса: турбулентная вязкость и теплопроводность. Турбулентное число Прандтля. турбулентный перенос в вязком подслое. Факторы, вызывающие свободное движение. Характер движения среды вдоль вертикальной поверхности. Оценка скорости течения при свободной конвекции. распределения температур и скоростей. Число Грасгофа. Параллельная и встречная свободная конвекция (3 часа).
Тема 18 Процессы диффузии. Основные механизмы процесса диффузии. Типы диффузии: концентрационная, термодиффузия. Коэффициент диффузии. Тройная аналогия, соотношения для переноса тепла, количества движения, массы. Аналогия между переносом массы и переносом тепла. Диффузионные числа Нуссельта, Пекле, Шмидта. Конвективный массообмен в пограничном слое. Три области пограничного слоя. Коэффициент турбулентной диффузии. Малые и большие скорости массопереноса. Массоперенос в контурах. Перенос примесей и образование отложений. Растворение в объеме неподвижной среды. Растворение материала стенки потоком. Распределение концентрации примесей по контуру. Динамика образования отложений на поверхности. (2 часа)
Тема 19 Конденсация. Физические процессы при конденсации. Условия возникновения процесса конденсации пара. Центры конденсации. Переохлаждение пара, критический радиус зародыша капли. Процессы: подвод пара к поверхности, фазовый переход, отвод тепла, отвод жидкости. Коэффициент конденсации. Термическое сопротивление фазового перехода. Коэффициент конденсации. Кривая конденсации. Капельная конденсация. Центры конденсации. Три составляющих суммарного термического сопротивления теплообмену (сопротивление фазового перехода, капли, эффект их взаимного влияния). Предельные случаи. Расчет теплообмена. Пленочная конденсация неподвижного сухого пара. Режимы течения пленки. Ламинарное течение пленки, теория Нуссельта, поправки к теории. Ламинарно-волновой и турбулентно-волновой режимы. Пленочная конденсация движущегося пара на вертикальной поверхности, влияние направления движения пара на коэффициент теплообмена. Горизонтальная труба и пучки труб. Характер обтекания пучков труб. Конденсация внутри трубы. Конденсация из парогазовой смеси. Распределение парциального давления пара. Встречные потоки парогазовой смеси и газа. Влияние газового барьера у стенки на коэффициент теплообмена. Поле температуры у поверхности. Расчетные соотношения для теплообмена. Интенсификация теплообмена при конденсации. Виды кипения - пузырьковое, пленочное. Кризис теплообмена. перегрев жидкости перед началом кипения и наличие центров парообразования - условия возникновения паровой фазы. Влияние смачиваемости стенки жидкостью и краевой угол. Критический радиус парового зародыша. Зарождение, рост и движение паровых пузырей. Капиллярная постоянная. Кипение в большом объеме. Кривая кипения. Пузырьковое кипение, две составляющих теплового потока. Влияние давления, шероховатости, отложений, свойств материала. Расчетные соотношения. Термодинамическое подобие. Кризис теплообмена. Термодинамическая и гидродинамическая теории кризиса. Кризис при кипении металлов. Теплообмен при пленочном кипении, механизмы теплообмена. Толщина пленки пара.
Тема 19 Гидродинамика и теплообмен двухфазных потоков. Основные положения Гомогенные и гетерогенные, адиабатные и диабатные газожидкостные (парожидкостные) потоки. Термодинамически равновесные и неравновесные потоки. Приведенные скорости. Объемное, массовое, истинное паросодержание. Коэффициент скольжения. Скорость циркуляции. Массовая скорость. Формы, режимы течения двухфазных потоков в вертикальных и горизонтальных трубах. Распределение фаз и скоростей. Расчет истинных паросодержаний. Теплообмен в газожидкостном потоке без испарения. Теплообмен в парогенерирующих каналах. Начало кипения. Процессы теплообмена в различных зонах парогенерирующего канала (зона подогрева, поверхностного кипения, развитого кипения, высыхания пленки, кризиса, закризисная). Изменение температуры жидкости, стенки, паросодержания (массового, балансного, истинного) по длине трубы. Кипение парожидкостной смеси. Зависимость интенсивности теплообмена от скорости смеси, объемного паросодержания и плотности теплового потока. Особенности теплообмена при кипении металлов. Расчетные соотношения. Теплообмен в закризисной зоне парожидкостного потока. Структура потока. Термодинамическая неравновесность потока. Распределение температур в поперечном сечении канала. Расчет температуры пара. Теплообмен перегретого пара. Изменение свойств пара с температурой.(2 часа)
Тема 19 Кризисы теплообмена при кипении в каналах. Общие положения. Кризис теплообмена как совокупность разных процессов. Механизмы кризиса в круглых трубах в потоке недогретой жидкости (с разными величинами недогрева), пузырьковом режиме, в дисперсно-кольцевом и дисперсном потоках. Кризис в потоке паро-металлической смеси. Диаграмма уноса и сопоставление ее с зависимостью критического теплового потока (КТП) от массового содержания. Сложный характер зависимости КТП от паросодержания (пять зон). Змеевиковые трубы. Условия наступления кризиса в разных режимах. Роль гравитационных и центробежных сил. Изменение места кризиса при разных массовых скоростях и давлениях. Кольцевые каналы. КТП при разных способах подвода тепла. Влияние ширины кольцевого зазора на КТП. Пучки стержней. Метод ячеек. Влияние геометрии и наличия необогреваемых поверхностей. Перемешивание в пучках. Влияние длины канала. Учет неравномерного тепловыделения по длине и сечению ТВС. Роль дистанционирующих решеток. Влияние различных факторов на кризис. Методы интенсификации теплообмена (турбулизация потока, закрутка). Влияние шероховатости поверхности и отложений. Моделирование кризиса. Правила пересчета КТП на разные жидкости. (2 часа)
Тема 20 Теплообмен излучением. Основные понятия. Спектр излучения. Поглощательная, отражательная, пропускная способности тел. Интегральное, монохроматическое излучение. Излучательная способность, яркость. Спектральная излучательная способность. Виды излучения - собственное, падающее, поглощенное, отраженное, эффективное, результирующее, их взаимная связь. Законы теплового излучения для абсолютно черного тела (Планка, Релея-Джинса, Вина, Стефана-Больцмана, Кирхгофа, Ламберта). Черные температуры - радиационная, цветовая, яркостная. Радиационные характеристики. Излучательные, поглощательные и отражательные характеристики реальных тел (металлов, диэлектриков, газов). Полусферическая излучательная способность. Прозрачность тел для теплового излучения. Теплообмен излучением между телами (в прозрачной среде, при наличии экранов, при произвольном расположении поверхностей). Угловые коэффициенты, расчетная поверхность. Теплообмен между телом и оболочкой. Коэффициент теплообмена излучением. Теплообмен в поглощающих и излучающих средах. Оптическая толщина среды. Особенности излучения газов и паров. Спектры излучения газов и их суммарное излучение. (2 часа)
3.2. Практические и семинарские занятия
| Раздел(ы) | Тема практического или семинарского занятия | Литература | Число часов |
| | | | |
| | | | |
| | | | |
| | | | |
3.3. Лабораторный практикум
| Раздел(ы) | Тема практического или семинарского занятия | Число часов |
| | Определение изобарной теплоемкости воздуха при атмосферном давлении | 2 |
| | Исследование зависимости между термическими параметрами углекислого газа | 2 |
| | Методика измерения скорости в потоке при помощи трубки Пито - Прандтля и изучение зависимости показания трубки от угла между ее осью и направлением скорости | 2 |
| | Визуальное наблюдение ламинарного и турбулентного режимов движения жидкости. Определение числа Рейнольдса. | 2 |
| | Геометрическая интерпретация уравнения Бернулли | 2 |
| | Определение коэффициентов сопротивлений по длине круглой трубы и в каналах некруглого сечения. | 2 |
| | Определение коэффициентов расхода при истечении жидкости из малых отверстий и из насадков | 2 |
| | Определение коэффициента теплопроводности твердых материалов методом пластины | 2 |
| | Определение коэффициента теплопроводности вещества методом регулярного режима 2 рода | 2 |
| | Теплоотдача при вынужденном движении воздуха в трубе | 2 |
| | Теплоотдача горизонтального цилиндра при естественной конвекции | 2 |
| | Теплоотдача вертикального цилиндра при естественной конвекции | 2 |
| | Определение коэффициента излучения твердого тела калориметрическим методом | 2 |
| | Исследование работы теплообменного аппарата | 2 |