Компьютерная гидродинамика, теплофизика и прочность

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
«УТВЕРЖДАЮ»:
Проректор по учебной работе
_______________________ /Волосникова Л.М.
__________ _____________ 2011г.
КОМПЬЮТЕРНАЯ ГИДРОДИНАМИКА, ТЕПЛОФИЗИКА И
ПРОЧНОСТЬ
Учебно-методический комплекс. Рабочая программа
для студентов направления 223200.62 «Техническая физика»,
очная форма обучения
«ПОДГОТОВЛЕНО К ИЗДАНИЮ»:
Автор работы ________________________/Максимов А.Ю./
«____» ___________ 2011г.
Рассмотрено на заседании кафедры Механики многофазных систем
«______» __________ 2011 г., протокол № _____.
Соответствует требованиям к содержанию, структуре и оформлению.
«РЕКОМЕНДОВАНО К ЭЛЕКТРОННОМУ ИЗДАНИЮ»:
Объем 14 стр.
Зав. кафедрой _________________ /Шабаров А.Б./
«______»___________ 2011 г.
Рассмотрено на заседании УМК ИМЕНИТ «____»______________ 2011 г., протокол
№____.
Соответствует ФГОС ВПО и учебному плану образовательной программы.
«СОГЛАСОВАНО»:
Председатель УМК _________________/Глухих И.Н./
«______»_____________2011 г.
«СОГЛАСОВАНО»:
Зав. методическим отделом УМУ_____________/Федорова С.А./
«______»_____________2011 г.
РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Институт математики, естественных наук и информационных технологий
Кафедра механики многофазных систем
МАКСИМОВ А.Ю.
КОМПЬЮТЕРНАЯ ГИДРОДИНАМИКА, ТЕПЛОФИЗИКА И
ПРОЧНОСТЬ
Учебно-методический комплекс. Рабочая программа
для студентов направления 223200.62 «Техническая физика»,
очная форма обучения
Тюменский государственный университет
2011
Максимов А.Ю. Компьютерная гидродинамика, теплофизика и
прочность.
Учебно-методический
комплекс.
Рабочая
программа
для
студентов направления 223200.62 «Техническая физика», очная форма
обучения. – Тюмень: Тюменский государственный университет, 2011. – 14 с.
Рабочая программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС
ВПО с учетом рекомендаций и ПрООП ВПО по направлению и профилю
подготовки.
Рабочая программа дисциплины (модуля) опубликована на сайте
ТюмГУ:
Компьютерная
гидродинамика,
теплофизика
и
прочность
[электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.umk3.utmn.ru., свободный.
Рекомендовано к изданию кафедрой механики многофазных систем.
Утверждено проректором по учебной работе Тюменского государственного
университета.
Ответственный редактор:
зав. кафедрой механики многофазных систем,
д.т.н., профессор А.Б. Шабаров.
© Тюменский государственный университет, 2011.
© Максимов А.Ю., 2011.
Учебно-методический комплекс. Рабочая программа включает
следующие разделы:
1. Пояснительная записка
Рабочая программа дисциплины «Компьютерная гидродинамика,
теплофизика и прочность» составлена в соответствии с требованиями к
результатам, условиям и структуре подготовки бакалавров по циклу
профессиональных
дисциплин
Федерального
государственного
образовательного стандарта высшего профессионального образования по
направлению: 223200.62 «Техническая физика», очной формы обучения.
Рабочая программа дисциплины «Компьютерная гидродинамика,
теплофизика и прочность» подготовки бакалавров предназначена для
организации обучения студентов третьего курса Института математики,
естественных наук и информационных технологий, которые продолжают
осваивать курс технической физики в качестве основного материала для
лекций, практических занятий и самостоятельной работы по курсу
«Компьютерная гидродинамика, теплофизика и прочность».
Материал представлен с учетом современных достижений и тенденций
развития в области компьютерной гидродинамики, теплофизики и прочности
и имеет прикладную направленность.
Программа рассчитана для преподавания в шестом семестре. Вид
промежуточной аттестации – контрольная работа и зачет. Общая
трудоемкость дисциплины составляет 108 часов, зачетных единиц 3.
1.1 Цели и задачи дисциплины
Цель дисциплины: получение студентами навыков работы с
программными пакетами, выполняющими численные расчеты прикладных
задач гидродинамики, теплофизики и прочности.
Задачи дисциплины:
- изложение студентам принципов работы программных пакетов,
позволяющих выполнять численные расчеты задач гидродинамики,
теплофизики и прочности;
- освоение студентами методов применения рассматриваемых
программных пакетов для расчета различных задач гидродинамики,
теплофизики и прочности;
- приобрести навыки решения задач в программных пакетах,
выполняющих численные расчеты по гидродинамике, теплофизике и
прочности.
1.2 Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата
Дисциплина «Компьютерная гидродинамика, теплофизика и
прочность» – это дисциплина, входящая в дисциплины по выбору
профессионального цикла.
При изучении дисциплины используются знания, полученные
студентами в курсах: «Физика», «Гидрогазодинамика и механика
многофазных систем», «Термодинамика», «Инженерная и компьютерная
графика», «Теплофизика», «Механика», «Информатика» и других.
Освоение
дисциплины
«Компьютерная
гидродинамика,
теплофизика и прочность» необходимо при параллельном и последующем
изучении дисциплин, предусмотренных учебным планом бакалавриата, в
частности, «Строительная теплофизика», «Проектирование и эксплуатация
теплообменных аппаратов», «Сопротивление материалов» и других, а также
для подготовки и написания выпускной квалификационной работы.
1.3 Компетенции выпускника ООП бакалавриата, формируемые в
результате освоения данной ООП ВПО
В результате освоения ООП бакалавриата выпускник должен обладать
следующими компетенциями:

готовностью
использовать
физико-математический
аппарат,
способностью применять методы математического анализа, моделирования,
оптимизации и статистики для решения задач, возникающих в ходе
профессиональной деятельности (ПК-3);

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 (ПК-5);

способностью самостоятельно осваивать современную физическую
аналитическую и технологическую аппаратуру различного назначения и
работать на ней (ПК-10).
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
ЗНАТЬ:
- физические основы гидродинамики, теплофизики и прочности;
- современные программные системы численного решения задач;
УМЕТЬ:
- проводить расчет и анализировать полученные результаты в
современных программных системах численного решения задач;
- применять на практике результаты численного решения для решения
прикладных задач;
- сопоставлять результаты численного решения с экспериментом;
ВЛАДЕТЬ современными программными системами численного
решения задач гидродинамики, теплофизики и прочности, помогающих в
дальнейшем решать инженерно-производственные и научные задачи.
ИМЕТЬ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ о возможности применения полученных
результатов численного решения задач гидродинамики, теплофизики и
прочности на практике.
2. Структура и трудоемкость дисциплины
Данная дисциплина читается в шестом семестре. Форма промежуточной
аттестации – зачет, контрольная работа. Общая трудоемкость дисциплины
составляет – 108 часов, зачетных единиц 3 (лекции – 18 ч., лабораторные
занятия – 36 ч., самостоятельная работа – 54 час.).
3. Тематический план
Таблица 1
1.
2.
Из них в интерактивной
форме
2.
Итого часов по теме
1.
Самостоятельная
работа
2.
Лабораторные
занятия
1.
Лекции
1
3
4
5
6
7
8
9
1-2
2
4
2
8
4
0-10
3-7
4
6
10
14
16
18
30
38
8
12
0-20
0-30
8-10
4
6
14
24
8
0-20
11-12
2
6
4
10
4
18
10
34
4
12
0-10
0-30
13-15
3
6
9
18
6
0-20
16-18
3
6
9
18
6
0-20
6
18
12
36
18
54
36
108
12
36
0-40
0-100
недели семестра
Тема
Виды учебной
работы и
самостоятельная
работа, в час.
2
Модуль 1
Введение в курс «Компьютерная
гидродинамика,
теплофизика
и
прочность».
Сеточные генераторы.
Всего
Модуль 2
Решение задач гидродинамики в
пакетах
конечно-элементного
анализа.
Модели турбулентности.
Всего
Модуль 3
Решение задач теплофизики в
пакетах конечно-элементного
анализа.
Решение задач прочности в пакетах
конечно-элементного анализа.
Всего
Итого за курс:
Итого количество баллов
Тематический план. VI семестр
№
Таблица 2
Виды и формы оценочных средств в период текущего контроля
№ темы
Устный
опрос
Письменные работы
собеседов лабора
ание
торная
работа
Модуль 1
1. Введение в курс «Компьютерная
гидродинамика, теплофизика и
прочность».
2. Сеточные генераторы.
Всего
Модуль 2
Информацион
Итого
ные системы и количество
технологии
баллов
Выполнение другие формы
домашнего
задания
0-5
0-5
0-14
0-19
0-3
0-8
0-10
0-3
0-3
0-20
0-30
3. Решение задач гидродинамики в
пакетах конечно-элементного
анализа.
4. Модели турбулентности.
Всего
Модуль 3
5. Решение задач теплофизики в
пакетах конечно-элементного
анализа.
6. Решение задач прочности в пакетах
конечно-элементного анализа.
Всего
Итого
0-2
0-10
0-5
0-3
0-20
0-5
0-7
0-2
0-12
0-5
0-3
0-6
0-10
0-30
0-2
0-10
0-3
0-5
0-20
0-2
0-10
0-3
0-5
0-20
0-4
0-11
0-20
0-51
0-6
0-19
0-10
0-19
0-40
0-100
Таблица 3
Планирование самостоятельной работы студентов
№
Модули и темы
Модуль 1
1.1 Введение в курс
«Компьютерная
гидродинамика,
теплофизика и
прочность».
1.2 Сеточные генераторы.
Всего по модулю 1:
Модуль 2
2.1 Решение
задач
гидродинамики
в
пакетах
конечноэлементного анализа.
2.2
Модели турбулентности.
Всего по модулю 2:
Виды СРС
обязательные
дополнительные
1. Работа с
учебной
литературой.
2.
Проработка
лекций
1. Работа с
1. подготовка
учебной
трехмерных
литературой.
моделей.
2. Выполнение
домашнего
задания.
3.
Проработка
лекций
Неделя
семестра
Объем
часов
Кол-во
баллов
1-2
6
0-10
3-7
14
0-20
20
1.Работа с
учебной
литературой.
2. Выполнение
домашнего
задания.
3.
Проработка
лекций
1. Работа с
учебной
литературой.
2. Выполнение
домашнего
задания.
3.
Проработка
лекций
1. работа с
дополнительн
ой
литературой
2. подготовка
трехмерных
моделей.
0-30
8-10
10
0-20
11-12
6
0-10
26
0-30
Модуль 3
3.1 Решение задач
теплофизики в пакетах
конечно-элементного
анализа.
3.2
Решение задач
прочности в пакетах
конечно-элементного
анализа.
1.Работа с
учебной
литературой.
2. Выполнение
домашнего
задания.
3.
Проработка
лекций
1.Работа с
учебной
литературой.
2. Выполнение
домашнего
задания.
3.Проработка
лекций
1. подготовка
трехмерных
моделей.
13-15
9
0-20
16-18
9
0-20
18
54
0-40
0-100
1. подготовка
трехмерных
моделей.
Всего по модулю 3:
ИТОГО:
Таблица 4
4. Разделы дисциплины и междисциплинарные связи с
обеспечиваемыми (последующими) дисциплинами
№
п/п
1.
2.
3.
4.
5.
Наименование обеспечиваемых
(последующих) дисциплин
«Численные методы технической
физики»
«Строительная теплофизика»
«Газотурбинные и
комбинированные установки»
«Теплофизика»
«Теория и расчет теплообменных
аппаратов»
Темы дисциплины необходимые для изучения
обеспечиваемых (последующих) дисциплин
1
2
3
4
5
6
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
5. Содержание дисциплины
Содержание дисциплины разбито на следующие темы:
Модуль 1:
Тема 1. Введение в курс «Компьютерная гидродинамика, теплофизика и
прочность».
Описание программных комплексов конечно-элементного анализа и
основные принципы работы в них.
Тема 2. Сеточные генераторы.
Создание и импорт геометрии. Сеточный генератор ANSYS ICEM CFD.
Поверхностные
и
объемные
сетки.
Структурированные
и
неструктурированные сетки. Редактирование сеток. Экспорт сеток. Сеточный
генератор TurboGrid. Основы построения сеток для решения задач
турбомашиностроения.
Модуль 2:
Тема 3. Решение задач гидродинамики в пакетах конечно-элементного
анализа.
Задание начальных и граничных условий. Импортирование сеток.
Распараллеливание вычислений. Визуализация и анализ результатов
полученных с помощью расчета.
Тема 4. Модели турбулентности.
Алгебраические модели турбулентности. Одно- Двух параметрические
модели турбулентности. Модель крупных вихрей. Прямое численное
моделирование.
Модуль 3:
Тема 5. Решение задач теплофизики в пакетах конечно-элементного
анализа.
Стационарный и нестационарный тепловой анализ. Теплопроводность.
Конвекция. Излучение. Основные уравнения и понятия. Импортирование
сеток. Визуализация и анализ результатов полученных с помощью расчета.
Тема 6. Решение задач прочности в пакетах конечно-элементного
анализа.
Конструкционный анализ. Расчет напряжений, деформаций и запаса
прочности деталей. Основные уравнения и понятия. Импортирование сеток.
Визуализация и анализ результатов полученных с помощью расчета.
6. Примерные темы лабораторных работ.
Модуль 1:
Тема 1. Введение в курс «Компьютерная гидродинамика, теплофизика и
прочность».
Лабораторное занятие №1: Введение в курс «Компьютерная
гидродинамика, теплофизика и прочность».
Лабораторное занятие №2: Знакомство с интерфейсом программного
комплекса
конечно-элементного
анализа.
Рассмотрение
базового
функционала программы.
Тема 2. Сеточные генераторы.
Лабораторное занятие №3: Создание и редактирование геометрии
различных объектов в CAD пакетах. Импортирование геометрии в различные
файловые форматы.
Лабораторное занятие №4: Знакомство с интерфейсом сеточного генератора
ICEM CFD. Импорт геометрии в сеточный генератор из CAD пакетов.
Лабораторное занятие №5: Создание неструктурированных сеток в сеточном
генераторе ICEM CFD.
Лабораторное занятие №5: Создание структурированных сеток в сеточном
генераторе ICEM CFD.
Лабораторное занятие №6: Знакомство с интерфейсом сеточного генератора
TurboGrid. Основы построения сеток в программе.
Модуль 2:
Тема 3. Решение задач гидродинамики в пакетах конечно-элементного
анализа.
Лабораторное занятие №7: Знакомство с интерфейсом гидродинамического
модуля программы. Основные принципы задания начальных и граничных
условий.
Лабораторное занятие №8: Расчет течения в Т-образной трубе.
Лабораторное занятие №9: Получение картины отражения скачков
уплотнения при обтекании эллипса.
Лабораторное занятие №10: Расчет обтекания трансзвукового профиля
NASA 0012.
Тема 4. Модели турбулентности.
Лабораторное занятие №11: Расчет обтекания трансзвукового профиля
NASA 0012 (с использованием алгебраических и однопараметрических
моделей турбулентности).
Лабораторное занятие №12: Расчет обтекания трансзвукового профиля
NASA
0012
(с
использованием
двухпараметрических
моделей
турбулентности).
Модуль 3:
Тема 5. Решение задач теплофизики в пакетах конечно-элементного
анализа.
Лабораторное занятие №13: Исследовать теплопроводность корпуса насоса.
Лабораторное занятие №14: Тепловой расчет приспособления для отжига
лопаток.
Лабораторное занятие №15: Расчет поля температур (геометрическая
модель по выбору студента)
Тема 6. Решение задач прочности в пакетах конечно-элементного
анализа.
Лабораторное занятие №16: Расчет на прочность поверхностей с
отверстиями разных диаметров и форм, сравнение полученных результатов
между собой.
Лабораторное занятие №17:Расчет напряжения, деформации и запаса
прочности детали (крышки корпуса генератора)
Лабораторное занятие №18 :Расcчитать упругий прогиб детали
(двутавровой балки)
7. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов
7.1 Оценочные средства для текущего контроля успеваемости,
промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины (модуля)
Данной рабочей программой предусмотрена самостоятельная работа в
объеме 54 часа. В соответствии с Положением о самостоятельной работе
студентов в ГОУ ВПО «Тюменский государственный университет», под
самостоятельной работой студентов (далее СРС) понимается «учебная,
научно-исследовательская и общественно-значимая деятельность студентов,
направленная на развитие общих и профессиональных компетенций, которая
осуществляется без непосредственного участия преподавателя, хотя и
направляется им».
СРС проводится с целью формирования общекультурных и
профессиональных компетенций, понимаемых как способность применять
знания, умения и личностные качества для успешной деятельности в
определенной области, в том числе:
 формирования умений по поиску и использованию справочной и
специальной литературы, а также других источников информации;
 качественного
освоения
и
систематизации
полученных
теоретических знаний, их углубления и расширения по применению
на уровне межпредметных связей;
 формирования умения применять полученные знания на практике (в
профессиональной деятельности) и закрепления практических умений
студентов;
 развития познавательных способностей студентов, формирования
самостоятельности мышления;
 развития
активности
студентов,
творческой
инициативы,
самостоятельности, ответственности и организованности;
 формирования способностей к саморазвитию (самопознанию,
самоопределению,
самообразованию,
самосовершенствованию,
самореализации, саморегуляции);
 развития научно-исследовательских навыков;
 развития навыков межличностных отношений.
Студентам предлагаются следующие формы СРС:
 изучение обязательной и дополнительной литературы;
 выполнение самостоятельных заданий;
 самоконтроль и взаимоконтроль выполненных заданий;
 выполнение самостоятельных заданий на лабораторных занятиях;
 решение задач;
 подготовка ко всем видам контрольных испытаний, в том числе к
текущему контролю успеваемости (в течение семестра),
промежуточной аттестации (по окончании семестра);
 подготовка к итоговой государственной аттестации, в том числе
подготовка к государственным экзаменам, выполнение выпускной
квалификационной работы;
 подготовка к сдаче зачета.
Результаты СРС могут быть представлены в форме реферата по теме.
7.2 Типы заданий для самостоятельной работы (примерные)
1. Проработать лекции.
2. Работа с учебной литературой.
3. Решение задач.
4. Выполнение лабораторных работ.
5. Подготовить презентацию.
6. Подготовить доклад по предложенным темам.
При необходимости обратиться за консультацией к преподавателю.
7.3 Формы текущего контроля и промежуточной аттестации по итогам
освоения дисциплины
В качестве форм текущей аттестации используются такие формы, как
проверка лабораторных работ, решение задач, устные опросы, проверка
домашних заданий.
Промежуточный контроль имеет форму лабораторных работ, решение
задач, в которых оцениваются уровень овладения обучающимися знаниями
по предмету.
В соответствии с Положением о рейтинговой системе оценки
успеваемости студентов в ГОУ ВПО «Тюменский государственный
университет», во время последней контрольной недели семестра
преподаватель подводит итоги работы каждого студента и объявляет
результаты студентам. Однако если студент желает улучшить свой рейтинг
по дисциплине, ему предоставляется право набрать дополнительные баллы –
пересдать лабораторные работы, решить задачи, выполнить дополнительные
задания и т.п.
Поскольку дисциплина преподается в течение одного семестра, для
выставления итоговой оценки на зачете выводится средний балл по
дисциплине. В случае если средний балл составляет менее 61, студенту
предоставляется право сдавать зачет, и оценка выставляется непосредственно
по его результатам.
Итоговый контроль (зачет) проводится в устно-письменной форме.
Зачет включает письменную часть – решение задач по теме. Устная часть
зачета оценивает полученные знания по дисциплине путем собеседования с
преподавателем.
1.
2.
3.
4.
5.
8. Вопросы к зачету
Программные комплексы конечно-элементного анализа. Основные
принципы работы программных комплексов.
Создание геометрии в CAD пакетах. Импорт геометрии в сеточные
генераторы.
Основы построения сеток в сеточном генераторе ANSYS ICEM CFD.
Структурированные и неструктурированные сетки.
Поверхностные и объемные сетки.
6. Основы построения сеток в сеточном генераторе TurboGrid.
7. Редактирование и экспорт сеток.
8. Уравнения неразрывности, сохранения импульса и энергии.
9. Алгебраические модели турбулентности.
10.Однопараметрические модели турбулентности.
11.Двухпараметрические модели турбулентности.
12. Модель крупных вихрей.
13.Прямое численное моделирование.
14.Основные принципы визуализации для задач гидродинамики.
15.Стационарный и нестационарный тепловой анализ.
16.Теплопроводность.
17.Конвекция.
18.Излучение.
19.Основные принципы визуализации для задач теплофизики.
20. Анализ конструкций на прочность.
21.Расчет напряжений, деформаций и запаса прочности деталей.
22.Основные принципы визуализации для задач прочности.
9. Образовательные технологии
В соответствии с требованиями ФГОС при реализации различных
видов учебной работы в процессе изучения дисциплины «Компьютерная
гидродинамика,
теплофизика
и
прочность»
предусматривается
использование в учебном процессе следующих активных и интерактивных
форм проведения занятий:

лекции;

практические занятия;

работа в малых группах.
10. Учебно-методическое обеспечение дисциплины (модуля)
10.1. Основная литература
1. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика: Учеб. пособ.: Для
вузов. В 10т. Т. VI. Гидродинамика. -5-е изд., стереот. - М.: ФИЗМАТЛИТ,
2001. - 736 с.
2. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа: Учеб. для вузов. -7-е изд.,
испр - М.: Дрофа, 2003. - 840 с.
3. Бахвалов Н.С., Жидков Н.П., Кобельков Г.М. Численные методы. - М.:
Лаборатория Базовых Знаний, 2002. - 632 с.
4. Кислицын А.А. Основы теплофизики. - Тюмень, изд-во ТюмГУ, 2002.
5. Александров А.В. Сопротивление материалов. – 3-е изд. испр.- М.:
Высш. шк., 2003.- 560 с.: ил.
10.2. Дополнительная литература
1. Menter F.R. Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering
applications // AIAA Journal. 1994. Vol. 32. No. 8. P. 1598-1605.
2. Sadeghi M., Liu F. Coupled fluid-structure simulation for turbomachinery
blade rows. 43rd AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, 10-13 Jan 2005.
Reno. NV. AIAA 2005-0018. 19 p.
3. Wilcox D.W. Formulation of the k-ω turbulence model revisited // AIAA JVol. 46. No. 11, 2008. P. 2823-2838.
4. Chorin A.J. Numerical solution of the Navier-Stokes equations // Math.
Comput. 1968. Vol. 22. P. 745-762.
10.3. Программное обеспечение и Интернет-ресурсы:
1. eLIBRARY – Научная электронная библиотека (Москва) – http://elibrary.ru/
11. Технические средства и материально-техническое обеспечение
дисциплины (модуля)
Лекционная аудитория с мультимедийным оборудованием,
компьютерный класс для практических занятий.