(направление - Физика и астрономия)

3
Программа вступительного испытания по специальной дисциплине сформирована на основе федеральных государственных образовательных стандартов высшего
образования по программам специалитета и магистратуры и содержит основные разделы дисциплины, перечень вопросов, рекомендуемую литературу и формы проведения вступительного испытания. В основу программы положены следующие дисциплины: «Термодинамика», «Основы тепло- массообмена», «Гидрогазодинамика».
Введение в термодинамику
1. Термодинамика и ее методы. Параметры состояния. Понятие о термодинамическом процессе. Идеальный газ. Законы идеального газа. Смеси идеальных газов.
2. Первый закон термодинамики. Теплота. Опыт Джоуля. Эквивалентность теплоты и работы. Закон сохранения и превращения энергии. Внутренняя энергия и
внешняя работа. Энтальпия. Уравнение первого закона термодинамики.
3. Второй закон термодинамики. Циклы. Понятие термического КПД. Источники
теплоты. Обратимые и необратимые процессы. Формулировка второго закона термодинамики. Цикл Карно. Теорема Карно. Энтропия. Изменение энтропии в необратимых процессах.
4. Дифференциальные уравнения термодинамики. Основные математические
методы термодинамики. Уравнение Максвелла. Частные производные внутренней
энергии и энтальпии. Теплоемкости.
5. Равновесие термодинамических систем и фазовые переходы. Гомогенные и
гетерогенные термодинамические системы. Термодинамическое равновесие. Условия
фазового равновесия. Фазовые переходы. Уравнение Клапейрона-Клаузиуса.
6. Термодинамические свойства веществ. Термические и калорические свойства
жидкостей. Критическая точка. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Уравнение состояния реальных газов. Термодинамические свойства веществ на линии фазовых переходов и в
критической точке.
7. Основные термодинамические процессы. Изохорный процесс. Изобарный
процесс. Изотермический процесс. Адиабатный процесс. Политропные процессы.
Дросселирование, эффект Джоуля-Томпсона.
4
8. Процессы истечения газов и жидкостей. Параметры торможения. Сопло, диффузор. Полное и статическое давление. Уравнение Бернулли. Число Маха. Показатель
адиабаты.
9. Термодинамические циклы. Термический КПД. Эксергия. Циклы Карно, Отто,
Дизеля, Брайтона, Ренкина. Регенерация теплоты в цикле.
10. Холодильные циклы. Обратные тепловые циклы и процессы. Холодильные
установки. Циклы холодильных установок. Принцип работы теплового насоса.
Основы тепло- массообмена
1. Теплопроводность. Уравнение сохранения энергии, закон Фурье, краевые условия задач теплопроводности. Механизм теплопроводности веществ в твердом,
жидком и газообразном состояниях. Теплопроводность через плоскую стенку. Число
Био. Коэффициент теплопередачи. Теплопроводность через цилиндрическую стенку,
критический диаметр изоляции. Нестационарное температурное поле в плоской пластине, регулярный режим охлаждения (нагревания) тел.
2. Конвективный теплообмен в однокомпонентной среде. Уравнения сохранения
массы, импульса и энергии в сплошной среде. Эмпирические законы переноса (Ньютона, Фурье). Приведение уравнений к безразмерному виду, критерии подобия. Физический смысл чисел подобия конвективного тепло- и массообмена. Тройная аналогия.
3. Теплообмен при внешнем обтекании тела. Система уравнений теплового пограничного слоя. Анализ теплообмена при ламинарном течении в пограничном слое.
Условные толщины пограничного слоя. Интегральные уравнения импульса и энергии.
5. Переход ламинарного течения в турбулентное, влияние на турбулентный переход параметров набегающего потока, массовых сил, характеристик обтекаемой поверхности. Осредненные уравнения движения и энергии для турбулентного течения.
Кажущиеся напряжения турбулентного трения, турбулентный тепловой поток.
6. Структура пристенной турбулентной области. Аналогия Рейнольдса для теплообмена при турбулентном течении в пограничном слое, ее модернизированный вариант (двухслойная схема), расчетные соотношения для теплоотдачи.
7. Конвективный теплообмен при высоких скоростях течения. Адиабатическая
температура стенки, коэффициент восстановления, методы расчета теплоотдачи. Теплообмен при поперечном обтекании одиночного цилиндра и пучков труб.
5
8. Теплообмен при течении жидкости в каналах. Математическое описание,
среднемассовая скорость и температура. Стабилизированный теплообмен при граничных условиях 2-го рода. Профили скорости, температуры, теплового потока при
ламинарном и турбулентном течении.
9. Теплообмен при ламинарном течении жидкости в начальном термическом
участке круглой трубы. Начальный гидродинамический участок. Стабилизированный
теплообмен при ламинарном течении. Стабилизированный теплообмен при турбулентном течении, расчетные формулы.
10. Теплообмен при свободной конвекции. Механизм и математическое описание, приближение Буссинеска. Развитие пограничного слоя на вертикальной плоской
поверхности, расчет коэффициента теплоотдачи.
11. Теплообмен при фазовых превращениях. Математическое описание и модели
двухфазных сред. Универсальные условия совместности на межфазных границах для
процессов тепло- и массообмена. Неравновесность на межфазных границах, квазиравновесное приближение.
12. Пленочная и капельная конденсация. Теплообмен при пленочной конденсации на вертикальной поверхности: решение Нуссельта, анализ основных допущений.
Конденсация на поверхности горизонтального цилиндра. Качественные закономерности капельной конденсации.
13. Кипение жидкостей. Условия зарождения парового зародыша в объеме перегретой жидкости и на твердой поверхности нагрева. Основные закономерности роста
и отрыва паровых пузырьков. «Кривая кипения». Теплообмен при пузырьковом и
пленочном кипении. Кризисы кипения в большом объеме.
14. Режимы течения двухфазных потоков в трубах. Характер изменения среднемассовой температуры жидкости, температуры стенки, расходного массового паросодержания по длине обогреваемого канала. Кризис теплоотдачи при кипении в трубах.
15. Совместные процессы тепло- и массопереноса. Общая характеристика процессов переноса массы и энергии. Состав смеси, диффузионные потоки, коэффициент
диффузии. Перенос энергии и импульса в смеси.
16. Аналогия процессов тепло- и массообмена. Расчет интенсивности переноса
энергии и массы компонента при умеренных и высоких скоростях массообмена.
6
17. Тепло- и массообмен при химических превращениях. Диффузия, сопровождаемая гомогенной или гетерогенной химической реакцией. Процессы на поверхности тела, обтекаемого сверхзвуковым газовым потоком.
18. Теплообмен излучением. Основные понятия и законы излучения. Природа
излучения. Интегральная и спектральная плотности потока излучения. Поглощательная, отражательная и пропускательная способности тел. Абсолютно черное тело.
19. Законы теплового излучения (Планка, Вина, Стефана—Больцмана, Кирхгофа, Ламберта). Излучение реальных тел. Радиационные свойства реальных материалов.
20. Теплообмен излучением в диатермичной среде. Геометрия излучения (локальные и средние угловые коэффициенты). Зональный метод расчета теплообмена в
системе тел, разделенных прозрачной средой.
21. Теплообмен излучением в поглощающих и излучающих средах. Излучение и
поглощение в газах. Основной закон переноса энергии излучения в излучающепоглощающей среде. Собственное излучение газа. Методы расчета лучистого теплообмена.
22. Современные теплообменные системы: парогенераторы тепловых электрических станций, ядерные энергетические реакторы, камеры сгорания ракетных двигателей. Теплообменные аппараты: рекуперативные, регенеративные, смесительные.
23. Уравнения теплового баланса и теплопередачи. Средний температурный напор. Расчет поверхности теплообмена, конечной температуры теплоносителей. Основы гидравлического расчета теплообменников. Определение мощности, затрачиваемой на прокачку теплоносителей.
24. Особенности выбора средств и методов тепловой защиты. Способы тепловой
защиты от конвективного и совместного (конвективно-лучистого) нагрева.
Гидрогазодинамика
1. Одномерное установившееся движение идеальной жидкости. Уравнения
движения и энергии. Параметры заторможенного потока.
2. Основы кинематики. Методы кинематического исследования движения
7
жидкости и газа. Метод Лагранжа. Метод Эйлера. Линии и трубки тока. Скорости деформации жидкой частицы. Понятие о вихревом и безвихревом течениях. Циркуляция скорости.
3. Основы динамики. Силы, действующие на частицу сплошной среды. Напряженное состояние элементарного объема. Содержание математической формулировки
задачи движения потоков жидкости и газа. Дифференциальное уравнение неразрывности. Дифференциальное уравнение движения. Важнейшие частные формы уравнения движения. Дифференциальные уравнения динамического пограничного слоя.
Дифференциальное уравнение движения идеальной жидкости. Дифференциальное
уравнение энергии.
4. Основы аэрогидростатики. Уравнения равновесия. Гидростатический закон.
Равновесие и устойчивость тел, погруженных в жидкость. Равновесие земной атмосферы.
5. Турбулентность. Возникновение турбулентности. Режимы течения потока.
Особенности турбулентного течения. Важнейшие статистические характеристики
турбулентности. Интенсивность турбулентного движения. Масштаб турбулентности.
Частотный спектр турбулентных пульсаций. Дополнительные турбулентные напряжения в движущемся потоке. Уравнения движения и энергии для осредненных параметров.
6. Моделирование процессов турбулентного переноса. Прямое численное моделирование турбулентных течений. Дифференциальные модели турбулентности. Модель пути смешения Прандтля. Обобщение модели пути смешения на сложные условия.
7. Подобие гидрогазодинамических процессов. Основы подобия физических
процессов. Выявление обобщенных переменных из математической формулировки
задачи. Выявление чисел подобия на основе анализа размерностей. Моделирование
технических устройств.
Перечень вопросов
1. Основы равновесной термодинамики
2. Обратимые и необратимые процессы.
3. Первое начало термодинамики. Изо-процессы.
8
4. Второе начало термодинамики. Цикл Карно. Максимальный коэффициент полезного действия тепловой машины.
5. Третье начало термодинамики. Принцип Ле-Шателье. Термодинамика систем с переменным числом частиц.
6. Термодинамика магнетиков и диэлектриков. Термодинамика равновесного излучения.
7. Дифференциальные уравнения законов сохранения массы, импульса и энергии
в газах и жидкостях.
8. Фазовые переходы и их классификация.
9. Общие условия термодинамического равновесия и устойчивости. Условия равновесия систем во внешнем поле и гетерогенных систем.
10.
Дифференциальные
уравнения
термодинамики.
Уравнение
Клапейрона-
Клаузиуса.
11. Теплоёмкость и энтальпия паров. Диаграммы влажного воздуха. Правило фаз
Гиббса.
12. Фазовые переходы первого рода. Поверхностное натяжение, зародыши новой фазы.
13. Фазовые переходы второго рода.
14. Теплопроводность. Основные понятия, механизм теплопроводности в различных средах, закон Фурье. Уравнение теплопроводности, условия однозначности.
15. Теплопроводность при стационарном режиме, Одномерные температурные поля и
их расчет.
16. Нестационарная теплопроводность. Методы исследования и закономерности нестационарных температурных полей. Регулярный режим.
17. Основы теории подобия и её приложения. Методы получения критериев подобия из дифференциальных уравнений. Критериальные уравнения.
18. Конвективный теплообмен в однородной среде. Основные уравнения конвективного теплообмена. Турбулентный тепломассоперенос. Теплоотдача при естественной конвекции.
19. Лучистый теплообмен, Природа теплового излучения. Основные законы излучения.
9
20. Массообмен. Диффузия вещества в неподвижных средах. Дифференциальные
уравнения диффузионного пограничного слоя.
21. Аналогия процессов тепло- и массопереноса. Примеры расчетов процессов тепломассопереноса.
22. Одномерное установившееся движение идеальной жидкости.
23. Основные методы кинематического исследования движения
жидкости и газа.
24. Математическая формулировка задачи движения потоков жидкости и газа.
25. Уравнения равновесия. Равновесие и устойчивость тел, погруженных в жидкость.
26. Особенности турбулентного течения. Основные характеристики турбулентности.
27. Моделирование процессов турбулентного переноса. Основные модели турбулентности. Прямое численное моделирование турбулентных течений.
Форма проведения вступительного испытания
Вступительное испытание по специальной дисциплине проводится в форме
письменного экзамена по вопросам из вышеприведенного перечня (3 вопроса из разных разделов) и собеседования с кандидатом в аспирантуру. Кроме выбранных вопросов экзаменационная комиссия имеет право задавать дополнительные вопросы с
целью уточнения объема знаний и оценки качества усвоения теоретического материала.
Оценка на экзамене выставляется:
- «отлично», если кандидат, поступающий в аспирантуру, показал глубокие
знания теоретического материала по всем поставленным вопросам, грамотно, логично
и стройно их излагает;
- «хорошо», если кандидат, поступающий в аспирантуру, твердо знает теоретический материал, грамотно его излагает, не допускает существенных неточностей в
ответах на вопросы, представил ответы не в полном объеме (не менее ¾) либо в полном объеме, но с несущественными погрешностями и ошибками;
- «удовлетворительно», если кандидат, поступающий в аспирантуру, показывает знания только основных положений по поставленным вопросам, требует в отдельных случаях наводящих вопросов для принятия правильного решения, допускает от-
10
дельные неточности; представил ответы не в полном объеме (не менее ½) либо в полном объеме, но с существенными погрешностями и ошибками;
- «неудовлетворительно», если кандидат, поступающий в аспирантуру, допускает грубые ошибки в ответах на поставленные вопросы, представил ответы не в полном объеме (менее ½).
Рекомендуемая литература
Основная литература:
1. Луканин В.Н. Теплотехника: Учебник для вузов. –5-е изд., стер. – М.: Высш.
шк., 2006.
2. Архаров А.М. Теплотехника: Учебник для вузов. – 2-е изд., перераб. и доп.. – М.:
МГТУ им. Баумана, 2004.
3. Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика. Изд.
4-е. М.: Энергоатомиздат, 1983.
4. Теория тепломассообмена /Под ред. А.И. Леонтьева. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.
Баумана, 1997.
5. Ковальногов Н.Н. Техническая гидрогазодинамика: Учебное пособие. – Ульяновск, УлГТУ, 2003.
6. Цветков Ф.Ф., Григорьев Б.А. Тепломассообмен: Учеб. пособие для вузов. М.:
Изд-во МЭИ, 2001.
7. Сычев В.В. Дифференциальные уравнения термодинамики. Изд. 2-е. М.: Высш.
шк., 1991.
8. Теплоэнергетика и теплотехника (справочная серия). В 4 книгах. Кн. 2. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент. М.: Изд- во МЭИ,
2001.
9. Тепловые и атомные электростанции.: Справочник: Кн. 3. / Под общ. ред. члкорр. РАН А.В. Клименко и проф. В.М. Зорина –3-е изд. перераб.. – М.: МЭИ, 2003.
10. Промышленная теплоэнергетика и теплотехника.: Справочник.: Кн. 3. – М.:
МЭИ, 2004.
11
Дополнительная литература:
1. Теоретическая механика. Термодинамика. Теплообмен. / Энциклопедия. Машиностроение. Т. 1–2 / Под общ. Ред. К.К. Колесникова, А.И. Леонтьева. М.: Машиностроение, 1999.
2. Шпильрайн Э.Э., Кессельман П.М. Основы теории теплофизических свойств
веществ. М.: Энергия, 1977.
3. Лабунцов Д.А., Ягов В.В. Механика двухфазных сред. М.: Изд-во МЭИ, 2000.
4. Базаров И.П. Термодинамика. Изд. 2-е. М.: Высшая школа, 1976.
5. Новиков И.И. Термодинамика. М.: Машиностроение, 1984.
6. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. М.: Атомиздат, 1979.
7. Теплообмен в ядерных энергетических установках / Петухов Б.С., Генин Л.Г.,
Ковалев С.А. Соловьев С.Л. – 2-е изд., перер. и доп.М.: Изд-во МЭИ, 2003.
8. Лойцянский Л. Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1987. 840 с.
9. Аэрогидромеханика / Е. Н. Бондарев, В. Т. Дубасов, Ю. А. Рыжов и др. М.: Машиностроение, 1993.
10. Дейч М. Е. Техническая газодинамика. М.: Энергия, 1974.
11. Самойлович Г.С. Гидроаэромеханика. М.: Машиностроение, 1980.
12. Виноградов Б. С. Прикладная газовая динамика. М.: Ун-т Дружбы народов им.
П. Лумумбы, 1965.
13. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Наука, 1974. 711 с.
14. Хинце И. О. Турбулентность. М.: Физматгиз, 1963.
15. Брэдшоу П. Введение в турбулентность и ее измерение. М.: Мир, 1974.
16. Гришфельдер Д., Кертисс Ч., Берд Р. Молекулярная теория газов и жидкостей.
М.: Изд-во иностр. лит, 1961.
17. Дыбан Е. П., Эпик Э. Я. Теплообмен и гидродинамика турбулизированных потоков. Киев: Наукова думка, 1985.
18. Федяевский К. К., Гиневский А. С., Колесников А. В. Расчет турбулентного
пограничного слоя несжимаемой жидкости. Л.: Судостроение, 1973.
19. Кутателадзе С. С., Леонтьев А. И. Турбулентный пограничный слой сжимаемого газа. Новосибирск: Изд-во СО АН СССР, 1964.
20. Лапин Ю. В. Турбулентный пограничный слой в сверхзвуковых потоках газа.
М.: Наука, 1970.
12
21. Ковальногов Н. Н. Пограничный слой в потоках с интенсивными воздействиями. Ульяновск: УлГТУ, 1996.
22. Романенко П. Н. Гидродинамика и тепломассообмен в пограничном слое.
Справочник. М.: Энергия, 1974.
23. Ковальногов Н. Н. Основы механики жидкости и газа. Учебное пособие. Ульяновск: УлГТУ, 2003.