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.