1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ. ЕЕ МЕСТО В УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ
1.1. Цель преподавания дисциплины
Цель - ознакомить студентов с основными проблемами современной теплофизики, с теплофизическими процессами спецпроизводств и подготовить студентов к изучению спецкурсов, расчету проектов и выполнению индивидуального спецпрактикума.
1.2. Задачи изучения дисциплины
В задачи изучения дисциплины входит: овладение студентами аналитических методов решения задач теплопроводности при различных граничных условиях, теорией подобия и ее использованием для описания процессов конвективного теплопереноса, методами расчета сложного теплообмена, в том числе при изменении агрегатного состояния вещества; ознакомление с устройством и процессами, происходящими в сверхтеплопроводных теплопередающих устройствах - тепловых трубах, теплообменными аппаратами, их расчетом, теплообменом в ядерных реакторах. В лекционном курсе, на практических занятиях и лабораторном практикуме много внимания уделяется физическим аспектам теории теплообмена, рассматриваются важные и интересные прикладные теплофизические задачи.
1.3. Перечень дисциплин с указанием разделов (тем), усвоение которых студентами необходимо для изучения данной дисциплины
Для изучения данного курса студент должен владеть основами математической теории поля, аппаратом функций комплексного переменного, методами решения уравнений математической физики; знать основные понятия, законы, уравнения термодинамики, статистической физики и механики сплошных сред (разделы: идеальная жидкость, вязкая жидкость, теплопроводность в жидкости, теория упругости).
2. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
2.1. Наименование тем, их содержание, объем в часах лекционных занятий
2.1.1. Введение. Терминология. Физические аспекты процессов теплообмена (4 ч)
Предмет "Теплофизика". Способы переноса тепла: теплопроводность, конвекция, излучение. Поле температуры, понятие градиента температуры. Основные понятия и определения теплофизики (терминология): тепловой поток, плотность теплового потока, мощность внутренних источников теплоты, теплоноситель, теплообменник. Понятия теплоотдачи и теплопередачи: коэффициенты теплоотдачи и теплопередачи, температурный напор, местный температурный напор, средний логарифмический и средний интегральный температурный напоры, внешнее и общее термические сопротивления.
2.1.2. Теплопроводность. Теплопроводность твердых тел (20 ч)
Феноменологический метод исследования процессов теплопроводности: особенности и ограничения. Закон Био-Фурье. Коэффициент теплопроводности. Некоторые теории и экспериментальные данные по определению коэффициента теплопроводности для различных веществ. Коэффициент теплопроводности газов. Коэффициент теплопроводности жидкостей. Коэффициент теплопроводности твердых тел: металлы и сплавы.
Термоупругость. Соотношения между напряжениями, деформациями и температурой. Тензор деформаций и напряжений. Деформация с изменением температуры.
Уравнение теплопроводности. Уравнение равновесия. Обобщения уравнения теплопроводности: теплопроводность в кристалле, учет конечности скорости распространения тепла. Эффективная теплопроводность при медленных деформациях и теплопроводность при отсутствии деформаций. Коэффициент температуропроводности.
Краевые условия и типы краевых задач: задача Коши, смешанная задача, стационарная задача. Граничные условия 1, 2, 3, 4-го рода.
Основные методы решения задач теплопроводности: метод разделения переменных однородных задач теплопроводности (метод Фурье), метод функций источников (общие сведения); интегральные преобразования в бесконечных и конечных пределах. Использование интегральных преобразований для различных задач. Схема решения одномерных задач теплопроводности, зависящих от координат и времени.
Решение краевой задачи методом функции Грина (методом источников). Классические и обобщенные решения. Понятие обобщенной функции (распределения). Основные и обобщенные функции. Дифференцирование обобщенной функции. Функция Хевисайда, ее производная в обобщенном смысле. Обобщенный оператор Лапласа, одномерный и многомерный. Преобразование Фурье и Лапласа от - функции Дирака. Свойства преобразования Фурье.
Понятие фундаментального решения дифференциального уравнения. Определение и физический смысл фундаментального решения. Фундаментальное решение для уравнения теплопроводности в стационарном и нестационарном случаях. Анализ стационарной и нестационарной задач.
Понятие функции Грина. Определение функции Грина, ее физический смысл. Решение уравнения теплопроводности в стационарном случае методом функции Грина (первая, вторая и третья краевые задачи). Решение уравнения теплопроводности методом функции Грина в нестационарном случае (для трех краевых задач).
Методы и примеры нахождения функции Грина. Функция Грина для полупространства I и II рода, стационарная и нестационарная задачи. Функция Грина для пластины I и II рода, нестационарная задача. Нестационарная и стационарная функции Грина I рода для шара. Функция Грина I рода для круга. Функция Грина для фигур, образованных пересечением простых тел: двумерная функция Грина I рода, двугранного угла (нестационарный случай), функция Грина бесконечного параллелепипеда (бруса); понятие функции Грина смешанного рода.
Примеры решения задач методом функции Грина. Случай разрывного распределения начальных температур. Полубесконечное пространство с заданными начальной температурой и температурой поверхности. Соприкосновение двух тел с разными температурами, понятие коэффициента теплоусвоения, тепловой активности материала. Возраст Земли по Кельвину.
Некоторые методы измерения теплофизических характеристик твердого тела. Стационарные и нестационарные методы. Метод температурных волн Ангстрема. Зондовые методы (примеры).
2.1.3. Конвективный теплоперенос. Распространение тепла в жидкости (12)
Общее уравнение переноса тепла в жидкости. Физический смысл и пределы его применимости. Теплоперенос в несжимаемой и невязкой жидкостях. Гипотеза Фурье-Остроградского. Условия однозначности для процессов, типы краевых задач.
Методы размерностей и подобия. Терминология, виды параметров, первичные и вторичные величины, основные и производные единицы измерения. Метод инспекционного анализа. Предположения. - теорема. Частные случаи - теоремы. Пример использования инспекционного анализа: задача о нагреве тонкой пластины в жидкости. Число подобия F
0
,B
i
. Метод подобия. Моделирование. Прямая и обратная (теорема Кирпичева - Гухмана) теоремы теории подобия.
Теплоотдача тела при внешнем обтекании его вынужденным потоком жидкости. Определения. Постановка и математическая формулировка задачи. Условия однозначности. Нахождение базы для первой (=const
) и второй (=const
) задач. Числа подобия: Pe,
Re
, Pr.
Закон Ньютона - Рихмана. Теплоотдача цилиндра при внешнем обтекании его вынужденным потоком жидкости. Простейшая методика исследования теплоотдачи от цилиндра.
Теплоотдача тела при свободном гравитационном движении жидкости. Определения. Постановка и математическая формулировка задачи. Нахождение базы для первой (=const
) и второй (=const
) задач (первого и второго характерных процессов). Нарушение закона Ньютона - Рихмана. Числа подобия Gr , Ry
. Предельные условия теплоотдачи при гравитационной, свободной конвекции: малость сил инерции, вязкости, конвективного переноса. Теплоотдача горизонтального цилиндра при свободном гравитационном движении. Экспериментальные результаты.
Теплоотдача в трубах и каналах при вынужденном течении жидкости. Постановка задачи. Условия однозначности и уравнения. Нахождение базы для первого и второго характерных процессов. Осреднение по сечению и длине трубы. Учет внутренних источников в теплоносителе. Особенности теплоотдачи в трубах с газовым теплоносителем. Уравнение подобия для теплоотдачи труб при вынужденном движении. Теплоотдача при турбулентном течении жидкости. Экспериментальные исследования теплоотдачи труб. Особенности определения теплофизических параметров жидких и газообразных тел.
2.1.4. Теплообмен излучением (2 ч)
Тепловое излучение. Основные законы и определения. Физика излучения. Основные понятия и определения: поток излучения, поверхностная плотность потока излучения, интенсивность излучения. Законы излучения абсолютно черного тела. Законы Планка, Стефана – Больцмана. Излучение реальных тел. Закон Кирхгофа. Основные уравнения: уравнение сохранения энергии, уравнение переноса.
Практическое использование уравнений переноса энергии излучения. Радиационно-кондуктивные системы: единичное плоское ребро, учет теплообмена излучением между ребром и трубой. Радиационно-конвективные системы: температура поверхности плоской пластины, трубы.
2.1.5.
Сложный теплообмен (8 ч)
Теплоотдача при конденсации паров неметаллических жидкостей. Теплоотдача при конденсации на горизонтальном цилиндре. Постановка задачи и особенности нахождения базы.
Теплообмен при кипении. Основные понятия и определения. Испарение, кипение: поверхностное, объемное, пузырьковое и пленочное кипения (фотографии режимов кипения). Зарождение, развитие и отрыв пузырей пара на поверхности нагрева. Скорость роста парового пузырька. Отрывной диаметр пузыря. Схема теплоотдачи при пузырьковом кипении. Уравнение подобия. Кризис теплоотдачи при кипении (показ слайдов). Гидродинамическая теория кризиса кипения. Четыре основных механизма кризисов кипения. Влияние некоторых факторов на величины, характеризующие кризис кипения: физические свойства кипящей жидкости, способы обогрева, физико-химические свойства и геометрия поверхности, давление. Способы интенсификации теплоотдачи при кипении. Теплообмен испаряющихся капель с горячей стенкой. Сфероидальное состояние. Связь явления сфероидального состояния с кризисом теплоотдачи при кипении.
Теплопередающие устройства (тепловые трубы - ТТ). Достоинства, назначение, процессы в тепловой трубе. О пределах теплопередающих возможностей тепловых труб и паровых камер: возникновение кризиса кипения, влияние пропускной способности капиллярной структуры, допустимые температуры рабочей жидкости, скорость
2.1.6. Теплообменные аппараты. Теплообмен в ядерных реакторах (10 ч)
Теплообменные аппараты. Классификация основных типов теплообменных аппаратов: контактные (смесительные, барботажные) и поверхностные (регенераторы, рекуператоры). Основные уравнения теплового расчета рекуперативных теплообменников. Коэффициент теплопередачи. Средний логарифмический температурный напор. Эффективность теплообменника. Сопоставление прямоточной и противоточной схем движения теплоносителей.
Классификация ядерных реакторов. Основные узлы реактора. Характеристики теплоносителей в ядерной энергетике. Два типа организации теплосъёма (канальные и корпусные реакторы). Различные схемы отвода тепла: при свободном гравитационном движении, вынужденном движении теплоносителя, с кипением и без него.
Основные факторы, ограничивающие параметры и мощность реактора: ограничения по температуре, по скорости движения теплоносителя, затраты на перекачку теплоносителя, термические напряжения, величина паросодержания, критическая плотность теплового потока.
Некоторые понятия и определения (паросодержание, массовое расходное паросодержание, истинное объемное паросодержание). Режимы течения двухфазных потоков.
Особенности теплообмена при кипении жидкости в трубах. Кризис теплоотдачи при кипении в трубах. Механизм кризиса теплоотдачи. Факторы, влияющие на величину : диаметр и длина трубы, давление. Расчетные рекомендации по . Кризис теплоотдачи II рода. Кризис теплоотдачи при кипении воды в продольно омываемых пучках стержней.
Особенности теплообмена в системах с газообразными и жидкометаллическими теплоносителями.
2.2. Практические занятия, их содержание и объем в часах
2.2.1. Терминология предмета "Теплофизика"'. Закон Био-Фурье. Уравнение теплопроводности и граничные условия. Теплопроводность при стационарном режиме (6 ч).
2.2.2. Основные методы решения задач теплопроводности. Преобразования Фурье, Лапласа, синус- и косинус-преобразования. Решение стационарных и нестационарных задач методом функций Грина (4 ч).
2.2.3. Обработка опытных данных методом теории подобия. Теплоотдача при кипении жидкости (2 ч).
2.2.4. Теплообмен в ядерных реакторах. Распределение температур теплоносителя, оболочки и сердечника, по высоте топливного канала (2 ч).
Пособия с условиями всех задач выдается каждому студенту.
2.
3. Использование ЭВМ при изучении дисциплины “Теплофизика”
В рамках самостоятельной работы (5 часов в неделю) предусматривается индивидуальная работа с персональными ЭВМ по четырем программам, включающим все разделы рабочей программы дисциплины.
2.3.1. Программа 'ТЕПЛОФИЗИКА-1". Терминология. Физические аспекты процессов теплообмена.
2.3.2. Программа "ТЕПЛОФИЗИКА-2". Теплопроводность. Теплопроводность твердых тел.
2.3.3. Программа "ТЕПЛОФИЗИКА-3". Конвективный теплоперенос. Теория подобия. Методы определения теплофизических параметров веществ.
2.3.4. Программа "ТЕПЛОФИЗИКА-4". Теплообмен при кипении. Теплопередающие устройства - тепловые трубы. Теплообменные аппараты.
Программы используются для обучения и автоматизированного контроля знаний с целью поэтапного контроля, проведения зачета и возможности бессессионной, рейтинговой оценки знаний. Они реализованы на IBM и совместимых с ними персональных ЭВМ.
Методические указания к автоматизированному учебному курсу выдаются каждому студенту.
3. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ПО ДИСЦИПЛИНЕ
3.1. Библиографический список
Основной
1.Николаев Г.П., Павлов П.А. Теплофизика. Конспект лекций. Екатеринбург: УГТУ, 2000. 179 с.
2. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. 5-е изд., перераб. и доп. М.: Атомиздат, 1979. 416 с.
3. Новиков И.И., Воскресенский К.Д. Прикладная термодинамика и теплопередача. М.: Госатомиздат, 1977. 352 с.
4. Лыков А.В. Теория теплопроводности. М.: Высшая школа, 1967. 600 с.
5. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика: Учебное пособие. В 10 т. Т.4. Гидродинамика. 4-е изд., стереотип. М.: Наука, 1988. 736 с.
6. Гельфанд И.М., Шилов Г.Е. Обобщенные функции и действия над ними. М.: ГИФМЛ, 1958, 450 с.
7. Теплообмен в ядерных энергетических установках Учеб. пособие для вузов / Б. С. Петухов. Д. Г. Генин, С. А. Ковалев; под ред. Б. С. Петухова, 2-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, I986. 472 с.
Дополнительный
1. Исаченко Б.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. М.: Энергоиздат, 1981. 417 с.
2. Карслоу Г., Эгер Д. Теплопроводность твердых тел. М.: Наука, 1964. 488 с.
3.Филиппов Л.П. Прогнозирование теплофизических свойств жидкостей и газов. М.: Энергоатомиздат, 1988. 168 с.
4. Галин Н.М. , Кириллов П.Л. Тепло-массообмен (в ядерной энергетике). М.: Энергоиздат, 1987.376 с.
3.2. Перечень наглядных
и других пособий, методических указаний и материалов к техническим средствам обучения
3.2.1. Лекции (все материалы 3.2.1
.1 - 3.2.1.18 и 3.2.1.24 подготовлены доцентом кафедры молекулярной физики, канд.техн.наук Николаевым Г.П.)
3.2.1.1. Теплофизика. Конспект лекций. Электронный вариант. 179 с.
3.2.1.2. Теплофизика. Конспект лекций. Введение. Теплопроводность. Машинопись, 40 с.
3.2.1.3. Теплофизика. Конспект лекций. Теплообмен при наличии в потоке внутренних источников тепла. Машинопись, 7 с.
3.2.1.4. Теплофизика. Конспект лекций. Теплообмен и сопротивление при турбулентном течении в трубах жидкости с переменными физическими свойствами. Особенности теплообмена при течении газа в трубах. Машинопись, 12 с.
3.2.1.5. Теплофизика. Конспект лекций. Гидродинамика и теплообмен в псевдоожиженном слое. Машинопись, 3 с.
3.2.1.6. Теплофизика. Конспект лекций. Особенности теплообмена при кипении жидкости в трубах. Машинопись, 5 с.
3.2.1.7. Теплофизика. Конспект лекций. Кризис теплоотдачи при кипении в трубах. Машинопись, 11 с.
3.2.1.8. Теплофизика, Конспект лекций. Классификация ядерных реакторов. Машинопись, 4 с.
3.2.1.9. Теплофизика. Конспект лекций. Вопросы конструирования ядерных реакторов. Машинопись, 28 с.
3.2.1.10. Теплофизика. Конспект лекций. Тепловой расчет ядерных реакторов. Машинопись, 71 с.
3.2.1.11. Теплофизика. Конспект лекций. Два типа организации теплосъема (канальные и корпусные реакторы). Различные схемы отвода тепла; при гравитационном и вынужденном движении теплоносителя, с кипением и без него. Режимы течения теплоносителя в ТВЭЛах. Истинное объемное паросодержание теплоносителя. Кризис теплоотдачи при кипении. Машинопись, 12 с.
3.2.1.12. Теплофизика. Конспект лекций. Особенности газообразных теплоносителей. Методы интенсификации теплообмена. Перепад давления в системах с газообразным теплоносителем. Машинопись, 6 с.
3.2.1.13. Теплофизика. Конспект лекций. Особенности теплообмена в системах с жидкометаллическими теплоносителями. Влияние осевой теплопроводности на среднемассовую температуру жидкости. Контактное термическое сопротивление. Теплообмен при поперечном обтекании пучков труб. Теплообмен при свободной конвенции. Машинопись, 15 с.
3.2.1.14. Теплофизика. Конспект лекций. Особенности определения теплофизических параметров жидких и газообразных тел. Машинопись, 6 с.
3.2.1.15. Теплообмен при кипении (механизм). Фотографии процессов кипения (14 шт.).
3.2.1.16. Кризис теплоотдачи и режимы кипения. Слайды (16 шт.).
3.2.1.17. Методическое пособие к показу слайдов. Машинопись, 1 с.
3.2.1.18. Факторы, влияющие на критическую плотность теплового потока. Сфероидальное состояние. Оттиски статей (6 статей).
3.2.1.19. Нестационарный тепло- и массообмен. Кинофильм (27 мин).
3.2.1.20. Лучистый теплообмен. Кинофильм (15 мин).
3.2.1.21. Гидродинамика и теплообмен при свободном движении жидкости. Кинофильм (27 мин.).
3.2.1.22. Теплообмен при кипении. Кинофильм (18 мин).
3.2.1.23. Теплообмен при конденсации. Кинофильм (47 мин).
3.2.1.24. Рабочая программа по курсу "Теплофизика". Ротапринт.
3.2.2. Практические занятия
3.2.2.1. Николаев Г.П., Лойко А.Э. Методические указания по проведению преподавателями практических занятий и составлению заданий студентам по курсу "Теплофизика". Машинопись, 87 c.
3.2.2.2. Николаев Г.П. Методические указания по выполнению заданий по курсу "Теплофизика". Машинопись, 2 с.
3.2.2.3. Николаев Г.П., Лойко А.Э. Учебно-методическая карта проведения практических занятий по курсу "Теплофизика". Машинопись, 2 с.
3.2.2.4. Теория теплопроводности: Методические разработки к практическим занятиям по курсу "Теплофизика" / Г.П. Николаев, А.Э. Лойко. Екатеринбург: УПИ 1992. 36 с.
3.2.3.5. Конвективный и сложный теплообмен: Методические разработки к практическим занятиям по курсу "Теплофизика" / Г.П. Николаев, А.Э. Лойко, О.В. Писарева.. Екатеринбург: УГТУ, 1999. 36 с.
3.2.
3. Автоматизированное обучение и контроль знаний
3.2.3.1. ТЕПЛОФИЗИКА: Методические материалы к автоматизированному учебному курсу (АУК ТЕПЛОФИЗИКА) / Г.П. Николаев, А.Э. Лойко, А.В. Будеев, Т.В. Иванова, О.В. Писарева. Екатеринбург: УГТУ, 2000. 65 с.
3.2.3.2. ТЕПЛОФИЗИКА: Методические указания к автоматизированному учебному курсу / Г.П. Николаев, А.В. Будеев, А.Э. Лойко, Т.В. Иванова. Свердловск: УПИ, 1989. 19 с.
3.2.3.3. Контролирующе-обучающая система автоматизированного учебного курса "Теплофизика" для вычислительного комплекса "ИСКРА – 1256" (КОС АУК ТЕПЛОФИЗИКА) / Г.П. Николаев, А.В. Будеев, А.Э. Лойко, Т.В. Иванова. Свердловск: УПИ, 1990. 202 с. (Программное средство).
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
по курсу "Теплофизика" для
специальностей 0719, 0108, 0705
Составитель Николаев Герман Петрович
Ответственный за выпуск доц. канд. физ. – мат. наук А.Э. Лойко
Редактор О.С. Смирнова