МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

ИНСТИТУТ ТЕПЛОВОЙ И АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ (ИТАЭ) ___________________________________________________________________________________________________________

Направление подготовки: 140700 Ядерная энергетика и теплофизика

Программа подготовки магистров: Теплофизика и молекулярная физика

Квалификация (степень) выпускника: магистр

Форма обучения: очная

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ

"ВОЛНЫ И НЕУСТОЙЧИВОСТИ В СПЛОШНЫХ СРЕДАХ"

Цикл:

общенаучный

Часть цикла:

по выбору

№ дисциплины по учебному плану:

ИТАЭ; М.1.5.2

Часов (всего) по учебному плану:

108

Трудоемкость в зачетных единицах:

3

1 семестр

Лекции

36 часов

1 семестр

Практические занятия

18 часов

1 семестр

Лабораторные работы

не предусмотрены

Расчетные задания, рефераты

18 часов самостоят. работы

1 семестр

Объем самостоятельной работы по учебному плану (всего)

54 часа

1 семестр

Экзамены

1 семестр

Курсовые проекты (работы)

не предусмотрены

Москва - 2011

1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

Целью дисциплины является изучение общих подходов к описанию распространением волн и возникновению неустойчивостей в сплошных средах и методов исследования устойчивости систем, необходимых для практической деятельности инженеров теплофизиков.

По завершению освоения данной дисциплины студент способен и готов:

·  к самостоятельной, индивидуальной работе, принятию решений в рамках своей профессиональной компетенции (ОК-7);

·  применять основные методы, способы и средства получения, хранения, переработки информации, использовать компьютер как средство работы с информацией (ОК-11);

·  к практическому анализу логики различного рода рассуждений, к публичным выступлениям, аргументации, ведению дискуссии и полемики (ОК-12);

·  анализировать научно-техническую информацию, изучать отечественный и зарубежный опыт по волнам и неустойчивостям в сплошных средах(ПК-6);

·  к проведению физического и численного эксперимента, к разработке с этой целью соответствующих экспериментальных стендов и компьютерных программ (ПК-12);

·  проводить расчеты волновых характеристик процессов, протекающих в различных системах по существующим методикам с использованием справочной литературы (ПСК – 1);

·  к участию в проведении теплофизического эксперимента и в обработке опытных данных (ПСК – 2);

·  к критическому анализу существующих инженерных и прикладных моделей исследования волновых процессов и неустойчивостей в различного рода сплошных средах.

Задачами дисциплины являются:

·  обеспечить понимание содержания основных закономерностей волновых процессов, законов сохранения импульса, энергии, баланса частиц и роли закономерностей в решении задач для систем, различного рода;

·  научить составлять математическое описание волновых процессов и неустойчивостей, применительно к типовым конструкциям и режимам работы теплофизического оборудования;

·  познакомить обучающихся с содержанием и методами теории волновых процессов, применительно к изучению явлений, сопровождающихся переносом теплоты, массы и электрического заряда;

·  дать анализ и обеспечить понимание физических механизмов волновых процессов и неустойчивостей в различных системах, использующих сплошную среду в качестве рабочего тела;

·  научить рассчитывать интенсивность различного вида волновых процессов и неустойчивостей в газе, жидкости и низкотемпературной плазме:

·  понимать научное обоснование и границы применимости различных соотношений, используемых в инженерной практике;

·  критически анализировать и использовать информацию о современных подходах к анализу содержания и методов моделирования волновых процессов, использующих рабочие тела в различном фазовом состоянии.

2. МЕСТО ДИСЦИПЛИНЫ В СТРУКТУРЕ ООП ВПО

Дисциплина относится к вариативной части (дисциплина по выбору студента) общенаучного цикла М.1 основной образовательной программы подготовки магистров «Теплофизика и молекулярная физика» направления 140700 «Ядерная энергетика и теплофизика».

Дисциплина базируется на следующих дисциплинах: «Математика», «Физика (общая)», «Физика специальная», «Термодинамика», «Физика плазмы», «Физика твердого тела».

Знания, полученные по освоении дисциплины, необходимы при выполнении магистерской диссертации.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

В результате освоения учебной дисциплины, обучающиеся должны демонстрировать следующие результаты образования:

Знать:

·  использовать представления о методических основах научного познания и творчества, роли научной информации в развитии науки (ОК-8);

·  демонстрировать навыки работы в коллективе, готовность генерировать (креативность) и использовать новые идеи (ПК-3);

·  находить творческие решения профессиональных задач, готовность принять не стандартные решения (ПК-4);

·  оформлять, представлять и докладывать результаты выполненной работы (ПК-8;

·  использовать современные компьютерные и информационные технологии (ПК-9);

·  использовать педагогические методики при подготовке и проведении практических и лабораторных занятий по дисциплине ООП магистратуры (ПК-27).

Уметь:

·  составлять математическое описание волновых процессов применительно к типовым конструкциям и режимам работы теплофизического оборудования (ОК-7, ПК-2);

·  самостоятельно выбирать адекватную задаче методику для расчета типовых неустойчивостей и определять режимы работы элементов теплофизических устройств, в которых распространяются волны (ОК-7, ПК-8);

·  использовать стандартные программы для численного моделирования волновых процессов в системах различного рола (ПК-12);

·  осуществлять поиск и анализировать научную и научно-техническую информацию в текущей научной периодике и в Интернет (ПК-6);

·  участвовать в проведении теплофизических экспериментов по изучению волновых процессов в твердом теле, жидкости, газе и плазме (ПК-12).

Владеть:

·  терминологией в области физики волновых процессов в твердом теле, жидкости, газе и плазме (ОК-2);

·  навыками дискуссии по профессиональной тематике (ОК-12);

·  методиками проведения расчетов типичных неустойчивостей и волновых процессов в твердом теле, жидкости, газе и плазме (ПК-8);

·  навыками самостоятельной работы на компьютере, проведения численных исследований неустойчивостей и волновых процессов в твердом теле, жидкости, газе и плазме (ПК-12).

4. СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

4.1 Структура дисциплины

Общая трудоемкость дисциплины составляет 3 зачетные единицы, 108 часов.

№

п/п

Раздел дисциплины.

Форма промежуточной аттестации
(по семестрам)

Всего часов на раздел

Семестр

Виды учебной работы, включая самостоятельную работу студентов и
трудоемкость (в часах)

Формы текущего контроля успеваемости

(по разделам)

лк

пр

лаб

Сам.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

1

Модели сплошных сред.

15

1

6

3

--

6

Реферат по теме

2

Волны малой амплитуды.

15

1

6

3

--

6

Письменная контрольная работа по материалам раздела.

3

Распространение слабых и сильных разрывов в газе и плазме и конвекция.

.

15

1

6

3

--

6

Реферат по волнам в плазме

4

Поверхностные волны.

15

1

6

3

--

6

Письменная контрольная работа по материалам раздела.

5

Нелинейные волны в сплошных средах.

15

1

6

3

--

6

Письменная контрольная работа по материалам раздела.

6

Метод решения определенного класса нелинейных уравнений

13

1

6

3

--

4

Реферат «Нелинейные волны в сплошных средах».

Зачет

2

1

--

--

--

2

Устный зачет

Экзамен

18

1

--

--

--

18

Устный экзамен

Итого:

108

1

36

18

--

54

4.2 Содержание лекционно-практических форм обучения

4.2.1. Лекции

1. Модели сплошных сред.

Дискретные и сплошные среды. Стационарные и эволюционные модели в физике и технике. Алгебраические модели. Модели, сводящиеся к обыкновенным дифференциальным уравнениям. Модели, сводящиеся к дифференциальным уравнениям в частных производных. Модели, сводящиеся к интегральным уравнениям.

Системы с сосредоточенными параметрами. Стационарные состояния и особые точки дифференциальных уравнений. Бифуркации решений. Нелинейные эффекты. Понятие об устойчивости стационарного состояния. Линеаризация. Методы анализа эволюции малых возмущений. Периодические процессы в системах с сосредоточенными параметрами. Уравнение Ван-дер-Поля и предельные циклы.

Системы с распределенными параметрами. Стационарные состояния. Понятие об устойчивости стационарного состояния. Методы исследования устойчивости стационарных состояний. Линеаризация и анализа эволюции малых возмущений. Устойчивость стационарных состояний относительно малых возмущений. Области устойчивости и нейтральная кривая. Критерии возникновения неустойчивостей на основе анализа корней дисперсионного уравнения. Метод локального дисперсионного уравнения. Периодические процессы в сплошных средах.

2. Волны малой амплитуды.

Различные формы записи уравнений движения и энергии. Стационарные состояния. Уравнения неразрывности, движения и энергии для малых возмущений. Линеаризация уравнений. Распространение малых возмущений в совершенном газе в безграничной среде. Дисперсионное уравнение. Типы волны в газе. Акустические волны в движущейся среде. Эффект Доплера. Волны Римана.

Уравнения сплошной среды для вязкого и теплопроводного газа. Особенности распространения малых возмущений в вязком и теплопроводном газе. Дисперсионное уравнение для связанных энтропийных и акустических мод в вязком и теплопроводном газе. Дисперсионное уравнение. Влияние внешних сил и источников тепловыделения на распространение акустических колебаний в газе. Механизм генерации акустических колебаний Рэлея.

Колебания и волны в твердом теле и низкотемпературной плазме. Уравнение динамики смещений в твердом теле. Феноменологическое уравнение состояния твердого тела. Вывод соотношений между тензорами напряжений и деформаций. Распространение звука в твердом теле. Продольная акустическая волна. Поперечные акустические волны. Определение местонахождения источника акустических возмущений.

Основные свойства плазмы. Колебания и волны в низкотемпературной плазме. Ионизационные волны. Основные неустойчивости в низкотемпературной плазме: акустическая, перегревная, ионизационная, ионизационно-перегревная. Плазменная турбулентность. Турбулентные коэффициенты переноса.

3. Распространение слабых и сильных разрывов в газе и плазме и конвекция.

Понятие о слабых и сильных разрывах. Скорости распространения слабых разрывов. Сильные разрывы. Соотношения на поверхности разрыва.

Ударные и детонационные волны. Ионизующие ударные волны в плазме. Соотношения на фронте ударной волны. Структура ударных и детонационных волн. Устойчивость ударных и детонационных волн.

Волны горения и ионизации. Паводковые ударные волны в жидкости и скорости их распространения. Конвекция Рэлея – Бенара в слое. Уравнения несжимаемой жидкости в модели Буссинеска. Стационарные состояния с слое жидкости с одностороннем нагреве. Линеаризация. Дисперсионное и характеристическое уравнения. Условия возникновения тепловой конвекции в жидкости для свободной и твердой поверхностей. Валы. Ячейки Бенара. Особенности теплопереноса при наличии конвекции в жидкости.

4. Поверхностные волны.

Гравитационно – капиллярные волны на поверхности слоя жидкости конечной и бесконечной глубины. Линейная задача. Нелинейные волны и методы разложения решения в ряд по малым параметрам задачи. Кноидальные волны и волны Стокса.

Уравнение Кортевега – де Вриза. Солитон и его свойства. Взаимодействия солитонов. Взаимодействие волн и кинетическое уравнение . Турбулентность поверхностных волн. Спектры турбулентности.

5. Нелинейные волны в сплошных средах.

Особенности распространения нелинейных волн. Уравнение Кортевега – де Вриза. Солитоны и их свойства. Уравнение Кадомцева – Петвиашвилли и двумерные солитоны.

Уравнение синус Гордона. Уравнение Ландау для амплитуды. Волны огибающих. Нелинейное уравнение Шредингера для амплитуды огибающей волны. Волны в полупроводниках. Эффект Ганна. Некоторые общие методы решения нелинейных уравнений в частных производных.

6. Метод решения определенного класса нелинейных уравнений.

Метод решения класса нелинейных уравнений с использованием обратной задачи рассеяния. Волны Римана и образование разрывов. Волны и турбулентность. Слабая турбулентность.

4.2.2. Практические занятия

Линеаризация как метод определения устойчивости стационарного состояния.

Колебания и волны в твердом теле и плазме.

Ударные волны.

Волны на поверхности жидкости.

Солитоны.

Обратная задача рассеяния.

4.3. Лабораторные работы:

Лабораторные работы учебным планом не предусмотрены.

4.4. Расчетные задания:

1.Продольная и поперечные акустические волны в твердом теле.. Определение местонахождения источника акустических возмущений.

2. Акустическая, перегревная, ионизационная, ионизационно-перегревная. неустойчивости в низкотемпературной плазме.

3. Условия возникновения тепловой конвекции в жидкости для свободной и твердой поверхностей. Валы. Ячейки Бенара.

4.5. Курсовые проекты и курсовые работы:

Курсовой проект (курсовая работа) учебным планом не предусмотрен

5. ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Лекционные занятия проводятся в традиционной форме, с использованием специально подготовленных раздаточных материалов. На доске представлены лаборатории представлены материалы программа курса, варианты контрольных опросов, типовые задачи по курсу, раздаточный материал по курсу "Волны и неустойчивости в сплошных средах" (данные о свойствах веществ, таблицы специальных функций и т. п.), справочная информация), доступные каждому студенту.

Практические занятия. Практические занятия проводятся с обсуждением в аудитории общего алгоритма решения, получение аналитического решения задачи, там, где это возможно. В качестве домашнего задания предлагается проведение многовариантных расчетов в среде Mathcad, Matlab или АNES.

Проведение занятий с демонстрацией фильма о распространении и трансформации нелинейных волн.

Самостоятельная работа включает знакомство с дополнительной научной литературой, выполнение домашних заданий к практическим занятиям, выполнение расчетного задания, подготовку к контрольным опросам, подготовку к зачету и экзамену.

6. ОЦЕНОЧНЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ТЕКУЩЕГО КОНТРОЛЯ УСПЕВАЕМОСТИ, ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ ПО ИТОГАМ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

За весь семестр на основе выполнения письменных контрольных работ проводится 4 10 контрольных опросов, охватывающих весь теоретический материал. Это – форма контроля самостоятельной работы студентов. На практических занятиях проводится по две контрольных работы в семестр. Успешная сдача контрольных опросов и написание контрольных работ, самостоятельное решение обязательного набора домашних заданий, выполнение и защита типового расчета – условие получения семестрового зачета по курсу.

Темы типовых расчетов, варианты контрольных заданий и контрольных опросов для проведения текущего контроля, а также для контроля самостоятельной работы обучающегося по отдельным разделам дисциплины, и перечень вопросов для промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины (зачет, экзамен), включены в Учебно-методический комплекс по дисциплине. Все эти материалы размещены на сайте кафедры в Интернет.

Аттестация по дисциплине – зачет и экзамен.

Оценка за освоение дисциплины, определяется по итогам экзамена, но с учетом работы студента в семестре. Это делается в том случае, когда результаты экзамена оказываются ниже, чем уровень работы студента в течение семестра.

7. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

7.1. Литература:

а) основная литература:

1.  . Акустические волны в плазме и твердом теле. Учебное пособие. - М.: Изд-во Моск. Энергетич. Инст.. 20с.

2.  , , Левитан плазменной турбулентности и численное методы расчета турбулентных течений плазмы. Энциклопедия низкотемпературной плазмы, ред. , Москва, Изд. МАИК "Наука-Интерпериодика", 2000, Т. III,, С. 272-285).

3.  Синкевич к разделу "Численное моделирование низкотемпературной плазмы". Энциклопедия низкотемпературной плазмы, ред. , Москва, Изд. МАИК "Наука-Интерпериодика", 2000, Т. III, С. 227-228.

б) дополнительная литература:

1.  , Стаханов плазмы.-М.:Высш. школа,1991.-191с.

2.  , . Применение вейвлет - преобразования для анализа турбулентности в низкотемпературной плазме. - М.: Изд-во Моск. Энергетич. Инст., 2002, 40 С.

3.  , , Синкевич и турбулентность в низкотемпературной плазме. - М: Изд-во Моск. Энергетич. Инст.,, 1994, 402с.

7.2. Электронные образовательные ресурсы:

а) лицензионное программное обеспечение и Интернет-ресурсы:

В лаборатории кафедры ИТФ МЭИ представлены материалы по курсу "Волны и неустойчивости в сплошных средах": варианты контрольных работ и контрольных опросов для оценки текущей самостоятельной работы студентов, перечень вопросов для повторения перед экзаменом по курсу "Волны и неустойчивости в сплошных средах", раздаточные и справочные материалы, дополнительная литература для самостоятельной работы, включающая монографии и научные статьи.

б) другие:

Подготовлено занятие с демонстрацией фильма о распространении и трансформации нелинейных волн.

8. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

Для обеспечения более успешного освоения студентами курса "Волны и неустойчивости в сплошных средах" необходимо наличие учебной аудитории, снабженной компьютерным проектором для демонстрации слайдов и учебных фильмов.

Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО по направлению подготовки 140700 «Ядерная энергетика и теплофизика» и программе подготовки магистров «Теплофизика и молекулярная физика».

ПРОГРАММУ СОСТАВИЛ:

д. ф.-м. н., профессор

"УТВЕРЖДАЮ":

Зав. кафедрой ИТФ

д. т.н., с. н.с.