Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Липецкий государственный технический университет»

Металлургический институт

УТВЕРЖДАЮ

Директор

Чупров В.Б.

«» _ 2011 г.

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ

Вычислительные методы теплотехники Направление подготовки: 150400.62 «Металлургия»

Профиль подготовки: «Теплофизика, автоматизация и экология промышленных печей»

Квалификация (степень) выпускника: бакалавр Форма обучения: очная г. Липецк – 2011 г.

1. Цели освоения дисциплины Целью освоения дисциплины «Вычислительные методы теплотехники» является ознакомление с основными численными методами реализации аналитических решений и дифференциальных уравнений, описывающих тепломассообмен в инженерных задачах теплотехники.

2. Место дисциплины в структуре ООП ВПО Дисциплина «Вычислительные методы теплотехники» входит в раздел «Б.2. Математический и естественнонаучный цикл. Вариативная часть» ФГОС ВПО по направлению подготовки 150400.62 «Металлургия» (квалификация (степень) «бакалавр»), профиль подготовки «Теплофизика, автоматизация и экология промышленных печей».

Для изучения дисциплины необходимы компетенции, сформированные при изучении следующих дисциплин:

- математика;

- физика;

- теплофизика;

- физическая химия;

- механика жидкостей и газов;

- техническая термодинамика;

- теория и практика теплогенерации;

- тепло- и массообмен;

- металлургическая теплотехника.

Изучение дисциплины «Вычислительные методы теплотехники» необходимо как предшествующее для изучения дисциплин «Автоматизация промышленных печей», «Общая теория тепловой работы и конструкции промышленных печей».

3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины В результате освоения дисциплины «Вычислительные методы теплотехники» обучающийся должен обладать следующими общепрофессиональными компетенциями:

уметь использовать фундаментальные общеинженерные знания (ПК-1);

уметь сочетать теорию и практику для решения инженерных задач (ПК-4);

иметь способности к анализу и синтезу (ПК-18);

уметь выбирать методы исследования, планировать и проводить необходимые эксперименты, интерпретировать результаты и делать выводы (ПК-19);

уметь использовать физико-математический аппарат для решения задач, возникающих в ходе профессиональной деятельности (ПК-20);

уметь использовать основные понятия, законы и модели термодинамики, химической кинетики, переноса тепла и массы (ПК-21);

уметь выбирать и применять соответствующие методы моделирования физических, химических и технологических процессов (ПК-22).

В результате освоения дисциплины обучающийся должен:

Знать:

методы численного решения нелинейных уравнений и численного интегрирования;

методы численной реализации решений задач тепломассообмена;

конечно-разностные методы решения задач тепломассопереноса;

численные методы решения задач теплообмена излучением.

Уметь:

строить и анализировать математические модели тепломассопереноса;

разрабатывать алгоритмы и программы с использованием структурного подхода;

использовать основные численные методы для решения инженерных задач теплотехники;

осуществлять корректное математическое описание процессов тепломассообмена;

использовать справочную литературу для выполнения расчетов;

описывать, рассчитывать и анализировать процессы переноса тепла и массы, выделять факторы, определяющие их интенсивность.

Владеть:

методами анализа и численными методами, вычислительной техникой при решении прикладных задач в области теплотехники;

методами работы в среде Windows;

навыками расчета процессов конвективного тепло- и массопереноса, передачи тепла излучением и теплопроводностью.

4. Структура и содержание дисциплины (модуля) Общая трудоемкость дисциплины составляет 5 зачетных единиц, 180 часов.

Распределение часов по учебному плану Трудоёмкость Виды контроля Курс Семестр Зачётные Лаб. Практ. Промеж.

Всего Лекции Инд. СРС Экзамен Зачет Задание единицы раб. зан. контроль Раздел дисциплины Наименование тем лекций (трудоемкость в часах) п/п 1 Численная реализация точ- Основные положения. Краевые условия. Классификация метоных аналитических решений дов решения краевых задач (2).

задач тепломассопереноса Решение нелинейных уравнений. Численное интегрирование (2).

2 Конечно-разностные методы Основные понятия теории разностных схем. Явная и неявная решения задач тепломассопе- схемы (2).

3 Численные методы решения Расчет теплообмена в системе серых тел с диффузным отражезадач теплообмена излучени- нием (2).

1 Численная реализация точных Программная реализация точного аналитического решения оданалитических решений задач номерных задач (4).

тепломассопереноса 2 Конечно-разностные методы Программная реализация численного решения одномерных зарешения задач тепломассопе- дач (6).

3 Численные методы решения Программная реализация численного решения системы нелизадач теплообмена излучени- нейных уравнений лучистого теплообмена в поглощающих, 1 Численная реализация точных 1. Расчет одномерного нестационарного температурного поаналитических решений задач ля пластины (3).

тепломассопереноса 2 Конечно-разностные методы 2. Расчет нестационарного температурного поля стержня с решения задач тепломассопере- боковым теплообменом по явной и неявной схеме (5).

носа 3. Расчет нестационарного трехмерного температурного поля параллелепипеда с граничными условиями третьего 3 Численные методы решения за- 4. Решение системы нелинейных уравнений лучистого тепдач теплообмена излучением лообмена в поглощающих, излучающих и рассеивающих 5. Образовательные технологии В соответствии с требованиями ФГОС ВПО при изучении дисциплины «Вычислительные методы теплотехники» предусматривается использование в учебном процессе активных и интерактивных форм проведения занятий. При проведении практических занятий используются обсуждение постановки задач и способов их решения, обсуждение отдельных разделов дисциплины.

При проведении лабораторных работ используется специализированный компьютерный класс, оснащенный расчетными и имитационными компьютерными моделями.

6. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины и учебно-методическое обеспечение самостоятельной 1) Текущий контроль.

При изучении дисциплины проводятся практические и лабораторные работы по темам, представленным в разделе «Структура и содержание дисциплины». На практических занятиях обсуждаются и разрабатываются алгоритмы решения задач, практическая реализация которых осуществляется на лабораторных работах. Защита последних служит средством текущего контроля успеваемости.

2) Курсовая работа.

Примеры задания для курсовой работы.

1. Определить нестационарное температурное поле по толщине элемента кирпичной насадки регенеративного теплообменника.

2. Определить нестационарное температурное поле по толщине заготовки в трехзонной методической нагревательной печи.

3. Определить двумерное нестационарное температурное поле по толщине металлической заготовки цилиндрической формы при естественном охлаждении.

4. Определить температурное поле по толщине водоохдаждаемой футеровки доменной печи.

3) Промежуточная аттестация (контроль) Промежуточная аттестация (контроль) представляет собой экзамен, проходящий в виде ответа на теоретические вопросы и защиты результатов выполнения курсовой работы.

Перечень теоретических вопросов к экзамену.

1. Постановка задачи расчета нестационарного одномерного температурного поля в неограниченной пластине.

2. Решение нелинейных уравнений методом половинного деления.

3. Решение нелинейных уравнений методом Ньютона.

4. Решение нелинейных уравнений методом простой итерации.

5. Численное интегрирование: формула трапеций, формула Симпсона, формула Гаусса.

6. Оценка погрешности численного интегрирования.

7. Алгоритм реализации точного аналитического решения одномерной задачи нестационарной теплопроводности.

8. Разностная схема и разностное решение.

9. Пространственно-временная сетка. Сеточная функция.

10. Сходимость и аппроксимация разностных схем.

11. Безусловная и условная устойчивость разностных схем.

12. Явная и неявная схемы задач теплопроводности.

13. «Механизм» возникновения неустойчивости при расчете по явной схеме.

14. Разностная схема с весами.

15. Свойство консервативности разностной схемы.

16. Интегро-интерполяционный метод (метод баланса).

17. Аппроксимация граничных условий.

18. Свойство монотонности разностной схемы.

19. Модификация метода Гаусса для решения системы уравнений неявной схемы (метод прогонки).

20. Алгоритм реализации численного решения одномерной краевой задачи нестационарной теплопроводности по неявной схеме.

21. Алгоритм реализации численного решения одномерной краевой задачи нестационарной теплопроводности по явной схеме.

22. Нелинейная и квазилинейная разностные схемы.

Метод простой итерации для решения нелинейной разностной схемы.

23.

Линеаризация уравнений по методу Ньютона для решения нелинейной разностной схемы.

24.

Построение разностных схем для многомерных задач теплопроводности.

25.

Локально-одномерная схема решения многомерных задач.

26.

Алгоритм реализации численного решения многомерных задач с помощью локальноодномерной схемы.

28. Конечно-разностные схемы для уравнения энергии.

29. Алгоритм расчета стационарного двумерного температурного поля при течении в трубе.

30. Алгоритм решения стационарной одномерной совместной задачи теплообмена в канале.

31. Задачи расчета теплообмена в системе серых тел с диффузным отражением: система уравнений для результирующих лучистых потоков и алгоритм ее решения.

32. Расчет угловых коэффициентов: метод ячеек, последовательное интегрирование, метод Монте-Карло.

33. Расчет угловых коэффициентов методом статистической имитации: основная идея метода и алгоритм реализации расчета.

34. Моделирование теплообмена в поглощающих, излучающих и рассеивающих средах.

4) Самостоятельная работа студентов в объеме 75 часов включает Обязательная часть (37 час):

- проработка материала лекций – 3 часа;

- подготовка к практическим занятиям и лабораторным работам – 34 часа;

Вариативная часть (38 часов):

- выполнение курсовой работы – 38 часов.

7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины а) Основная литература:

1. В.С.Швыдкий, М.Г.Ладыгичев, В.С.Шаврин. Математические методы теплофизики:

Учебник для вузов. – М.: «Машиностроение», 2001. – 232 с.

2. Г.Н.Дульнев, В.Г.Парфенов, А.В.Сигалов. Применение ЭВМ для решения задач теплообмена: Учеб. пособие для теплофизич. и теплоэнергетич. спец. вузов. – М.: «Высшая школа», 1990. – 207 с. – (ЭВМ в техническом вузе).

3. Металлургическая теплотехника. В 2-хтомах: Учебник для вузов/ В.А.Кривандин, В.А.Арутюнов, Б.С.Мастрюков и др. – М.: «Металлургия», 1986. – 544 с.

4. В.А.Арутюнов, В.В.Бухмиров, С.А.Крупенников. Математическое моделирование тепловой работы промышленных печей. – М.: «Металлургия», 1990. – 238 с.

б) Дополнительная литература:

1. Н.С.Бахвалов, Н.П.Жидков, Г.М.Кобельков. Численные методы. – М.: Изд-во «Лаборатория базовых знаний», 2003. – 632 с.

2. В.С.Зарубин. Инженерные методы решения задач теплопроводности. – М.: «Энергоатомиздат», 1983. – 232 с.

3. В.М.Пасконов, В.И.Полежаев, Л.А.Чудов. Численное моделирование процессов теплои массообмена. – М.: «Наука», 1984. – 232 с.

4. Л.И.Турчин. Основы численных методов. – М.: «Наука», 1987. – 320 с.

5. Д.Ши. Численные методы в задачах теплообмена. – М.: «Мир», 1988. – 544 с.

6. Т.Шуп. Прикладные численные методы в физике и технике: Пер. с англ.

С.Ю.Славянова/ Под ред. С.П.Меркурьева. – М.: «Высшая школа», 1990. – 255 с.

7. Конечно-разностный метод решения задач теплопроводности. Методические указания по курсовому и дипломному проектированию. Сост.: Бянкин И.Г., Бельская И.В. – Липецк, ЛГТУ, 2002. – 20 с.

в) Программное обеспечение и Интернет-ресурсы:

1. Программа «FUTER – расчет тепловых потерь через многослойную футеровку в стационарных и нестационарных условиях» (Разработка кафедры теплофизики ЛГТУ).

2. Программа «KAUPER – тепловой расчет регенератора (доменного воздухонагревателя)»

(Разработка кафедры теплофизики ЛГТУ).

8. Материально-техническое обеспечение дисциплины Для успешного проведения занятий по дисциплине «Вычислительные методы теплотехники» вуз располагает необходимой материально-технической базой, обеспечивающей проведение всех видов занятий, предусмотренных данной программой, и соответствующей действующим санитарным и противопожарным правилам и нормам:

специализированными аудиториями для проведения лекционных, практических и лабораторных занятий;

специализированным компьютерным классом для проведения занятий с использованием расчетных и имитационных компьютерных моделей;

необходимым программным обеспечением и выходом в Интернет;

научно-технической и методической литературой.

Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом рекомендаций и ПрООП ВПО по направлению 150400.62 «Металлургия» (квалификация (степень) «бакалавр»), профиль подготовки «Теплофизика, автоматизация и экология промышленных печей».

Программа одобрена на заседании кафедры теплофизики «» _ 2011 г., протокол № _.