МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Факультет _механико-математический

(наименование)

Кафедра _математического моделирования в механике

(наименование)

УТВЕРЖДАЮ

Проректор по учебной работе В.П. Гарькин «»_ 2010 г.

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ

Вычислительный эксперимент в гидравлике и аэродинамике Профессионально-образовательная программа специальности 010700 Фундаментальная математика и механика Цикл С3+. «профессиональный цикл», вариативная часть Профиль подготовки Теоретическая и прикладная механика Квалификация (степень) выпускника Специалист Форма обучения очная Курс 5 семестр Самара Рабочая программа составлена на основании федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования направления 010700 ФУНДАМЕНТАЛЬНАЯ МАТЕМАТИКА И МЕХАНИКА, утвержденного приказом Министерства образования и науки Российской Федерации от 2010 г. №.

Зарегистрировано в Минюст России _ 2010 г. №.

Составители рабочей программы:

Калабухов В.Н., ст. преподаватель кафедры математического моделирования в механике, Рецензент:

Кожевников Е.Н. профессор кафедры математического моделирования в механике, д.ф.-м.н., профессор _ 2010 г. _ _Е.Н.Кожевников Рабочая программа утверждена на заседании кафедры математического моделирования в механике (протокол № от «» _ 2010 г.) Заведующий кафедрой _ 2010 г. Н.И.Клюев

СОГЛАСОВАНО

Председатель методической комиссии факультета _ 2010 г. _Е.Я.Горелова Декан Факультета _ 2010 г. С.Я.Новиков Начальник методического отдела _ 2010 г. _ Н.В. Соловова 1. Цели и задачи дисциплины, ее место в учебном процессе, требования к уровню освоения содержания дисциплины.

1.1. Цели и задачи изучения дисциплины.

Цель дисциплины «Вычислительный эксперимент в гидравлике и аэродинамике» – закрепление у студентов навыков обращения с основными измерительными приборами и использование компьютерных технологий ведения эксперимента и обработки опытных данных.

1.2. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины (модуля) В результате освоения учебной дисциплины обучающийся должен знать:

- основные положения и методы научного познания при решении профессиональных задач;

- фундаментальные законы механики: основные положения статики, кинематики и динамики материальной точки и твердого тела, гидродинамики и аэромеханики;

- современные проблемы механики, решение которых сопряжено с разработкой математических моделей;

уметь:

- применять основные положения и методы механики при решении профессиональных задач;

- понять поставленную задачу и на основе анализа сформулировать результат;

- грамотно пользоваться языком предметной области и самостоятельно математически корректно ставить задачи механики;

- применять базовые знания в областях информатики и современных информационных технологий, создавать базы данных и использовать ресурсы Интернет;

быть способным:

- разрабатывать и реализовывать математические модели механических явлений окружающего мира средствами вычислительной техники;

- использовать практические навыки в решении задач механики рациональным способом с наименьшими затратами времени.

- применять методы алгоритмического моделирования при постановке прикладных задач;

владеть компетенциями:

ОК - 7 Способность к исследованиям и нацеленность на постижение точного ОК - 8 Способность приобретать новые знания, используя современные образовательные и информационные технологии ОК - 9 Способность осознать социальную значимость своей будущей профессии, обладать высокой мотивацией к выполнению профессиональной деятельности ОК - 10 Умение находить, анализировать и контекстно обрабатывать информацию, в том числе относящуюся к новым областям знаний, непосредственно не связанным со сферой профессиональной ОК - 11 Способность и готовность использования в профессиональной деятельности фундаментальной подготовки по основам ОК - 12 Способность активно использовать компьютер в профессиональной и ОК - 14 Способность к анализу и синтезу ОК - 17 Способен и нацелен на постоянное совершенствование в практической ПК - 1 Способность к определению общих форм, закономерностей и инструментальных средств отдельной предметной области ПК - 2 Умение понять поставленную задачу ПК - 4 Способность создавать и исследовать новые математические модели явлений реального мира, сред, тел и конструкций ПК - 5 Умение на основе анализа увидеть и корректно сформулировать ПК - 6 Умение самостоятельно увидеть следствия сформулированного ПК – 7 Умение грамотно пользоваться языком предметной области ПК - 8 Умение ориентироваться в постановках задач ПК - 9 Умение ориентироваться в современных методах и алгоритмах компьютерной математики, совершенствовать их, углублять и развивать математическую теорию и физико-механические модели, лежащие в их ПК - 10 Способность к собственному видению прикладного аспекта в строгих ПК - 11 Способность к творческому применению современных специализированных программных комплексов, включение в них собственных моделей, методов и алгоритмов ПК - 12 Глубокое понимание сути точности фундаментального знания ПК - 13 Обретение опыта самостоятельного различения различных типов знания ПК - 19 Владение методом алгоритмического моделирования при анализе ПСК - 8 Владение специальными разделами теоретической и прикладной механики, методами механики управляемых систем, методами математического моделирования в естественных науках 1.3. Место дисциплины в структуре ООП Для усвоения данного курса необходимо знание основных разделов курсов:

«Математический анализ», «Дифференциальные уравнения», «Теоретическая механика», «Механика сплошных сред». Студенты должны владеть основами векторного и тензорного анализа, уметь дифференцировать и интегрировать.

2. Содержание дисциплины 2.1. Объем дисциплины и виды учебной работы Семестр – 9, вид отчетности –9сем.-зачет Трудоемкость изучения дисциплины Обязательная аудиторная учебная нагрузка (всего) в том числе:

практические занятия Самостоятельная работа студента (всего) в том числе:

Подготовка к практическим занятиям Самостоятельное изучение тем 2.2. Тематический план учебной дисциплины Наименование разделов Содержание учебного материала, лабораторные Раздел 1. Виртуальный лабораторный практикум по механике жидкости Краткие теоретические 1 Движение жидких сред. Законы сохранения.

сведения из механики Течение жидкости в трубе. Закон Бернулли. Определение 1 Определение плотности неизвестной жидкости.

гидростатического давления Определение цены деления механического Определение плотностей 1 Определение плотности неизвестной жидкости в несмешивающихся жидкостей первом пьезометре. Определение плотности в сообщающихся сосудах неизвестной жидкости во втором пьезометре.

Гидравлический пресс 1 Расчет силы приложенной к рычагу. Расчет Сила давления жидкости на 1 Определение силы суммарного давления на плоскую поверхность плоскую стенку. Определение центра давления и Относительное равновесие 1 Нахождение частоты вращения сосуда с жидкостью. жидкости во вращающемся Определение свободной поверхности жидкости Построение напорной и 1 Определение потери напора по длине трубопровода. пьезометрической линий для Расчет коэффициентов местных потерь и трубопровода сопротивления коэффициента Дарси.

Определение режима 1 Наблюдение за различными режимами движения движения жидкости жидкости. Расчет числа Рейнольдса для различных Определение зависимости 1 Изучение движения жидкости вдоль стенки с между гидравлическим одинаковой высотой выступов. Определение уклоном и средней скоростью зависимости гидравлического уклона от скорости.

при турбулентном движении Самостоятельная работа студента Исследование процесса 1 Истечение жидкости через малое круглое отверстие. истечения через малое круглое Истечение жидкости через цилиндрический отверстие и внешний насадок. Расчет параметров движения цилиндрический насадок Определение коэффициентов 1 Определение коэффициента расхода дроссельного расхода дроссельного прибора прибора (диафрагмы). Определение коэффициента (диафрагмы) и водомера расхода водомера Вентури.

Раздел 2. Виртуальный лабораторный практикум по Течение газа по каналу 1 Измерение распределения давления газа в сопле Определение 1 Измерение распределения давления по поверхности аэродинамических профиля турбинной лопатки. Определение характеристик профиля аэродинамических коэффициентов Испытание центробежного вентилятора Раздел 3. Лабораторный практикум по аэромеханике Аэродинамические измерения 1 Проведение аэродинамических измерений на трубе аэродинамических коэффициентов профиля крыла в дозвуковом потоке по измеренным давлениям на его Исследование распределения 1 Проведение испытаний шара в потоке несжимаемой сопротивления шара в потоке результатам экспериментальных исследований несжимаемой жидкости Определение параметров пограничного слоя на плоской пластине, обтекаемой в 2 Определение параметров пограничного слоя на продольном направлении плоской пластине * В таблице уровень усвоения учебного материала обозначен цифрами:

1. – репродуктивный (освоение знаний, выполнение деятельности по образцу, инструкции или под руководством);

2. – продуктивный (планирование и самостоятельное выполнение деятельности, решение проблемных задач; применение умений в новых условиях);

3. – творческий (самостоятельное проектирование экспериментальной деятельности; оценка и самооценка инновационной деятельности) 2.3. Содержание учебного курса Раздел 1. Виртуальный лабораторный практикум по механике жидкости (работы из данного раздела выполняются в лаборатории компьютерного моделирования) Тема 1.1.Краткие теоретические сведения из механики жидкости. Типы жидких сред.

Понятие о несжимаемых жидкостях и сжимаемых жидкостях (газах). Движение жидких сред. Законы сохранения массы и энергии. Течение жидкой среды в трубе. Измерение расхода на основании уравнения Бернулли. Потери на трение и падение давления в трубах.

Тема 1.2. Определение гидростатического давления. В работе требуется определить плотность неизвестной жидкости и цену деления механического манометра. Полученные данные предлагается выразить в различных единицах измерения.

Тема 1.3. Определение плотностей несмешивающихся жидкостей в сообщающихся сосудах. Исходя из законов гидростатики, предлагается определить плотности неизвестных жидкостей в двух пьезометрах.

Тема 1.4. Гидравлический пресс. Рассматривается гидростатическая машина, принцип действия которой может быть описан основным уравнением гидростатики. Требуется рассчитать силу, приложенную к рычагу, и прессующую силу.

Тема 1.5. Сила давления жидкости на плоскую поверхность. В работе необходимо найти силы суммарного давления воды на плоскую стенку, определить центр давления и построить эпюры давления.

Тема 1.6. Относительное равновесие жидкости во вращающемся сосуде. Целью работы является нахождение частоты вращения сосуда, построение свободной поверхности жидкости опытным и расчетным путем, построение эпюры избыточного давления на дно сосуда.

Тема 1.7. Построение напорной и пьезометрической линий для трубопровода сопротивления. В работе необходимо опытным путем определить потери напора на преодоление сопротивления по длине трубопровода и на участках с местным сопротивлением. Также требуется рассчитать коэффициенты местных потерь и коэффициенты Дарси, а также построить напорную и пьезометрическую линию.

Тема 1.8. Определение режима движения жидкости. Целью работы является наблюдение за различными режимами движения жидкости в трубе и определение числа Рейнольдса.

Тема 1.9. Определение зависимости между гидравлическим уклоном и средней скоростью при турбулентном движении воды. При движении жидкости вдоль стенки с одинаковой высотой выступов толщина ламинарной пленки меняется в зависимости от средней скорости (числа Рейнольдса). Поэтому в работе предлагается определить режим движения (расчет числа Рейнольдса) и установить зависимость гидравлического уклона от скорости.

Тема 1.10. Исследование процесса истечения через малое круглое отверстие и внешний цилиндрический насадок. Работа заключается в проведении двух экспериментов: истечение через отверстие и истечение из насадка. В процессе работы определяются: коэффициент сжатия, коэффициент скорости, коэффициент расхода и сопротивления. Также рассчитывается значение вакуума в зоне отжима при истечении через насадок.

Тема 1.11. Определение коэффициентов расхода дроссельного прибора (диафрагмы) и водомера Вентури. Определение расхода жидкости в производственных условиях осуществляют с помощью различных расходомерных приборов. В работе рассматриваются наиболее распространенные приборы: мерная шайба, или диафрагма, и водомер Вентури. Целью работы является определение коэффициента дроссельного прибора и коэффициента расхода водомера Вентури, а также построение тарировочных графиков.

Раздел 2. Виртуальный лабораторный практикум по механике газа (работы из данного раздела выполняются в лаборатории компьютерного моделирования) Тема 2.1. Течение газа по каналу переменного сечения. В данной работе рассматриваются закономерности одномерного установившегося движения газа в сопле Лаваля. Цель работы заключается в измерение распределения давления газа вдоль стенки сопла, расчете основных параметров течения и сравнение полученных экспериментальных результатов с результатом теоретического расчета.

Тема 2.2. Определение аэродинамических характеристик профиля турбинной лопатки. Цель работы – замерить распределение давления по поверхности профиля турбинной лопатки и, используя эти опытные данные, найти аэродинамические коэффициенты: лобового сопротивления, подъемной силы, момента тангажа, а также определить положение центра давления.

Тема 2.3. Испытание центробежного вентилятора. Цель работы: приобретение навыков экспериментального определения характеристик вентилятора – машины, предназначенной для перемещения газов.

Раздел 3. Лабораторный практикум по аэромеханике (работы из данного раздела выполняются на аэродинамической трубе АТ-1) Тема 3.1. Аэродинамические измерения. В работе рассматриваются основы аэродинамического эксперимента. Цель работы – приобретение навыков обращения с техникой и приборами, предназначенными для аэродинамических измерений.

Тема 3.2. Определение аэродинамических коэффициентов профиля крыла в дозвуковом потоке по измеренным давлениям на его поверхности. Цель работы заключается в освоении методики определения аэродинамических характеристик летательных аппаратов на основании опытного исследования, закрепление теоретических основ экспериментальной аэродинамики.

Тема 3.3. Исследование распределения давления и аэродинамического сопротивления шара в потоке несжимаемой жидкости. Экспериментальное исследование неудобообтекаемого тела (шар) позволяет провести опытное исследование кризиса обтекания шара, овладеть методикой расчета лобового сопротивления сферических конструкций по результатам экспериментальных исследований.

Тема 3.4. Определение параметров пограничного слоя на плоской пластине, обтекаемой в продольном направлении. Цель работы – закрепление основных положений теории пограничного слоя, изучение расчетной методики определения параметров пограничного слоя, получение необходимых навыков экспериментального исследования и обработки опытных данных.

3.Организация входного, текущего и промежуточного контроля обучения 3.1. Организация контроля:

Опрос на 1-ом практическом занятии;

Текущий контроль – использование балльно-рейтинговой системы;

Промежуточная аттестация выставляется на основании выполненных лабораторных работ в конце 9 семестра.

3.2. Курсовая работа Курсовая работа по курсу не предусмотрена.

3.4. Балльно-рейтинговая система Максимальная сумма баллов, набираемая студентом по дисциплине «Физикоматематический практикум и вычислительный эксперимент», закрываемой семестровой (итоговой) аттестацией, равна 100.

На основе набранных баллов, успеваемость студентов в семестре определяется следующими оценками: «отлично», «хорошо», «удовлетворительно» и «неудовлетворительно».

- «Отлично» – от 86 до 100 баллов – теоретическое содержание курса освоено полностью, без пробелов необходимые практические навыки работы с освоенным материалом сформированы, все предусмотренные программой обучения учебные задания выполнены, качество их выполнения оценено числом баллов, близким к максимальному.

- «Хорошо» – от 74 до 85 баллов – теоретическое содержание курса освоено полностью, без пробелов, некоторые практические навыки работы с освоенным материалом сформированы недостаточно, все предусмотренные программой обучения учебные задания выполнены, качество выполнения ни одного из них не оценено минимальным числом баллов, некоторые виды заданий выполнены с ошибками.

- «Удовлетворительно» – от 61 до 73 баллов – теоретическое содержание курса освоено частично, но пробелы не носят существенного характера, необходимые практические навыки работы с освоенным материалом в основном сформированы, большинство предусмотренных программой обучения учебных заданий выполнено, некоторые из выполненных заданий, возможно, содержат ошибки.

- «Неудовлетворительно» – 60 и менее баллов - теоретическое содержание курса не освоено, необходимые практические навыки работы не сформированы, выполненные учебные задания содержат грубые ошибки, дополнительная самостоятельная работа над материалом курса не приведет к существенному повышению качества выполнения учебных заданий.

Баллы, характеризующие успеваемость студента по дисциплине, набираются им в течение всего периода обучения за изучение отдельных тем и выполнение отдельных видов работ.

Распределение баллов, составляющих основу оценки работы студента по изучению дисциплины «Физико-математический практикум и вычислительный эксперимент» в течение 18 недель 9 семестра:

1. Посещение занятий (1,5 балла в неделю) до 27 баллов 3. Выполнение домашних заданий по дисциплине в до 24 баллов течение семестра Участие в студенческой научной конференции 4. Сведения о материально-техническом обеспечении дисциплины 4.1. Лаборатория компьютерного моделирования с шестью рабочими местами для студентов, оборудованными компьютерами с подключением к сети Интернет.

4.2. Лаборатория аэрогидромеханики, оснащенная прямоточной аэродинамической трубой АТ – 1.

5. Литература 5.1. Основная 1. Седов Л.И. Механика сплошной среды: Учебник для вузов. – СПб.: Лань, 2004.

2. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа: Учебник для вузов. – М.: Дрофа, 2003.

3. Алексеев Г.В., Бриденко И.И. Виртуальный лабораторный практикум по курсу «Механика жидкости и газа». – СПб.: ГИОРД, 2007.

4. Введение в математическое моделирование. Учебное пособие для вузов/Под.ред.

П.В. Трусова – М.: Инжиниринг, 2000.

5. Загузов И.С. Введение в математическое моделирование процессов аэрогидромеханики. В 2-х частях. Учебное пособие. – Самара: СамГУ, 20006.

6. Калабухов В.Н. Аэромеханика. Лабораторный практикум. – Самара: СамГУ, 2008.

5.2. Дополнительная.

1. Седов Л.И. Об основных моделях в механике. – М.: МГУ, 1992.

2. Лаврентьев М.А., Шабат Б.В. Проблемы гидродинамики и их математические модели.

– М.: Наука, 1977.

3. Клюев Н.И., Калабухов В.Н., Лукс А.Л., Кравцов В.Н. Экспериментальные методы исследования в аэрогидромеханике и теплопередаче. Лабораторный практикум. – Самара: СамГУ, 1994.