Министерство науки и образования Российской ФедерацииФедеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования«Московский физико-технический институт (государственный университет)» МФТИ (ГУ)Кафедра «Физика высокотемпературных процессов»«УТВЕРЖДАЮ» Проректор по учебной работе О. А. Горшков 2012 г.
.
Рабочая УЧЕБНАЯ Программа
по дисциплине: Физико-химические процессы в газодинамике
по направлению: 010900 «Прикладные математика и физика»
магистерская программа: 010932 – физика высокотемпературных процессов
факультет: МБФ
кафедра: Физика высокотемпературных процессов
курс: 5 (магистратура)
семестры: 10 Диф. зачет: 10 семестр
Трудоёмкость в зач. ед.: вариативная часть – 2 зач. ед.;
в т.ч.:
лекции: 32 час.;
практические (семинарские) занятия: нет;
лабораторные занятия: нет;
мастер классы, индивид. и групповые консультации: нет;
самостоятельная работа: 32 час.;
курсовые работы: нет.
ВСЕГО часов 64
Программу составил: доцент, к.ф.-м.н., Шумова В.В.
Программа обсуждена на заседании кафедры физики высокотемпературных процессов
«____» _______________2012 г.
Заведующий кафедрой академик, д.ф.-м.н. В.Е. Фортов
ОБЪЁМ УЧЕБНОЙ НАГРУЗКИ И ВИДЫ ОТЧЁТНОСТИ.
Вариативная часть, в т.ч. :
|
__2__ зач. ед.
|
Лекции
|
_32_ часа
|
Практические занятия
|
__-__ часов
|
Лабораторные работы
|
__-__ часов
|
Индивидуальные занятия с преподавателем
|
__-__ часов
|
Самостоятельные занятия, включая подготовку курсовой работы
|
_32_ часа
|
Мастер- классы, индивидуальные и групповые консультации
|
__-__ часов
|
Самостоятельные занятия (работа над коллективными и индивидуальными проектами, курсовые работы)
|
__-__ часов
|
ВСЕГО
|
64 часа (2 зач. ед.)
|
Итоговая аттестация
|
Диф. зачет: 10 семестр
|
ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ
Целью освоения дисциплины «Физико-химические процессы в газодинамике» является изучение теоретических основ и ознакомление с экспериментальными методами исследования физико-химических процессов, происходящих в ударных волнах и в сверхзвуковых расширяющихся потоках высокоэнтальпийного газа.
Задачами данного курса являются:
ознакомление с особенностями газодинамических процессов с участием релаксирующих газовых смесей с замедленным возбуждением внутренних степеней свободы атомов и молекул, с иерархией характерных времен релаксационных процессов, с механизмами влияния релаксационных процессов на газодинамические параметры;
ознакомление с существующими теоретическими и эмпирическими моделями расчета характерных времен релаксационных процессов в газах;
формирование у магистрантов способности оперировать полученными знаниями для оценок характерных времен релаксационных процессов в задачах газодинамики, выбора приближений и моделей для постановки и проведения исследования газодинамических процессов.
Место дисциплины в структуре ООП МАГИСТРАТУРЫ
Дисциплина «Физико-химические процессы в газодинамике» включает в себя разделы, которые могут быть отнесены к профессиональному циклу М.2.
Дисциплина «Физико-химические процессы в газодинамике» базируется на материалах курсов бакалавриата: базовая и вариативная часть кода УЦ ООП Б.2 (математический естественнонаучный блок) по дисциплинам «Высшая математика» (математический анализ, высшая алгебра, дифференциальные уравнения и методы математической физики), блока «Общая физика» и региональной составляющей этого блока и относится к профессиональному циклу. Освоение курса необходимо для разносторонней подготовки магистров к профессиональной деятельности, включающей как проведение фундаментальных исследований, так и постановку и решение инженерных задач.
Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины
Освоение дисциплины «Физико-химические процессы в газодинамике» направлено на формирование следующих общекультурных и общепрофессиональных интегральных компетенций магистрата:
а) общекультурные (ОК):
компетенция самообразования и самоорганизации: способность и стремление к совершенствованию и развитию своего интеллектуального и общекультурного уровня, умение эффективно организовывать свою деятельность и достигать поставленные цели (ОК-1);
компетенция профессиональной мобильности: способность к самостоятельному обучению новым методам исследования, к изменению научного и научно-производственного профиля своей профессиональной деятельности (ОК-2);
компетенция получения знаний и использования новой информации: способность самостоятельно приобретать с помощью информационных технологий и использовать на практике новые знания и умения, способность интегрировать новую информацию в уже имеющуюся систему знаний и применять её, в том числе в новых областях знаний, непосредственно не связанных со сферой деятельности (ОК-3);
компетенция системного аналитического мышления: способность к системному мышлению и анализу, к аналитической оценке событий и процессов в природе, технике и обществе (ОК-4);
профессиональные (ПК):
способность к пониманию важности воздействия внешних факторов, и их учёта в ходе исследований и разработок (ПК-2);
компетенция самостоятельных исследований: способность самостоятельно оптимально планировать и проводить теоретические и экспериментальные исследования в избранной предметной области (по программе специализированной подготовки магистра) с использованием эффективных методов (ПК-10);
компетенция количественного описания явлений и процессов: способность применения навыков количественного описания и прогнозирования природных, технологических, производственных и социально-экономических явлений и процессов и динамики их развития (ПК-11).
конкретные Знания, умения и навыки, формируемые в результате освоения дисциплины
В результате освоения дисциплины «Физико-химические процессы в газодинамике» обучающийся должен:
фундаментальные понятия, законы, теории классической и современной физики;
порядки численных величин, характерные для различных разделов физики;
современные проблемы физики, химии, математики;
основы молекулярной физики, химической кинетики и термодинамики, физики плазмы, ударных волн;
экспериментальные методы исследования релаксационных свойств газов и газовых смесей;
теоретические подходы к расчету характерных времен релаксационных процессов в газовых смесях;
современные модели описания релаксационных процессов в газах и подходы к описанию газодинамических процессов.
Уметь:
абстрагироваться от несущественного при моделировании реальных физических ситуаций;
пользоваться своими знаниями для решения фундаментальных, прикладных и технологических задач;
делать правильные выводы из сопоставления результатов теории и эксперимента;
производить численные оценки по порядку величины;
делать качественные выводы при переходе к предельным условиям в изучаемых проблемах;
видеть в технических задачах физическое содержание;
осваивать новые предметные области, теоретические подходы и экспериментальные методики;
работать на современном, в том числе и уникальном экспериментальном оборудовании;
эффективно использовать информационные технологии и компьютерную технику для достижения необходимых теоретических и экспериментальных результатов.
Владеть:
навыками освоения большого объема информации;
навыками самостоятельной работы в лаборатории и Интернете;
культурой постановки и моделирования физических задач;
навыками грамотной обработки результатов экспериментов и сопоставления с теоретическими и литературными данными;
практикой исследования и решения теоретических и прикладных задач;
навыками выполнения оценок характерных времен релаксационных процессов в газодинамических процессах с участием высокоэнтальпийных газов.
Структура и содержание дисциплины
Структура преподавания дисциплины
Перечень разделов дисциплины и распределение времени по темам
№ темы и название
|
Количество часов
|
1. Релаксационные процессы в газовой динамике
|
40
|
2. Перенос излучения в газах и формирование структуры сильных ударных волн
|
24
|
ВСЕГО (зач. ед. (часов))
|
64 часа (2 зач. ед.)
|
Лекции:
№ п.п.
|
Темы
|
Трудоёмкость
(количество часов)
|
1
|
Понятие о релаксационной зоне ударной волны в реальном газе. Особенности газодинамики релаксирующих газов с замедленным возбуждением внутренних степеней свободы молекул. Иерархия характерных времен релаксационных процессов.
|
2
|
2
|
Поступательная релаксация. Газокинетическое уравнение Больцмана. Характерные времена поступательной релаксации в однокомпонентной и двухкомпонентной системах одноатомных газов. Немаксвелловские распределения. Эффекты, вызываемые поступательной неравновесностью во фронте ударной волны.
|
2
|
3
|
Вращательная релаксация. Особенности и характерное время вращательной релаксации. Классическая и полуклассические теории вращательной релаксации. Адиабатические и неадиабатические вращательные уровни. Экспериментальные методы определения времен вращательной релаксации.
|
3
|
4
|
Колебательная релаксация. Модель гармонического осциллятора. Формула Ландау-Теллера. Колебательная релаксация малой примеси двухатомного газа в среде инертного газа. Распределение молекул по колебательным уровням при V-T-обмене. Колебательная релаксация в однокомпонентной системе двухатомных молекул, моделируемых гармоническими осцилляторами. V-V-обмен.
|
3
|
5
|
Модель ангармонического осциллятора. Распределение Тринора. Релаксация в однокомпонентной системе ангармонических осцилляторов. Колебательная релаксация многоатомных молекул.
|
2
|
6
|
Химические реакции в релаксационной зоне ударных волн. Особенности взаимодействия колебательной релаксации и диссоциации многоатомных молекул. Статистическая теория мономолекулярного распада. Двухтемпературные модели диссоциации. Лестничные модели.
|
3
|
7
|
Диссоциация в условиях многомодовой колебательной неравновесности. Кинетика рекомбинации в сверхзвуковых расшияющихся потоках высокоэнтальпийного диссоциированного газа.
|
2
|
8
|
Ионизационная зона сильных ударных волн в газах. Механизмы появления первичных электронов: модель Ландау-Зинера, фотоионизация. Основные механизмы ионизации в ударных волнах. Температура электронов и тяжелых частиц. Кинетика ступенчатой ионизации. Кинетика рекомбинации в сверхзвуковых расширяющихся потоках частично ионизованного газа.
|
3
|
9
|
Основные понятия. Спектральная интенсивность и плотность излучения. Длины пробега излучения в среде. Механизмы испускания, поглощения и рассеяния света в газах. Уравнение переноса излучения. Закон Кирхгофа. Излучение плоского слоя.
|
3
|
10
|
Движение вещества с учетом лучистого теплообмена. Диффузионное приближение. Локальное равновесие излучения и приближение лучистой теплопроводности. Росселандов пробег излучения. Взаимоотношение диффузионного приближения и приближения лучистой теплопроводности. Потери энергии нагретого вещества на излучение.
|
3
|
11
|
Уравнения газодинамики с учетом энергии давления излучения и лучистого теплообмена. Формулировка задачи о структуре фронта сильной ударной волны. Опережающее излучение и температура прогревания.
|
3
|
12
|
Ударная волна докритической амплитуды. Ближняя и дальняя прекурсорные зоны. Ближняя прекурсорная зона в атомарных газах. Диффузия резонансного излучения в дальней прекурсорной зоне. Ударная волна сверхкритической амплитуды.
|
3
|
ВСЕГО ( зач. ед.(часов))
|
32 часа (1 зач. ед.)
|
Самостоятельная работа:
№ п.п.
|
Темы
|
Трудоёмкость
(количество часов)
|
1
|
Понятие о релаксационной зоне ударной волны в реальном газе. Особенности газодинамики релаксирующих газов с замедленным возбуждением внутренних степеней свободы молекул. Иерархия характерных времен релаксационных процессов.
|
2
|
2
|
Поступательная релаксация. Газокинетическое уравнение Больцмана. Характерные времена поступательной релаксации в однокомпонентной и двухкомпонентной системах одноатомных газов. Немаксвелловские распределения. Эффекты, вызываемые поступательной неравновесностью во фронте ударной волны.
|
2
|
3
|
Вращательная релаксация. Особенности и характерное время вращательной релаксации. Классическая и полуклассические теории вращательной релаксации. Адиабатические и неадиабатические вращательные уровни. Экспериментальные методы определения времен вращательной релаксации.
|
3
|
4
|
Колебательная релаксация. Модель гармонического осциллятора. Формула Ландау-Теллера. Колебательная релаксация малой примеси двухатомного газа в среде инертного газа. Распределение молекул по колебательным уровням при V-T-обмене. Колебательная релаксация в однокомпонентной системе двухатомных молекул, моделируемых гармоническими осцилляторами. V-V-обмен.
|
3
|
5
|
Модель ангармонического осциллятора. Распределение Тринора. Релаксация в однокомпонентной системе ангармонических осцилляторов. Колебательная релаксация многоатомных молекул.
|
2
|
6
|
Химические реакции в релаксационной зоне ударных волн. Особенности взаимодействия колебательной релаксации и диссоциации многоатомных молекул. Статистическая теория мономолекулярного распада. Двухтемпературные модели диссоциации. Лестничные модели.
|
3
|
7
|
Диссоциация в условиях многомодовой колебательной неравновесности. Кинетика рекомбинации в сверхзвуковых расшияющихся потоках высокоэнтальпийного диссоциированного газа.
|
2
|
8
|
Ионизационная зона сильных ударных волн в газах. Механизмы появления первичных электронов: модель Ландау-Зинера, фотоионизация. Основные механизмы ионизации в ударных волнах. Температура электронов и тяжелых частиц. Кинетика ступенчатой ионизации. Кинетика рекомбинации в сверхзвуковых расширяющихся потоках частично ионизованного газа.
|
3
|
9
|
Основные понятия. Спектральная интенсивность и плотность излучения. Длины пробега излучения в среде. Механизмы испускания, поглощения и рассеяния света в газах. Уравнение переноса излучения. Закон Кирхгофа. Излучение плоского слоя.
|
3
|
10
|
Движение вещества с учетом лучистого теплообмена. Диффузионное приближение. Локальное равновесие излучения и приближение лучистой теплопроводности. Росселандов пробег излучения. Взаимоотношение диффузионного приближения и приближения лучистой теплопроводности. Потери энергии нагретого вещества на излучение.
|
3
|
11
|
Уравнения газодинамики с учетом энергии давления излучения и лучистого теплообмена. Формулировка задачи о структуре фронта сильной ударной волны. Опережающее излучение и температура прогревания.
|
3
|
12
|
Ударная волна докритической амплитуды. Ближняя и дальняя прекурсорные зоны. Ближняя прекурсорная зона в атомарных газах. Диффузия резонансного излучения в дальней прекурсорной зоне. Ударная волна сверхкритической амплитуды.
|
3
|
ВСЕГО ( зач. ед.(часов))
|
32 часа (1 зач. ед.)
|
Содержание дисциплины
№
п/п
|
Название модулей
|
Разделы и темы лекционных занятий
|
Содержание
|
Объем
|
Аудиторная работа
(часы)
|
Самостоятельная работа
(часы)
|
1
|
I
РЕЛАКСАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В ГАЗОВОЙ ДИНАМИКЕ
|
Релаксационные процессы
|
Понятие о релаксационной зоне ударной волны в реальном газе. Особенности газодинамики релаксирующих газов с замедленным возбуждением внутренних степеней свободы молекул. Иерархия характерных времен релаксационных процессов.
|
2
|
2
|
2
|
Поступательная релаксация
|
Поступательная релаксация. Газокинетическое уравнение Больцмана. Характерные времена поступательной релаксации в однокомпонентной и двухкомпонентной системах одноатомных газов. Немаксвелловские распределения. Эффекты, вызываемые поступательной неравновесностью во фронте ударной волны.
|
2
|
2
|
3
|
Вращательная релаксация
|
Вращательная релаксация. Особенности и характерное время вращательной релаксации. Классическая и полуклассические теории вращательной релаксации. Адиабатические и неадиабатические вращательные уровни. Экспериментальные методы определения времен вращательной релаксации.
|
3
|
3
|
4
|
Колебательная релаксация
|
Колебательная релаксация. Модель гармонического осциллятора. Формула Ландау-Теллера. Колебательная релаксация малой примеси двухатомного газа в среде инертного газа. Распределение молекул по колебательным уровням при V-T-обмене. Колебательная релаксация в однокомпонентной системе двухатомных молекул, моделируемых гармоническими осцилляторами. V-V-обмен.
|
3
|
3
|
5
|
Ангармонические колебания молекул, релаксация многоатомных молекул
|
Модель ангармонического осциллятора. Распределение Тринора. Релаксация в однокомпонентной системе ангармонических осцилляторов. Колебательная релаксация многоатомных молекул.
|
2
|
2
|
6
| Химические реакции в зоне ударной волны
|
Химические реакции в релаксационной зоне ударных волн. Особенности взаимодействия колебательной релаксации и диссоциации многоатомных молекул. Статистическая теория мономолекулярного распада. Двухтемпературные модели диссоциации. Лестничные модели.
|
3
|
3
|
7
|
Диссоциация и рекомбинация
|
Диссоциация в условиях многомодовой колебательной неравновесности. Кинетика рекомбинации в сверхзвуковых расшияющихся потоках высокоэнтальпийного диссоциированного газа.
|
2
|
2
|
8
|
Ионизация и рекомбинация в газах
|
Ионизационная зона сильных ударных волн в газах. Механизмы появления первичных электронов: модель Ландау-Зинера, фотоионизация. Основные механизмы ионизации в ударных волнах. Температура электронов и тяжелых частиц. Кинетика ступенчатой ионизации. Кинетика рекомбинации в сверхзвуковых расширяющихся потоках частично ионизованного газа.
|
3
|
3
|
9
|
II
ПЕРЕНОС ИЗЛУЧЕНИЯ В ГАЗАХ И ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ СИЛЬНЫХ УДАРНЫХ ВОЛН
|
Перенос излучения
|
Основные понятия. Спектральная интенсивность и плотность излучения. Длины пробега излучения в среде. Механизмы испускания, поглощения и рассеяния света в газах. Уравнение переноса излучения. Закон Кирхгофа. Излучение плоского слоя.
|
3
|
3
|
10
| Диффузионное приближение и лучистая теплопроводность
|
Движение вещества с учетом лучистого теплообмена. Диффузионное приближение. Локальное равновесие излучения и приближение лучистой теплопроводности. Росселандов пробег излучения. Взаимоотношение диффузионного приближения и приближения лучистой теплопроводности. Потери энергии нагретого вещества на излучение.
|
3
|
3
|
11
|
Газодинамика с переносом излучения
|
Уравнения газодинамики с учетом энергии давления излучения и лучистого теплообмена. Формулировка задачи о структуре фронта сильной ударной волны. Опережающее излучение и температура прогревания.
|
3
|
3
|
12
| Ударные волны докритической и сверхкритической амплитуд
|
Ударная волна докритической амплитуды. Ближняя и дальняя прекурсорные зоны. Ближняя прекурсорная зона в атомарных газах. Диффузия резонансного излучения в дальней прекурсорной зоне. Ударная волна сверхкритической амплитуды.
|
3
|
3
|
Образовательные технологии
№ п/п
|
Вид занятия
|
Форма проведения занятий
|
Цель
|
1
|
лекция
|
изложение теоретического материала
|
получение теоретических знаний по дисциплине
|
2
|
лекция
|
изложение теоретического материала с помощью презентаций
|
повышение степени понимания материала
|
3
|
лекция
|
решение задач по заданию (индивидуальному где требуется) преподавателя– решаются задачи, выданные преподавателем по итогам лекционных занятий и сдаются в конце изучения темы, используются учебники, рекомендуемые данной программой
|
осознание связей между теорией и практикой, а также взаимозависимостей разных дисциплин
|
4
|
самостоятельная работа студента
|
подготовка к диф. зачету
|
повышение степени понимания материала
|
Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины и учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов
Контрольно-измерительные материалы
Перечень контрольных вопросов для сдачи диф. зачета в 10-ом семестре.
Прямой скачок уплотнения.
Фронт ударной волны.
Релаксационная зона ударной волны в реальном газе.
Релаксационная зона ударной волны, распространяющейся в горючей смеси.
Возбуждение внутренних степеней свободы молекул.
Иерархия характерных времен релаксационных процессов в смесях молекулярных и атомарных газов.
Приближение замороженной релаксации.
Приближение равновесного возбуждения внутренних степеней свободы.
Релаксационное уравнение.
Поступательная релаксация в однокомпонентной и двухкомпонентной системах одноатомных газов.
Кинетическое уравнение Больцмана.
Приближение сильных столкновений.
Эффекты, вызываемые поступательной неравновесностью во фронте ударной волны.
Вращательная релаксация. Приближение жесткого ротатора.
Параметр Месси. Адиабатический и неадиабатический механизм релаксации.
Экспериментальные методы определения времен вращательной релаксации.
Колебательная релаксация. Модель гармонического осциллятора (ГО). Распределение Больцмана по уровням ГО.
Формула Ландау-Теллера.
V-T-обмен.
V-V-обмен.
Теория SSH.
Модель ангармонического осциллятора (АГО). Распределение Тринора.
Колебательная релаксация многоатомных молекул. Модовое приближение.
Принцип действия газодинамического лазера на углекислом газе.
Диссоциация при неравновесном колебательном возбуждении.
Двух и многотемпературные модели диссоциации.
Лестничные модели диссоциации многоатомных молекул.
Диссоциация при высоких температурах.
Кинетика рекомбинации в сверхзвуковых расширяющихся потоках высокоэнтальпийного диссоциированного газа.
Основные механизмы ионизации в ударных волнах.
Рекомбинация в сверхзвуковых расширяющихся потоках частично ионизованного газа.
Газодинамические параметры потоков газов с замороженными и релаксирующими внутренними степенями свободы.
Роль переноса излучения в формировании и распространении сильных ионизующих ударных волн.
Распределение параметров в прекурсорной зоне сильной ударной волны.
Материально-техническое обеспечение дисциплины
Необходимое оборудование для лекций и практических занятий: компьютер и мультимедийное оборудование (проектор), доступ к сети Интернет
Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
Основная литература
Зельдович Я.Б., Райзер Ю.П.. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений. М.: Физматлит. Изд. 3., 656 с., 2008.
Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М.: Интеллект, 2009.
Дополнительная литература:
Гоpдиец Б.Ф., Осипов А.И., Шелепин Л.А. Кинетические пpоцессы в газах и молекуляpные лазеpы. М.: Hаука, 1980.
Биберман Л.М., Воробьев В.С., Якубов И.Т. Кинетика неравновесной низкотемпературной плазмы. М: Hаука, 1982.
Электронные ресурсы, включая доступ к базам данных и т.д.
Курс лекций «Физика плазмы», http://www.inp.nsk.su/chairs/plasma/sk/fpl.ru.shtml
Программу составил
__________________ (Шумова В.В., к.ф.-м.н., доцент)
«_____»_________2012 г. |
