Министерство науки и образования Российской Федерации Федеральное 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: Экспериментальная магнитная гидродинамика
по направлению: 010900 «Прикладные математика и физика»
магистерская программа: 010932 – физика высокотемпературных процессов
факультет: МБФ
кафедра: Физика высокотемпературных процессов
курс: 5 (магистратура)
семестры: 9 Диф. зачет: 9 семестр
Трудоёмкость в зач. ед.: вариативная часть – 2 зач. ед.;
в т.ч.:
лекции: 34 час.;
практические (семинарские) занятия: нет;
лабораторные занятия: нет;
мастер классы, индивид. и групповые консультации: нет;
самостоятельная работа: 34 час.;
курсовые работы: нет.
ВСЕГО часов 68 Программу составил: проф., д.т.н., Лебедев Е.Ф. 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
| _34_ часа
| Практические занятия
| __-__ часов
| Лабораторные работы
| __-__ часов
| Индивидуальные занятия с преподавателем
| __-__ часов
| Самостоятельные занятия, включая подготовку курсовой работы
| _34_ часа
| Мастер- классы, индивидуальные и групповые
Консультации
| __-__ часов
| Самостоятельные занятия (работа над коллективными и индивидуальными проектами, курсовые работы)
| __-__ часов
| ВСЕГО
| 68 часов (2 зач. ед.)
| Итоговая аттестация
| Диф. зачет: 9 семестр
|
ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ
Целью освоения дисциплины «Экспериментальная магнитная гидродинамика» является изучение основных методов диагностики и средств создания плазменных потоков, движущихся в магнитном поле.
Задачами данного курса являются:
изучение методов создания магнитных полей, и плазменных потоков;
изучение методов диагностики газодинамических параметров (плотности плазмы, давления на стенки, поля скоростей, электропроводности);
изучение методов измерения электромагнитных параметров (плотности тока, напряженности электрического и магнитного полей);
методические и инструментальные ошибки при таких измерениях;
методы преодоления наводок в сильноточных установках.
Место дисциплины в структуре ООП МАГИСТРАТУРЫ
Дисциплина «Экспериментальная магнитная гидродинамика» включает в себя разделы, которые могут быть отнесены к профессиональному циклу М.2.
Дисциплина «Экспериментальная магнитная гидродинамика» 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 «Экспериментальная магнитная гидродинамика» 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 адаптивности и социальной ответственности в принятии решений: способность быстро адаптироваться к изменению ситуации и принимать социально ответственные решения, способность проявлять инициативу, в том числе в ситуациях риска, брать на себя всю полноту ответственности за принятие решения (ОК-7);
компетенция свободного пользования русским и иностранным языками, как средством делового общения), включая способность применять навыки письменной и устной коммуникаций на русском и английском языках на уровне, достаточном для профессионального и бытового общения (ОК-8);
профессиональные (ПК):
способность к пониманию важности воздействия внешних факторов, и их учёта в ходе исследований и разработок (ПК-2);
способность применять основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования в физике, химии, экологии, других естественных и социально-экономических науках (ПК-3);
способность к выявлению сущности задач, возникающих в ходе профессиональной деятельности, и привлечению соответствующего физико-математического аппарата для их решения (ПК-4);
компетенция владения подходами и методами по совершенствованию информационно-коммуникационных технологий: способность применять подходы и методы совершенствования информационно-коммуникационных технологий в избранной предметной области (по программе специализированной подготовки магистра в рамках основной образовательной программы) (ПК-5);
способность самостоятельно работать на компьютере на уровне квалифицированного пользователя, применять информационно-коммуникационные технологии для обработки, хранения, представления и передачи информации с использованием универсальных пакетов прикладных программ, знание общих подходов и методов по совершенствованию информационно-коммуникационных технологий (ПК-6);
способность представлять планы и результаты собственной деятельности с использованием различных средств, ориентируясь на потребности аудитории, в том числе в форме отчётов, презентаций, докладов на русском и английском языках (ПК-7).
конкретные Знания, умения и навыки, формируемые в результате освоения дисциплины
В результате освоения дисциплины «Экспериментальная магнитная гидродинамика» обучающийся должен: фундаментальные понятия, законы, теории классической и современной физики;
порядки численных величин, характерные для различных разделов физики;
способы преобразования неэлектрических величин в электрические сигналы;
конкретные методические ошибки при измерениях этих величин в магнитной гидродинамике.
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;
работать на современном, в том числе и уникальном экспериментальном оборудовании;
использовать полученные знания для оценки качества получаемой экспериментальной информации.
Владеть:
навыками освоения большого объема информации;
навыками самостоятельной работы в лаборатории и Интернете;
навыками грамотной обработки результатов экспериментов и сопоставления с теоретическими и литературными данными;
основами экспериментального искусства получения достоверной информации.
Структура и содержание дисциплины
Структура преподавания дисциплины
Перечень разделов дисциплины и распределение времени по темам
№ темы и название
| Количество часов
| 1. Требования к экспериментальному оборудованию и диагностика плазменных потоков
| 22
| 2. Измерение основных параметров плазменных потоков
| 22
| 3. Особенности эксплуатации современных экспериментальных стендов для изучения плазменных потоков
| 24
| ВСЕГО (зач. ед. (часов))
| 68 часов (2 зач. ед.)
|
Лекции: № п.п.
| Темы
| Трудоёмкость
(количество часов)
| 1
| Классификация МГД установок. Физические процессы, исследуемые в магнитной гидродинамике. Диапазоны измеряемых магнитогидродинамических величин. Примеры постановки исследований в прикладной магнитной гидродинамике. Проблемы согласования расчетных и экспериментальных данных.
| 3
| 2
| Типичные блок-схемы измерительных устройств. Влияние согласования элементов измерительных устройств на искажение сигналов и точность измерений. Эквивалентные схемы основных элементов блок-схем. Переходные и частотные характеристики. Основные правила согласования в измерительных устройствах и характерные искажения сигналов при рассогласовании. Элементы импульсной техники
| 3
| 3
| Методы фоторегистрации и покадровой съемки. Сверхскоростная фоторегистрация. Синхронизация СФР-съемки с сигналами электронной регистрирующей аппаратуры. Быстродействующие механические и взрывные затворы. Некоторые специальные системы, расширяющие возможности механических оптических камер.
Электронно-оптические системы. Преимущества и особенности ЭОП. Однокадровые и многокадровые ЭОП. Применение ЭОП для регистрации контуров спектральных линий. Промышленные приборы.
| 3
| 4
| Мембранные датчики. Пьезодатчики, особенности включения в схему измерений и тарировка. Измерение скорости пьезодатчиками и ионизационными зондами. Пьезодатчик, экранированный от переменных магнитных полей. Пьезодатчик, гальванически изолированный от плазмы.
| 3
| 5
| Теневой метод. Шлирен-метод Теплера. Источники подсветки. Трассирование плазменных потоков электронным пучком и альфа-частицами. Измерение плотности плазмы по поглощению рентгеновских лучей. Оптическая интерферометрия плазмы. Метод двух длин волн для измерения электронной концентрации и скорости звука.
| 3
| 6
| Электродный метод. Метод измерения электропроводности по изменению добротности L-C - контура. Метод вытеснения стационарного магнитного поля. Методические и инструментальные погрешности измерений.
| 2
| 7
| Применение термоанемометра. Болометрические датчики. Термопарные быстродействующие датчики. Калориметрические измерители полной энтальпии плазмы. Обработка результатов измерений тепловых потоков.
| 2
| 8
| Некоторые особенности измерений и обработки при измерениях с целью оценки энергетических характеристик МГД-процессов. Измерения стационарных и индуцированных магнитных полей. Измерение плотности тока в плазме поясами Роговского. Измерение мощных токов в разрядных цепях. Измерение напряженности электрического поля в плазме и импульсных напряжений.
| 3
| 9
| Ударные трубы. Основные закономерности процессов. Диафрагменные и электроразрядные ударные трубы. Подогревные ударные трубы. Ударные трубы с применением взрывчатых веществ. Двухступенчатые ударные трубы. Основные результаты плазмофизических и МГД-исследований, полученные на ударных трубах. Плазмотроны.
| 3
| 10
| Схемы формирования мощных импульсов тока и напряжения для питания генераторов плазмы. Синхронизация и управление установками. Элементы автоматизации с помощью ЭВМ. Типы основных электронных приборов и их характеристики. Некоторые специальные магнитогидродинамические и плазмофизические устройства, использующие экстремальные электрические токи и напряжения. Получение мегагаусных магнитных полей.
| 3
| 11
| Характерные значения измеряемых сигналов и токов в основных цепях установок. Влияние пульсации цепей питания приборов. Наводки от радио и видеочастотных сигналов. Наводки от “вынесенного” потенциала. Организация измерений с изоляцией датчиков относительно плазмы с высоким потенциалом. Характерные особенности измерений в замагниченной плазме. Наводки, распространяемые по цепям заземления. Сводка основных правил при измерениях в условиях помех. Высокочастотные и оптронные развязки.
| 3
| 12
| Основные сведения по электронике, необходимые экспериментатору. Частотные и переходные характеристики L -R, R - C и L - C цепей. Широкополосные усилители сигналов. Схемы формирования импульсных сигналов различной формы. Устройство и работа импульсного осциллографа. Схемы синхронизации и задержки импульсов. Применение аналого-цифровых преобразователей и ЭВМ для регистрации и обработки сигналов. Практическая демонстрация диагностических устройств, рассмотренных на лекциях.
| 3
| ВСЕГО ( зач. ед.(часов))
| 34 часа (1 зач. ед.)
|
Самостоятельная работа:
№ п.п.
| Темы
| Трудоёмкость
(количество часов)
| 1
| Классификация МГД установок. Физические процессы, исследуемые в магнитной гидродинамике.Диапазоны измеряемых магнитогидродинамических величин. Примеры постановки исследований в прикладной магнитной гидродинамике. Проблемы согласования расчетных и экспериментальных данных.
| 3
| 2
| Типичные блок-схемы измерительных устройств. Влияние согласования элементов измерительных устройств на искажение сигналов и точность измерений. Эквивалентные схемы основных элементов блок-схем. Переходные и частотные характеристики. Основные правила согласования в измерительных устройствах и характерные искажения сигналов при рассогласовании. Элементы импульсной техники
| 3
| 3
| Методы фоторегистрации и покадровой съемки. Сверхскоростная фоторегистрация. Синхронизация СФР-съемки с сигналами электронной регистрирующей аппаратуры. Быстродействующие механические и взрывные затворы. Некоторые специальные системы, расширяющие возможности механических оптических камер.
Электронно-оптические системы. Преимущества и особенности ЭОП. Однокадровые и многокадровые ЭОП. Применение ЭОП для регистрации контуров спектральных линий. Промышленные приборы.
| 3
| 4
| Мембранные датчики. Пьезодатчики, особенности включения в схему измерений и тарировка. Измерение скорости пьезодатчиками и ионизационными зондами. Пьезодатчик, экранированный от переменных магнитных полей. Пьезодатчик, гальванически изолированный от плазмы.
| 3
| 5
| Теневой метод. Шлирен-метод Теплера. Источники подсветки. Трассирование плазменных потоков электронным пучком и альфа-частицами. Измерение плотности плазмы по поглощению рентгеновских лучей. Оптическая интерферометрия плазмы. Метод двух длин волн для измерения электронной концентрации и скорости звука.
| 3
| 6
| Электродный метод. Метод измерения электропроводности по изменению добротности L-C - контура. Метод вытеснения стационарного магнитного поля. Методические и инструментальные погрешности измерений.
| 2
| 7
| Применение термоанемометра. Болометрические датчики. Термопарные быстродействующие датчики. Калориметрические измерители полной энтальпии плазмы. Обработка результатов измерений тепловых потоков.
| 2
| 8
| Некоторые особенности измерений и обработки при измерениях с целью оценки энергетических характеристик МГД-процессов. Измерения стационарных и индуцированных магнитных полей. Измерение плотности тока в плазме поясами Роговского. Измерение мощных токов в разрядных цепях. Измерение напряженности электрического поля в плазме и импульсных напряжений.
| 3
| 9
| Ударные трубы. Основные закономерности процессов. Диафрагменные и электроразрядные ударные трубы. Подогревные ударные трубы. Ударные трубы с применением взрывчатых веществ. Двухступенчатые ударные трубы. Основные результаты плазмофизических и МГД-исследований, полученные на ударных трубах. Плазмотроны.
| 3
| 10
| Схемы формирования мощных импульсов тока и напряжения для питания генераторов плазмы. Синхронизация и управление установками. Элементы автоматизации с помощью ЭВМ. Типы основных электронных приборов и их характеристики. Некоторые специальные магнитогидродинамические и плазмофизические устройства, использующие экстремальные электрические токи и напряжения. Получение мегагаусных магнитных полей.
| 3
| 11
| Характерные значения измеряемых сигналов и токов в основных цепях установок. Влияние пульсации цепей питания приборов. Наводки от радио и видеочастотных сигналов. Наводки от “вынесенного” потенциала. Организация измерений с изоляцией датчиков относительно плазмы с высоким потенциалом. Характерные особенности измерений в замагниченной плазме. Наводки, распространяемые по цепям заземления. Сводка основных правил при измерениях в условиях помех. Высокочастотные и оптронные развязки.
| 3
| ВСЕГО ( зач. ед.(часов))
| 34 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
ТРЕБОВАНИЯ К ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОМУ ОБОРУДОВАНИЮ И ДИАГНОСТИКА ПЛАЗМЕННЫХ ПОТОКОВ
| Основные понятия физики высоких давлений
| Введение. Научный метод познания – от эксперимента к теории и практическим применениям. Построение курса: экспериментальные методы, строгие теории, их объединение в модельных уравнениях состояния. Мотивация изучения уравнения состояния вещества. Системные и несистемные единицы измерений.
| 1
| 1
| 2
| Статические методы исследований.
| Общий анализ фазовой диаграммы. Наковальни Бриджмена, устройства изучения Р-Т диаграмм, алмазные наковальни. Лазерные алмазные наковальни.
| 4
| 4
| 3
| Электрический взрыв проводников.
| Изобарическое расширение. Взрыв в конечный объем. Плазменный изохорический генератор.
| 2
| 2
| 4
| Метод ударного сжатия
| Законы Гюгонио. Методы торможения и отражения. Генераторы ударных волн. Сверхвысокие давления, проблема эталона. Измерения фазовых переходов. Ударное сжатие пористого вещества. Метод изэнтропического расширения. Восстановление термодинамического потенциала по данным ударноволновых измерений.
| 4
| 4
| 5
| II
ИЗМЕРЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПЛАЗМЕННЫХ ПОТОКОВ
| Сопоставление экспериментальных методов.
| Особенности методов, погрешности, область применимости. Выводы.
| 1
| 1
| 6
| Теоретические методы расчета свойств твердого тела
| Типы кристаллических решеток, о.ц.к. и г.ц.к. решетки, понятие решетки Бравэ, ячейки Вигнера-Зейтца.
Общие свойства для периодических решеток, граничные условия, число состояний, зонный спектр. Приближение сильной связи. Приближение слабой связи. Метод ячеек, MT – потенциал. Метод присоединенных плоских волн. Метод гриновских функций RRH (Корринга-Кон-Ростокер). Метод ортогонализованных плоских волн. Метод функционала плотности.
| 5
| 5
| 7
| Модели плазмы
| Метод Томаса-Ферми
| 2
| 2
| 8
| Модели жидкого состояния
| Понятия парной корреляционной функции и структурного фактора. Интегральные уравнения Борна-Грина-Ивона, Перкуса-Иевика, гиперцепное приближение, решение уравнения Перкуса-Иевика для потенциала твердых и мягких сфер.
| 3
| 3
| 9
| III
ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ СОВРЕМЕННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ СТЕНДОВ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ПЛАЗМЕННЫХ ПОТОКОВ
| Сопоставление теоретических методов
| Методические особенности, область применимости. Выводы.
| 1
| 1
| 10
| Методы расчета твердой фазы
| Модели Эйнштейна и Дебая твердого тела. УРС Ми-Грюнайзена, связь коэффициента Грюнайзена с параметрами кривой упругого сжатия.
Потенциалы Борна-Майера, Берча-Мурнагана, Морзе; проблема описания сильносжатых состояний при T=0 К.
| 4
| 4
| 11
| Учет эффектов ангармонизма тепловых колебаний атом и электронов проводимости
| Плавление, учет плавления в моделях уравнения состояния, критерии плавления, учет эффектов ангармонизма тепловых колебаний атомов решетки по Кормеру, способы описания жидкой фазы.
Термодинамика электронной компоненты в различных областях фазовой диаграммы
| 4
| 4
| 12
| Табличные уравнения состояния
| Математические и физические требования к уравнениям состояния. Аппроксимационные УРС. Способы построения табличных УРС. Глобальные УРС, проблема термодинамической согласованности..
| 1
| 1
| 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 9-ом семестре.
Предельные токи и напряжения в природе и в экспериментах.
Перечень импульсных накопителей и преобразователей, принцип работы.
Способы создания экстремальных условий с помощью электрофизических установок.
Проблемы согласования расчетных и экспериментальных данных в магнитной гидродинамике.
Эквивалентные схемы основных элементов блок-схем измерительных устройств, переходные и частотные характеристики.
Методы фотографической регистрации плазменных потоков.
Методы измерения давления в движущейся плазме.
Методы измерения плотности плазменных потоков.
Измерение электропроводности движущейся плазмы.
Тепловые потоки на стенки МГД-каналов. Обработка результатов измерений тепловых потоков.
Измерения стационарных и индуцированных полей в потоке плазмы.
Получение мощных плазменных потоков в ударных трубах. Плазмотроны.
Схемы формирования мощных импульсов тока и напряжения для питания генераторов плазмы.
Способы получения мегагаусных магнитных полей.
Электромагнитные и акустические помехи при проведении экспериментов и способы их устранения.
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
Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Том VIII. Электродинамика сплошных сред. М.: Физматлит, 2003.
Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М.: Интеллект, 2009.
Дополнительная литература:
Диагностика плазмы. Под ред. Хаддлстоуна, 1977, М.: ИЛ, 360 с.
Нестерихин Ю.Е., Солоухин Р.И., Методы скоростных измерений в газодинамике и физике плазмы, М.: Наука, 1967, 96 с.
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
__________________ (Лебедев Е.Ф., д.т.н., профессор)
«_____»_________2012 г. |