Рабочая программа учебной дисциплины компьютерные технологии в науке Кафедра-разработчик
| Вид материала | Рабочая программа |
- Рабочая программа учебной дисциплины компьютерные технологии в науке и производстве, 153.39kb.
- Рабочая программа учебной дисциплины наименование учебной дисциплины Кафедра-разработчик, 520.05kb.
- Рабочая программа дисциплины компьютерные технологии в науке и производстве (Наименование, 179.06kb.
- Рабочая программа учебной дисциплины механика жидкости и газа Кафедра-разработчик, 13.38kb.
- Рабочая программа учебной дисциплины наименование учебной дисциплины Кафедра-разработчик, 301.9kb.
- Рабочая программа учебной дисциплины наименование учебной дисциплины Кафедра-разработчик, 336.98kb.
- Рабочая программа учебной дисциплины история кафедра-разработчик, 1777.77kb.
- Рабочая программа учебной дисциплины философия Кафедра-разработчик, 619.76kb.
- А. И. Герцена программа учебной дисциплины днм. 04. Компьютерные технологии в науке, 62.47kb.
- Программа дисциплины днм. Ф "Компьютерные технологии в экономической науке и образовании", 133.27kb.
Министерство образования и науки Российской Федерации
Санкт-Петербургский государственный политехнический университет
| СОГЛАСОВАНО Декан факультета-заказчика ________________ Ю.В. Галышев "____" ________ 2011 г | | УТВЕРЖДАЮ Декан факультета-разработчика ________________ Ю.В. Галышев "____" ________ 2011 г |
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
Компьютерные технологии в науке
Кафедра-разработчик
Теоретические основы теплотехники
Направление (специальность) подготовки
141100.68 «Энергетическое машиностроение»
программа «Паровые и газовые турбины»
Наименование ООП
ООП 68. Основная образовательная программа магистратуры
Квалификация (степень) выпускника
Магистр
Образовательный стандарт
Федеральный ГОС ВПО
Форма обучения
очная 1
| СОГЛАСОВАНО Зав. кафедрой ТДУ ________________ В.А. Рассохин "____" ________ 2011 г | | Соответствует ФГОС ВПО. Утверждена (протокол № от 01.01.2011) Зав. кафедрой ТОТ _________________ С.З. Сапожников |
Программу в соответствии с ФГОС ВПО разработал:
профессор, д.т.н. Н.Н. Кортиков
1. Цели и планируемые результаты изучения дисциплины
В настоящее время основные достижения в теоретических исследованиях связаны с использованием мощных вычислительных средств (компьютера и численных методов). Компьютерные технологии входят в состав современных информационных технологий. Это предполагает необходимость усвоения основных программных продуктов и технологии их применения. Студенты осваивают навыки применения методов и средств вычислительной термогазодинамики (CFD), которые нацелены на решение практических задач проектирования проточных частей турбомашин в условиях, типичных для рабочих процессов в ГТУ и ГТД.
Цель изучения дисциплины «Компьютерные технологии в науке »– сформировать специалистов, умеющих обоснованно и результативно применять существующие и осваивать новые математические методы и численные модели при проектировании лопаточных аппаратов; умеющих провести разработку варианта конструкции в СAD системе трехмерного моделирования, поверочные расчеты в CAE системе и их основе обосновать корректировку конструкции до получения варианта, удовлетворяющего комплексу газодинамических и прочностных требований.
Результаты обучения (компетенции) выпускника ООП, на формирование которых ориентировано изучение дисциплины «Компьютерных технологий в науке » (в соответствии с ФГОС ВПО, раздел 5)
| Код | Результат обучения (компетенция) выпускника ООП |
| ОК-62 | умение логически верно, аргументированно и ясно строить устную и письменную речь |
| ОК-15 | умение использовать методы количественного анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования проточных частей турбомашин |
| ПК-313 | умение применять количественные и качественные методы анализа при разработке варианта конструкции проточной части турбомашины, удовлетворяющего комплексу газодинамических и прочностных требований |
| ПК-32 | умение выбирать численные модели при CFD расчетах , анализировать их адекватность, проводить адаптацию моделей к конкретным задачам течения и теплообмена в турбомашинах |
| ВК-84 | умение обоснованно выбирать методы статистической и графической обработки данных и результативно выполнять её с использованием математических пакетов (Excel, MathCAD, Tecplot ,ANSYS FLUENT, STAR CCM+) |
Планируемые результаты изучения дисциплины, обеспечивающие достижение цели изучения дисциплины «Компьютерные технологии в науке » и её вклад в формирование результатов обучения (компетенций) выпускника ООП (при разработке раздела использован раздел 6 ФГОС ВПО):
– знание основных понятий, методов и приёмов линейной алгебры, матричного анализа, теории дифференциальных уравнений, вычислительной математики, механики жидкости и газа, теории тепло - и массообмена, теории турбомашин;
– умение применять математические методы (в частности, методы численного анализа, вычислительной математики) для решения задач проектирования проточных частей тепловых турбомашин с доведением решения до практически приемлемого результата с использованием лицензионного программного обеспечения;
– умение ориентироваться в математическом аппарате вычислительной термогазодинамики, работать с монографиями, справочниками, подобрать, интерпретировать и оценить необходимую информацию;
– умение представить техническую информацию специалистам и неспециалистам, составлять технические отчёты с использованием прикладного программного обеспечения;
– учебные умения, позволяющие с высокой степенью самостоятельности осваивать новые теоретические методы и модели, используемые в теории вычислительной термогазодинамики применительно к проектированию проточных частей тепловых турбомашин.
2. Место дисциплины в структуре ООП
Согласно ФГОС ВПО направления 141100.68 «Энергетическое машиностроение» (квалификация (степень) «магистр») «Компьютерные технологии в науке » – рекомендованная в ФГОС дисциплина профессионального цикла М2.
Дисциплину « Компьютерные технологии в науке » студенты изучают в 10-м и 11-м семестрах. Дисциплина «Компьютерные технологии в науке » базируется на основных положениях курсов вычислительной математики, теории тепломассообмена, газовой динамики и теории турбомашин.
3. Распределение трудоёмкости освоения дисциплины по видам учебной работы и формы текущего контроля и промежуточной аттестации
3.1. Виды учебной работы
| Виды учебной работы | Трудоёмкость по семестрам | Итого, ач | ||||
| 10-й сем. | 11-й сем. | |||||
| ач/нед | ач/сем | ач/нед | ач/сем | |||
| Лекции (Л) | | | 1 | 18 | 18 | |
| Лабораторные занятия (ЛЗ) | 2 | 36 | | | 36 | |
| в том числе занятия в интерактивной форме | | | | | | |
| Практические занятия, семинары (ПЗ) | 2 | 36 | 3 | 54 | 90 | |
| в том числе аудиторные занятия в интерактивной форме | | | | 18 | | |
| Самостоятельная работа студентов (СРС) | 1 | 18 | 1 | 18 | 36 | |
| в том числе творческая проблемно-ориентированная самостоятельная работа (ТСРС) | | | | | | |
| Экзамены (Э) (подготовка, сдача) | | | 2 | 36 | 36 | |
| Общая трудоемкость освоения дисциплины | 216 ач | | ||||
| 4 зет | | |||||
3.2. Формы текущего контроля и промежуточной аттестации
| Формы текущего контроля и промежуточной аттестации | Количество по семестрам | Итого | |
| 10-сем. | 11- сем. | ||
| Текущий контроль | |||
| Контрольные работы (КРб), шт. | 2 | | 2 |
| Коллоквиумы (Кк), шт. | | | |
| Расчетно-графические работы (РГР), шт. | 6 | | 6 |
| Рефераты (Реф), шт. | | | |
| Курсовые проекты (КП), шт. | | | |
| Курсовые работы (КР), шт. | | 2 | 2 |
| Промежуточная аттестация | |||
| Зачеты, (З), шт. | 1 | | 1 |
| Экзамены, (Э), шт. | | 1 | 1 |
4. Содержание и результаты обучения
Вклад дисциплины в формирование результатов обучения выпускника (компетенций) и достижение обобщённых результатов обучения (описаны в разделе 1) происходит путём освоения содержания обучения и достижения частных результатов обучения, описанных в данном разделе.
4.1. Разделы дисциплины и виды учебной работы
| | Разделы дисциплины, мероприятия текущего контроля | Л, ач | ПЗ, ач | СРС, ач |
| 0. | Роль компьютерных технологий при моделировании течения и теплообмена в турбомашинах. | 2 | 4 | 2 |
| 1 | Методы численного решения уравнений термогазодинами | |||
| | 1.1. Схемная (искусственная) вязкость. | 2 | 2 | 2 |
| | 1.2. Дискретный аналог уравнения количества движения. Алгоритм SIMPLE | 1 | 8 | 4 |
| 2 | Термодинамические свойства среды и модели турбулентности | |||
| | 2.1.. Виды задания свойств рабочих тел. Согласование моделей турбулентности и расчетных сеток. | 1 | 8 | 2 |
| | 2.2. Граничные и начальные условия для моделей турбулентности. Пристеночные функции для высокорейнольсовых моделей турбулентности. | 1 | 8 | 4 |
| | 2.3. Пре - постпроцессинг в задачах CFD. | 1 | 6 | 2 |
| 3 | Численное моделирование течения и теплообмена в плоских турбинных решетках | |||
| | 3.1.Топология расчетных сеток применительно к сопловым и рабочим решеткам | 2 | 6 | 4 |
| | 3.2. Методология численного расчета потерь в плоской решетке. Выбор алгоритма и модели турбулентности | 2 | 6 | 4 |
| | 3.3. Особенности численного расчета локального теплообмена на поверхности сопловой лопатки | 2 | 6 | 2 |
| 4 | Чиссленное моделирование течния вязкого газа в турбинной ступени | |||
| | 4.1. Компьютерные технологии при моделировании течения вязкого газа в решетках и ступенях турбомашин. | 2 | 20 | 5 |
| | 4.2. Технологии численного моделирования теплового состояния высокотемпературных деталей энергетических установок | 2 | 20 | 5 |
| | Итого по видам учебной работы: | 18 | 90 | 36 |
| | Общая трудоёмкость освоения: ач / зет | 3 | | |
4.2. Содержание разделов и результаты изучения дисциплины
| Разделы дисциплины и их содержание | Результаты обучения |
| 1. Методы численного решения уравнений термогазодинами | |
| 1.1. Схемная (искусственная) вязкость. | Причина появления схемной вязкости.. Оценка влияния схемной вязкости для равномерного потока, движущегося вдоль оси абцисс. Схемная вязкость в равномерном потоке, направленном под углом к линиям сетки. |
| 1.2. Дискретный аналог уравнения количества движения. Алгоритм SIMPLE | Смещенная (шахматная) сетка для зависимых переменных. Уравнения для поправок проекций скорости и давления. Алгоритмы SIMPLE, SIMPLEC, SIMPLER. |
| 2. Термодинамические свойства среды и модели турбулентности | |
| 2.1.. Виды задания свойств рабочих тел. Согласование моделей турбулентности и расчетных сеток. | Способы задания плотности, вязкости, теплоемкости и других параметров среды. Параметры сетки. Низкорейнольсовые (lowRe) или высокорейнольсовые (HighRe) модели турбулентности |
| 2.2. Граничные и начальные условия для моделей турбулентности. Пристеночные функции для высокорейнольсовых моделей турбулентности | Расчет интенсивности турбулентности, кинетической энергии и диссипации на входе расчетной области. Расчет динамических величин на стенке (напряжения трения или теплового потока). |
| 2.3. Пре - постпроцессинг в задачах CFD. | Визуализация результатов (векторы, контуры). Технологии по ускорению сходимости и экономии вычислительных ресурсов. |
| 3. Численное моделирование течения и теплообмена в плоских турбинных решетках | |
| 3.1. Топология расчетных сеток применительно к сопловым и рабочим решеткам | Виды расчетных сеток. O-H-O сетка.. Правила адаптации расчетной сетки при течении в межлопаточном канале. |
| 3.2. Методология численного расчета потерь в плоской решетке. Выбор алгоритма и модели турбулентности | Основные этапы построения численной модели для расчета потерь. Критерии качества численного решения. Баланс точности по расчету потерь в решетке. |
| 3.3. Особенности численного расчета локального теплообмена на поверхности сопловой лопатки | Расчет локального теплообмена при повышенной степени турбулентности набегающего потока газа (более 5%). Сравнение c данными расчета по методу “трех участков”. |
| Чиссленное моделирование течния вязкого газа в турбинной ступени | |
| 4.1. Компьютерные технологии при моделировании течения вязкого газа в решетках и ступенях турбомашин. | Моделирование течения через подвижные элементы. Подходы Single Reference Frame, Multiple Reference Frame, Mixing Plane, Sliding Mesh. Моделирование нестационарных турбулентных течений ( URANS, LES, DES) . Определение шагов по .пространству и времени при подходе LES |
| 5.3. Технологии численного моделирования теплового состояния высокотемпературных деталей энергетических установок | Виды граничных условий. Число Брюна. Сопряженная задача теплообмена на пластине. Эффективность газовой завесы при выдуве на пластину через перфорации. |
5. Образовательные технологии
В преподавании курса используются традиционные образовательные технологии:
– лекции,
– практические занятия,
– лабораторные занятия,
– расчётно-графические работы.
Объём лекционных занятий составляет 12% общего объёма аудиторных занятий.
Занятия в интерактивной форме.
В интерактивной форме проводятся следующие занятия:
| Занятия в интерактивной форме | Объём, ач |
| Интерактивные практические занятия-семинары по численным методам расчета течения в плоской решетке и ступени турбины. | 18 |
| Итого: | 18 |
6. Лабораторный практикум
Программой предусмотрены лабораторные занятия общей аудиторной трудоёмкостью 36 часа.
1
. Эффективность газовой завесы при выдуве на пластину через перфорации.
2. Моделирование течения вязкого газа в плоской решетке профилей лопатки осевой турбины. Расчет потерь.
3. Моделирование течения в подвижных элементах. Расчет потерь в ступени на основе подходов Single Reference.
4. 2. Моделирование течения в подвижных элементах. Расчет потерь в ступени на основе подходов Multiple Reference Frame.
5. Расчет потерь в ступени на основе Mixing Plane. подхода.
7. Практические занятия
Программой предусмотрены следующие практические занятия общей аудиторной трудоёмкостью 90 часов:
Численные методы расчета теплообмена в плоском канале и круглой трубе. Численное моделирование локального теплообмена в ламинарном, переходном и турбулентном пограничных слоях на пластине. Численное моделирование сопряженного теплообмена на вращающемся н диске. Численный расчет локального теплообмена на поверхности сопловой лопатки с учетом области перехода.
8. Организация и учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов
Примерное распределение времени самостоятельной работы студентов
| Вид самостоятельной работы | Примерная трудоёмкость, ач |
| Текущая СРС | |
| работа с лекционным материалом, с учебной литературой | 18 |
| подготовка к экзаменам | 18 |
| Итого текущей СРС: | 36 |
| Творческая проблемно-ориентированная СРС | |
| | |
| | |
| Итого СРС: | 36 |
Методы контроля СРС: два зачета и экзамен по курсу.
Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов (см. п. 9)
9. Учебно-методическое обеспечение дисциплины
9.1. Адрес сайта курса
ссылка скрыта
9.2. Рекомендуемая литература
Основная литература
1. Снегирев А.Ю. Высокопроизводительные вычисления в технической физике. Численное моделирование турбулентных течений. Гриф УМО РФ. СПб.: Изд. - во Политехн. ун – та. 2009. 143с.
2. Погорелов, В. И. AutoCAD 2010: концептуальное проектирование в 3D. СПб.: БХВ-Петербург, 2009. - 357 с.
Дополнительная литература
1. Теплообменные аппараты и системы охлаждения газотурбинных и комбинированных установок: Учебник для вузов/ В.Л. Иванов, А.И. Леонтьев, Э.А. Манушин, М.И. Осипов; Под ред. А.И. Леонтьева. – М.: Изд. - во МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2003. – 592с.
2. Атлас экспериментальных характеристик плоских решеток охлаждаемых газовых турбин / Венедиктов В.Д. и др. / ЦИАМ. 1990. 393с.
9.3. Технические средства обеспечения дисциплины
Для практического освоения численных методов расчета течения в проточных частях осевых турбомашин привлекаются коммерческие коды ANSYS FLUENT 6.3.26. и STAR CCM+ 4.02.
10. Материально-техническое обеспечение дисциплины
Для выполнения расчётно-графический заданий в течение лабораторных занятий студенты пользуются персональными компьютерами учебного вычислительного центра кафедры ТОТ.
11. Критерии оценивания и оценочные средства
11.1. Критерии оценивания
Качество освоения дисциплины фиксируются двумя зачетами и экзаменационной оценкой, которая выставляется с учётом качества выполнения расчётно-графических работ.
11.2. Оценочные средства
Оценка качества освоения дисциплины, разумеется, субъективна, так как выполняется не компьютером, а человеком. Впрочем, отчасти этот недостаток компенсируется многолетним опытом и высокой квалификацией преподавателей.
12. Методические рекомендации по организации изучения дисциплины
Самостоятельная работа
Моделирование нестационарного турбулентного течения в канале за уступом с помощью подхода LES. Расчет течения в турбинной ступени с помощью подхода Sliding Mesh.
1 очная (и/или очно-заочная, и/или заочная)
2 ОК – общекультурные компетенции по ФГОС ВПО.
3 ПК – профессиональные компетенции по ФГОС ВПО.
4 ВК – «вузовские компетенции» – результаты обучения выпускника, введённые вузом (т.е. разработчиками основной образовательной программы) дополнительно к ФГОС ВПО.
- -