Mechanika płynów

Nazwa przedmiotu:
Mechanika Płynów
Fluid Mechanics
Kierunek:
Forma studiów:
Kod przedmiotu:
Mechatronika
stacjonarne
Rodzaj przedmiotu:
Poziom kwalifikacji
obowiązkowy
I stopnia
B05
Rok: II
Semestr: III
Rodzaj zajęć:
Liczba godzin/tydzień:
Liczba punktów:
wykład, ćwiczenia, laboratorium
1W, 1C, 1L
4 ECTS
PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE
I KARTA PRZEDMIOTU
CEL PRZEDMIOTU
C1. Zapoznanie studentów z metodami opisu statyki, kinematyki i dynamiki płynów idealnych
i rzeczywistych.
C2. Nabycie przez studentów praktycznych umiejętności w zakresie obliczania prostych instalacji
hydrostatycznych i przepływowych.
C3. Nabycie przez studentów praktycznych umiejętności pomiarów podstawowych parametrów
przepływów.
WYMAGANIA WSTĘPNE W ZAKRESIE WIEDZY, UMIEJĘTNOŚCI I INNYCH KOMPETENCJI
1. Wiedza z zakresu mechaniki – prawa dynamiki.
2. Wiedza z zakresu matematyki, rachunek różniczkowy, całkowy, podstawy algebry wektorów.
3. Znajomość zasad bezpieczeństwa pracy przy użytkowaniu przyrządów pomiarowych i stanowisk
dydaktycznych.
4. Umiejętność korzystania z różnych źródeł informacji w tym z instrukcji i dokumentacji
technicznej.
5. Umiejętności pracy samodzielnej i w grupie.
6. Umiejętności prawidłowej interpretacji i prezentacji własnych działań.
EFEKTY KSZTAŁCENIA
EK 1 – posiada wiedzę teoretyczną z zakresu statyki płynów,
EK 2 – posiada wiedzę teoretyczną z zakresu kinematyki płynów i dynamiki płynów idealnych,
EK 3 – posiada wiedzę teoretyczną z zakresu dynamiki płynów rzeczywistych i kryteriów
podobieństwa przepływów,
EK 4 – zna podstawowe własności fizyczne cieczy i gazów i potrafi wykorzystywać do obliczeń
inżynierskich,
EK 5 – zna równanie różniczkowe statyki i prawa z niego wynikające, i potrafi je wykorzystać do
rozwiązywania typowych zadań inżynierskich,
EK 6 – zna zasady obliczeń sił naporu cieczy na ściany płaskie i zakrzywione i potrafi je
wykorzystać do obliczeń sił naporu na bardziej złożone konfiguracje powierzchni,
EK 7 – zna podstawowe pojęcia teorii przepływów i metody analityczne badania ruchu płynu,
i potrafi je wykorzystać do analizy prostych przypadków ruchu płynu,
EK 8 – zna równanie Bernoulliego oraz równanie ciągłości ruchu równoległego i potrafi je
zastosować w rozwiązywaniu zagadnień inżynierskich,
EK 9 – zna sposoby pomiarów ciśnień, prędkości i strumienia objętości i potrafi je wykonać
praktycznie,
EK 10 – zna równanie energii dla przepływu płynu lepkiego, potrafi zdefiniować straty
hydrauliczne przepływu w rurociągu i wykorzystać tę wiedzę do obliczania strat
przepływu w prostych konfiguracjach rurociągów.
EK 11 – potrafi opracować wyniki pomiarów przeprowadzonych w czasie realizacji ćwiczeń,
dokonać oceny wyników, wyciągnąć prawidłowe wnioski i przygotować sprawozdanie.
TREŚCI PROGRAMOWE
Forma zajęć – WYKŁADY
W 1 – Podstawowe pojęcia mechaniki płynów, mechanika ciała stałego a mechanika
płynów, struktura molekularna płynów, płyn jako ośrodek ciągły, siły działające na
element płynu, siły masowe, siły powierzchniowe, podsumowanie – modele płynów
W 2 – Ciśnienie w płynie jako wielkość skalarna, równanie równowagi dla nieruchomego
płynu, warunki bezwirowości dla sił masowych, opis równowagi płynu nieruchomego w
polu sił grawitacyjnych
W 3,4 – Wnioski z analizy równania równowagi hydrostatycznej, równowaga cieczy w
naczyniach połączonych, poziom odniesienia przy pomiarze ciśnienia, ciśnienie
atmosferyczne, prawo Pascala, napór hydrostatyczny i równowaga ciał pływających,
napór cieczy na powierzchnie płaskie poziome
W 5,6 – Napór cieczy na powierzchnie płaskie dowolnie zorientowane, napór cieczy na
powierzchnie o dowolnym kształcie, napór na ciała zanurzone w cieczy, równowaga ciał
pływających
W 7,8 – Metody opisu ruchu płynu, metoda Lagrange’a opisu ruchu płynu, Eulerowski
opis ruchu płynu, związki między opisem Lagrange’a i Eulera, trajektorie, linie i
powierzchnie prądu, tor elementu płynu, linia prądu, rurka prądu i włókno prądu
W 9,10 – Warunek ciągłości przepływu, opis pola prędkości płynu, równanie ruchu płynu
idealnego – równanie Eulera, metodyka rozwiązywania równania Eulera,
opis
ruchu płynu idealnego i wybrane zastosowania, równanie Bernoulliego dla ruchu
ustalonego płynu idealnego wzdłuż linii prądu, metodyka rozwiązywania równania
Bernoulliego i jego interpretacja, pomiar prędkości przepływu – sondy ciśnieniowe
W 11 – Równanie Bernoulliego dla płynów lepkich, przemiany energii w płynie lepkim,
straty wywołane tarciem płynu, straty lokalne, interpretacja przemian energii w
przepływie płynu rzeczywistego
W 12 – Wybrane zagadnienia obliczania rurociągów, przepływy przez przewody o
niekołowym przekroju poprzecznym, iteracyjna metoda obliczania przepływu przez
rurociągi, obliczenia przepływu płynu lepkiego przez przewody długie, dobór właściwej
średnicy rurociągu dla osiągnięcia zadanego wydatku, obliczanie przepływu przez
przewody rozgałęzione
W 13,14 – Równanie ruchu płynu lepkiego – równanie Navier-Stokesa, przykład
rozwiązania równania N-S, prawo Hagena-Poiseuille’a, ruch laminarny i turbulentny,
doświadczenie Reynoldsa, rozkład prędkości w poprzecznym przekroju rury w przepływie
turbulentnym
W 15 – Kryteria podobieństwa przepływów, klasyfikacja kryteriów podobieństwa,
bezwymiarowe równanie ruchu, sens fizyczny liczb podobieństwa
Forma zajęć – ĆWICZENIA
CW 1-3 - Podstawowe własności fizyczne płynów.
CW 4-6 - Równowaga cieczy w naczyniach połączonych.
CW 7,8 - Prawo Pascala.
CW 9-12 – Wyznaczanie sił naporu hydrostatycznego płynu na powierzchnie płaskie i
Liczba
godzin
1
1
2
2
2
2
1
1
2
1
Liczba
godzin
1,5
1,5
1
2
2
zakrzywione.
CW 13-15 - Kinematyka przepływów.
CW 16-19 - Równanie Bernoulliego dla przepływów płynów doskonałych.
CW 20-22 - Zasada zmiany pędu w mechanice płynów.
CW 23-27 - Równanie Bernoulliego dla przepływów płynów rzeczywistych.
CW 28-30 - Analityczne rozwiązania równań ruchu.
1,5
2
1,5
2,5
1,5
Forma zajęć – LABORATORIUM
L 1 – Pomiar podstawowych wielkości w ustalonym przepływie jednowymiarowym metodami
ciśnieniowymi.
L 2 – Opływ walca kołowego.
L 3,4 – Określenie współczynnika oporu ciała o kształcie opływowym i nieopływowym.
L 5 – Wyznaczenie współczynnika Coriolisa.
L 6 – Sprawność działania dyfuzora osiowo-symetrycznego.
L 7 – Pomiar charakterystycznych wielkości wypływu cieczy ze zbiornika.
L 8 – Wyznaczanie reakcji strumienia cieczy na płaską pytkę.
L 9 – Wyznaczanie krytycznej liczby Reynoldsa dla przewodów o kołowym przekroju
1
1
2
1
1
1
1
1
poprzecznym.
L 10 – Straty energii przy przepływie przez rurociąg.
L 11 – Wyznaczanie charakterystyk przepływu cieczy przez przelewy.
L 12 – Weryfikacja paradoksu Stevina.
L 13 – Wyznaczanie siły naporu i środka naporu na powierzchnie płaskie dowolnie zorientowane.
L 14 – Wyznaczanie wysokości metacentrycznej ciała pływającego.
L 15 – Pomiar prędkości przepływu cieczy w rurociągu metodą ciśnieniową, ciśnienie
1
1
1
1
1
1
hydrostatyczne słupa cieczy, weryfikacja prawa Boyle’a-Mariotte’a.
NARZĘDZIA DYDAKTYCZNE
1. – wykład z wykorzystaniem prezentacji multimedialnych
2. – ćwiczenia rachunkowe z wykorzystaniem multimedialnych środków przekazu i skryptu do
ćwiczeń rachunkowych
3. – ćwiczenia laboratoryjne, opracowanie sprawozdań z realizacji przebiegu ćwiczeń
4. – skrypt i instrukcje do wykonania ćwiczeń laboratoryjnych
5. – stanowiska dydaktyczne i przyrządy pomiarowe do realizacji ćwiczeń laboratoryjnych
SPOSOBY OCENY ( F – FORMUJĄCA, P – PODSUMOWUJĄCA)
F1. – ocena przygotowania do ćwiczeń laboratoryjnych
F2. – ocena umiejętności stosowania zdobytej wiedzy podczas wykonywania ćwiczeń
F3. – ocena sprawozdań z realizacji ćwiczeń objętych programem nauczania
F4. – ocena aktywności podczas zajęć
P1. – ocena umiejętności rozwiązywania postawionych problemów oraz sposobu prezentacji
uzyskanych wyników – zaliczenie na ocenę*
P2. – ocena opanowania materiału nauczania będącego przedmiotem wykładu – egzamin testowy
*) warunkiem uzyskania zaliczenia jest otrzymanie pozytywnych ocen ze wszystkich ćwiczeń laboratoryjnych,
3
OBCIĄŻENIE PRACĄ STUDENTA
Forma aktywności
Średnia liczba godzin na
zrealizowanie aktywności
Godziny kontaktowe z prowadzącym
15W 15C 15L→45h
Zapoznanie się ze wskazaną literaturą
→10 h
Przygotowanie do ćwiczeń rachunkowych i laboratoryjnych
→22.5 h
Przygotowanie sprawozdań z ćwiczeń laboratoryjnych
→7.5 h
Przygotowanie do zadania sprawdzającego
→10 h
Konsultacje z prowadzącym
→5 h
Suma
100 h
SUMARYCZNA LICZBA PUNKTÓW ECTS
DLA PRZEDMIOTU
Liczba punktów ECTS, którą student uzyskuje na zajęciach
wymagających bezpośredniego udziału prowadzącego
Liczba punktów ECTS, którą student uzyskuje w ramach zajęć o
charakterze praktycznym, w tym zajęć laboratoryjnych i
projektowych
4 ECTS
2 ECTS
2.4 ECTS
LITERATURA PODSTAWOWA I UZUPEŁNIAJĄCA
1. Drobniak S.: Mechanika płynów – wprowadzenie. TEMPUS PROJECT, Wydawnictwo PCz., 2002.
2. Duckworth R. A.: Mechanika Płynów, WNT, 1983
3. Puzyrewski R., Sawicki J.: Podstawy mechaniki płynów i hydrauliki, PWN, 1998
4. Kazimierski Z.: Podstawy mechaniki płynów i metod komputerowej symulacji przepływów, Wyd.
Pol. Łódzkiej, 2004
5. Tuliszka E.: Mechanika płynów, PWN 1980
6. Tarnogrodzki A.: Dynamika Gazów, WKŁ, 2003
7. Zbiór zadań z mechaniki płynów. Wydawnictwo PCz., Częstochowa 2006.
8. Laboratorium mechaniki płynów. Wydawnictwo PCz., Częstochowa 2006.
PROWADZĄCY PRZEDMIOT ( IMIĘ, NAZWISKO, ADRES E-MAIL)
1. Prof. dr hab. inż. Stanisław Drobniak, [email protected]
4
MACIERZ REALIZACJI EFEKTÓW KSZTAŁCENIA
Efekt
kształcenia
EK1
EK2
EK3
Odniesienie
danego efektu do
efektów
zdefiniowanych dla
całego programu
(PEK)
K_W15_B_04,
K_U15_B_04
K_W15_B_04,
K_U15_B_04
K_W15_B_04,
K_U15_B_04
Cele
przedmiotu
Treści
programowe
Narzędzia
dydaktyczne
Sposób
oceny
C1, C2
W1-6
1
P2
C1, C2
W7-10
1
P2
C1, C2
W11-15
1
EK4
K_W15_B_04,
K_U15_B_04
C1,C2
EK5
K_W15_B_04,
K_U15_B_04
C1,C2
EK6
K_W15_B_04,
K_U15_B_04
C1,C2
EK7
K_W15_B_04
C1
EK8
K_W15_B_04,
K_U15_B_04
C1,C2
EK9
K_W15_B_04,
K_U15_B_04
C1,C2,C3
EK10
K_W15_B_04,
K_U15_B_04
C1,C2
EK11
K_W15_B_04,
K_U15_B_04
C3
W1
CW1
L15
W3-4
CW4-8
L1-6
W5-6
CW9-12
L12-13
W7,8
CW13-15
W9-10
CW16-19
L1, L6
W10
L1, L5,6, L9,10
W11,12
CW23-27
L9, L10
L1-15
P2
2, 3, 5
F1-3
P1
1-5
F1-3
P1
1-5
F1-3
P1
1,2
F1-3
P1
1-5
F1-3
P1
1, 3-5
F1-3
P1
1-5
F1-3
P1
3-5
F1-3
P1
5
II. FORMY OCENY - SZCZEGÓŁY
Efekty
kształcenia
EK1, EK2,EK3
Student opanował
wiedzę z zakresu
statyki, kinematyki i
dynamiki płynów i
udowodnił to
poprawnymi
odpowiedziami na
pytania testowe
EK3, EK4, EK5, EK6,
EK7, EK8, EK9, EK10
Student posiada
umiejętności
stosowania wiedzy
w rozwiązywaniu
zadań praktyki
inżynierskiej
EK11
Student potrafi
efektywnie
prezentować
i dyskutować wyniki
własnych działań
Na ocenę 2
Na ocenę 3
Na ocenę 4
Na ocenę 5
poniżej 50 %
poprawnych
odpowiedzi
od 50 do 71 %
poprawnych
odpowiedzi
od 72 do 91 %
poprawnych
odpowiedzi
powyżej91 %
poprawnych
odpowiedzi
Student nie potrafi
nie potrafi wykonać
nałożonych na niego
zadań, nawet z
pomocą
prowadzącego
Student nie potrafi
samodzielnie
wykorzystać nabytej
wiedzy, nałożone na
niego zadania
wykonuje z pomocą
prowadzącego
Student poprawnie
wykorzystuje wiedzę
oraz samodzielnie
rozwiązuje problemy
wynikające w trakcie
realizacji zadań z
praktyki inżynierskiej
Student potrafi
dokonać wyboru
metody obliczeń oraz
wykonać
samodzielnie
obliczenia
podstawowych zadań
praktyki inżynierskiej,
i potrafi dokonać ich
oceny
Student nie potrafi
opracować
sprawozdania ani
zaprezentować
wyników swoich
badań
Student wykonał
sprawozdanie
z wykonanego
ćwiczenia, ale nie
potrafi dokonać
interpretacji oraz
analizy wyników
własnych badań
Student wykonał
sprawozdanie
z wykonanego
ćwiczenia, potrafi
prezentować wyniki
swojej pracy oraz
dokonuje ich analizy
Student wykonał
sprawozdanie
z wykonanego
ćwiczenia, potrafi
w sposób zrozumiały
prezentować,
oraz dyskutować
osiągnięte wyniki
Dopuszcza się wystawienie oceny połówkowej o ile student spełniający wszystkie efekty kształcenia
wymagane do oceny pełnej spełnia niektóre efekty kształcenia odpowiadające ocenie wyższej.
6
III. INNE PRZYDATNE INFORMACJE O PRZEDMIOCIE
1. Wszelkie informacje dla studentów kierunku Mechtronika wraz z:
- programem studiów,
- prezentacjami do zajęć,
- instrukcjami do ćwiczeń laboratoryjnych,
- harmonogramem odbywania zajęć
dostępne są na tablicy informacyjnej oraz stronie internetowej Instytutu Maszyn Cieplnych:
http://imc.pcz.pl/
2. Informacje na temat warunków zaliczenia przedmiotu oraz konsultacji przekazywane są
studentom na pierwszych zajęciach z każdego rodzaju zajęć.
7