МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего
профессионального образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
КАДРЫ ВЫСШЕЙ КВАЛИФИКАЦИИ
(АСПИРАНТУРА)
УТВЕРЖДАЮ
Декан Физико-технического факультета НИ ТГУ
_________________Э.Р. Шрагер
«07» февраля
2014 г.
ПРОГРАММА
вступительных экзаменов по специальной дисциплине, соответствующей
профилю « Химическая физика, горение и взрыв, физика экстремальных
состояний вещества»
(направление подготовки: 03.06.01 – Физика и астрономия)
Томск 2014
1. Цель вступительного экзамена
Целью вступительного экзамена в аспирантуру по специальности 01.04.17- Химическая
физика, горение и взрыв, физика экстремальных состояний вещества является проверка
наличия у поступающего в аспирантуру системы представлений о закономерностях
протекания химических процессов в энергетических системах, тепло и массоотдачи и тепло и
массопереноса в сплошной среде и методах математического описания этих процессов.
2. Место экзамена в структуре ООП подготовки аспиранта
Вступительный экзамен в аспирантуру по специальности 01.04.17- Химическая физика,
горение и взрыв, физика экстремальных состояний вещества обеспечивает получение
объективной оценки компетенций по ключевым разделам научной специальности, полученных
поступающим в аспирантуру при изучении общепрофессиональных и специальных дисциплин
бакалаврской и магистерской программ, таких как»Химическая кинетика», «Теоретическая
макрокинетика», «Термодинамика», «Численные методы», «Прикладная газодинамика»,
«Методы измерений в физическом эксперименте», «Процессы теплопередачи в технических
устройствах», «Численные методы в задачах тепло и массопереноса» и других.
Результаты экзамена позволят более целенаправленно формировать список дисциплин,
необходимых для освоения в процессе последующей подготовки аспиранта.
3. Структура и содержание программы вступительного экзамена
I.
ВВЕДЕНИЕ
Предмет макроскопической кинетики химических реакций, ее научный аппарат и
основные направления.
II.
ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ КИНЕТИКИ
Гомогенные и гетерогенные реакции. Скорость реакции. Простые и сложные
реакции. Закон действующих масс. Кинетические уравнения. Константа скорости
реакции. Порядок реакции.
Зависимость константы скорости от температуры. Чувствительность скорости
химической реакции к изменению температуры. Процессы взрывчатого превращения,
описываемые макроскопической кинетикой. Энергия активации. Тепловой эффект
реакции. Эндотермические и экзотермические реакции. Методы определения теплового
эффекта.
Реакция n - ого порядка. Время полупревращения. Обратные реакции. Равновесные
концентрации реагентов и их зависимость от температуры. Последовательные реакции.
Промежуточные продукты. Интегрирование кинетических уравнений в простейшем
случае двух последовательных реакций первого порядка. Параллельные реакции. Их
исследование в простейших случаях. Лимитирующая стадия химического процесса.
Автокатализ конечными продуктами реакции. Различные методы нахождения
констант скорости по кинетическим кривым. Уравнение автокатализа и его исследование.
Цепные реакции. Основные элементарные стадии цепной реакции. Пределы цепного
воспламенения и их причины.
III.
ОСНОВЫ ТЕОРИИ ТЕПЛО- И МАССООБМЕНА
Способы передачи тепла. Поле температур и тепловых потоков. Физическая
картина теплообмена между телом и окружающей средой. Внутренняя задача. Краевые
условия. Коэффициент теплоотдачи.
Кондуктивный механизм теплоотдачи. Закон Фурье. Уравнение теплопроводности.
Виды источников тепла. Решение стационарного уравнения теплопроводности в
некоторых простейших случаях. Теория регулярного режима.
Связь между полями температур и полями скорости в движущейся среде.
Обобщенное уравнение распространения тепла в вещественной среде.
Свободная и вынужденная конвекция. Теплоотдача при движении жидкости в
трубах и при плавном обтекании тел. Пограничный слой.
Теплообмен при фазовых превращениях. Плавление. Испарение, Кипение.
Тепловое излучение. Абсолютно черное тело. Закон Стефана - Больцмана.
Излучение серого тела. Излучение газов и паров.
Подобие процессов теплообмена и массообмена. Молекулярная и конвективная
диффузия. Термодиффузия.
Основные
положения
теории
размерностей.
Критерии
подобия.
Автоколебательные явления. Анализ нестационарного уравнения теплопроводности с
постоянным источником тепла и граничными условиями. Методики теории размерностей.
Критерии подобия в теории тепло- и массообмена.
IV.
ТЕОРИЯ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ.
А. ТЕОРИЯ ТЕПЛОВОГО ВЗРЫВА (САМОВОСПЛАМЕНЕНИЯ)
Тепловой и цепной механизмы воспламенения. Необходимые условия для
теплового воспламенения. Воспламенение как предельный режим неизотермического
протекания экзотермических реакций.
Стационарная теория Семенова. Расчет критических условий и предвзрывного
разогрева.
Стационарная теория Франк-Каменецкого. Метод преобразования экспоненты.
Решение стационарных уравнений теории теплового взрыва для плоскопараллельной и
цилиндрической симметрии формы сосуда. Расчет критических условий. Стационарные
краевые задачи теории теплового взрыва. Физическая сущность краевых задач.
Зависимости критерия Франк-Каменецкого и распределения температур на пределе
самовоспламенения от критерия Био.
Адиабатический тепловой взрыв по Тодесу. Закономерности протекания простых и
самоускоряющихся реакций в адиабатическом режиме. Расчет адиабатического периода
индукции.
Нестационарная теория теплового взрыва простых реакций по Тодесу и ФранкКаменецкому. Закономерности изменения периода индукции над пределом
самовоспламенения. Поправка на выгорание за период индукции.
Квазистационарная теория теплового взрыва самоускоряющихся в изотермических
условиях реакций. Физическая сущность квазистационарного режима. Расчет
характеристик теплового взрыва на примере автокаталитической реакции первого
порядка.
Специфические особенности очагового теплового взрыва. Анализ явлений в случае
температурного и химического очагов.
Б. ЗАЖИГАНИЕ.
Стационарная теория зажигания горячей поверхностью Я.Б. Зельдовича.
Адиабатическая теория зажигания В.Н. Вилюнова.
Зажигание постоянным термостатическим источником. Анализ задачи методом
теории размерностей. Зависимость характеристик зажигания от температурного напора.
Зажигание тепловым импульсом. Зависимость минимальной энергии зажигания от
длительности импульса.
Методы экспериментального исследования процессов зажигания.
В. ПРЕДЕЛЬНЫЕ РЕЖИМЫ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ.
Закономерности перехода от самовоспламенения к зажиганию. Зависимость
верхней границы самовоспламенения от геометрической формы воспламеняющегося
вещества и условия теплообмена на поверхности.
V.
ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ
Теория нормального распространения стационарного пламени Зельдовича - ФранкКаменецкого. Вывод приближенной формулы для скорости горения. Существование,
единственность и устойчивость решения задачи о стационарном распространении
пламени.
Механизм горения летучих взрывчатых веществ. Теория Беляева - Зельдовича.
Расчет профиля температур в конденсированной фазе.
Механизм горения нелетучих взрывчатых веществ. Реакция в конденсированной
фазе. Диспергирование.
Экспериментальные методы исследования процессов горения конденсированных
систем
VI.
ГАЗОДИНАМИКА.
Элементарная теория ударных волн. Закон сохранения массы, импульса и энергии
и вывод основных соотношений между параметрами ударной волны.
Основы гидродинамической теории детонации. Законы сохранения массы,
импульса и энергии и вывод основных соотношений между параметрами детонационной
волны. Правило отбора. Принцип Харитона.
7. ЭЛЕМЕНТЫ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ МЕТОДОВ.
ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ РАЗНОСТНЫХ СХЕМ.
Численные и асимптотические методы решения задач горения и химической
газодинамики.
Методы построения разностных схем. Понятие консервативности, однородные
разностные схемы. Постановка разностных краевых задач. Исследование устойчивости
разностных схем.
Основы организации пакетов прикладных задач. Принципы организации блоков
данных, хранение и поиск информации.
Численный физико-химический эксперимент в физике горения и взрыва.
4. Примерный перечень вопросов к экзамену
1. Энергия активации.
2. Закон Аррениуса.
3. Температурная чувствительность скорости химической реакции. Процессы
взрывчатого превращения.
4. Процессы воспламенения. Математическая постановка задач в теории теплового
воспламенения.
5. Основные критерии подобия теории воспламенения.
6. Протекание экзотермических реакций в адиабатическом режиме.
Адиабатический разогрев. Анализ самоускорения.
7. Температурный режим адиабатических реакций. Адиабатический период
индукции.
8. Самовоспламенение. Постановка задачи в стационарной теории теплового
взрыва.
9. Стационарная теория теплового взрыва Н.Н. Семенова. Критические условия.
Предвзрывной разогрев.
10. Стационарная теория теплового взрыва Д.А. Франк-Каменецкого. Обоснование
основных положений теории и ее математическая постановка.
11. Стационарная теория теплового взрыва Д.А. Франк-Каменецкого. Критические
условия и максимальный предвзрывной разогрев.
12. Нестационарная теория теплового взрыва Тодеса "под" и "над" пределом
самовоспламенения.
13. Зажигание конденсированных систем. Модели теории зажигания.
14. Стационарная теория зажигания Я.Б. Зельдовича. Основные выводы
стационарной теории зажигания Я.Б. Зельдовича.
15. Критерии зажигания. Влияние теплопотерь при зажигании горячей
поверхностью.
16. Нестационарная теория зажигания горячей поверхностью с точки зрения
химического пограничного слоя.
17. Зажигание к-вещества потоком тепла. Математическая постановка задачи.
18. Адиабатическая теория зажигания В.Н. Вилюнова.
19. Теория стационарного распространения пламени в газе. Постановка задачи.
20. Подобие температурного поля и поля концентрации в стационарном пламени
при Le = 1 .
21. Метод Я.Б. Зельдовича и Д.А. Франк-Каменецкого определения скорости
стационарного распространения пламени.
22. Влияние диффузии на скорость стационарного пламени.
23. Роль теплопотерь и пределы горения.
24. Структура детонационной волны.
25. Теория распространения детонационных волн в газах.
26. Скорость детонации.
27. Условие Чепмена-Жуге.
28. Соотношения Ренкина-Гюгонио.
30. Вывод уравнения сохранения массы в газе.
31. Вывод уравнения сохранения импульса в газе.
32. Задача особых возмущений. Примеры.
33. Метод сращиваемых асимптотических разложений.
34. Составное разложение. Способы построения составного разложения.
35. Метод двухмасштабных разложений.
36. Метод многих масштабов. Разновидности метода многих масштабов.
37. Понятие аппроксимации. Определение порядка аппроксимации уравнения
теплопроводности на трехточечном шаблоне.
38. Явная схема для уравнения теплопроводности с постоянным коэффициентом
теплопроводности. Анализ устойчивости.
39. Неявная схема для уравнения теплопроводности с постоянным коэффициентом
теплопроводности. Анализ устойчивости.
40. Явная схема для уравнения теплопроводности с переменным коэффициентом
теплопроводности. Анализ устойчивости.
41. Неявная схема для уравнения теплопроводности с переменным коэффициентом
теплопроводности. Анализ устойчивости.
42. Метод прогонки для численного решения уравнения теплопроводности с
переменным коэффициентом теплопроводности.
43. Аппроксимация неоднородных граничных условий
II и III рода для задачи
o (h 2 )
теплопроводности с порядком аппроксимации o (h ) и
.
44. Явная схема для уравнения конвекции-теплопроводности с постоянным
коэффициентом теплопроводности. Анализ устойчивости.
45. Неявная схема для уравнения конвекции-теплопроводности с постоянным
коэффициентом теплопроводности. Анализ устойчивости.
ЛИТЕРАТУРА.
1. Н.М. Эмануэль, Д.Г. Кнорре. Курс химической кинетики. - М.: "Высшая школа", 1984,
463 с.
2. С.С. Кутателадзе. Основы теории теплообмена. - М.: "Атомиздат", 1979, 415 с.
3. Э.Р. Эккерт, Р.И. Дрейк. Теория тепло- и массообмена. - М.: "Госэнергоиздат", 1961,
602 с..
4. Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. Механика сплошных сред. - М.: "Гостехиздат", 1953, 788 с.
5. Д.А. Франк-Каменецкий. Диффузия и теплопередача в химической
кинетике. - М., "Наука", 1987, 491 с.
6. Л.Н. Хитрин. Физика горения и взрыва. - М.: изд-во МГУ, 1957, 442 с.
7. Я.Б. Зельдович, А.С. Компонеец. Теория детонации. - М.: "Гостехиздат", 1955, 268 с.
8. П.Ф. Похил, В.М. Мальцев, В.М. Зайцев. Методы исследования процессов горения и
детонации. - М.: "Наука", 1969, 238 с.
9. Д.А. Зельдович, Г.И Баренблатт., В.Б Либрович., Г.И. Махвиладзе,
Математическая теория горения и взрыва. - М., "Наука", 1980, 478 с.
10. В.Н. Вилюнов Теория зажигания конденсированных веществ. Новосибирск, "Наука", 1984, 187 с..
11. Я.Б. Зельдович Избранные труды. Химическая физика и гидродинамика. М., "Наука", 1984, 374 с.
12. Теория горения порохов и взрывчатых веществ. / Под ред. Лейпунского
О.И., Фролова Ю.В. - М., "Наука", 1982, 336 с.
13. Теория горения и взрыва. / Под ред. Фролова Ю.В. - М., "Наука",
1981, 412 с.
14. Вильямс Ф.А. Теория горения / Пер. с англ. Новикова С.С. и Рязанцева
Ю.С. - М., "Наука", 1971, 615 с.
15. Физика взрыва./ Под ред. Станюкевича К.П. - М.: "Наука", 1975, 704 с.
16. Буркина Р.С. Методы возмущений и их использование в задачах макрокинетики: –
Томск: ТМЛ-Пресс, 2007. – 182 с.
17. К. Флетчер. Вычислительные методы в динамике жидкостей. ( В двух
томах). Т.1. Освовные положения и общие методы. - М.: "Мир", 1991.
18. В.М.Пасконов, В.И.Полежаев, Л.А.Чудов. Численное моделирование процессов тепломассообмена. М.: Наука. 1984. 288 с.
19. Д. Андерсон, Дм. Таннехилл, Р. Плетчер. Вычислительная гидромеханика
и теплообмен. (В двух томах).- М.: "Мир", 1990.
20. В.М.Пасконов, В.И.Полежаев, Л.А.Чудов. Численное моделирование процессов тепломассообмена. М.: Наука. 1984. 288 с.
Программа
сформирована
на
основе
федеральных
государственных
образовательных стандартов высшего образования по программам специалитета и
магистратуры.
Утверждена Учёным советом физико-технического факультета, протокол № 29 от
07.02.14г.