МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
имени ШАКАРИМА г. СЕМЕЙ
Документ СМК 3 уровня
УМКД
УМКД
Редакция №1
Программа дисциплины
«Основы САПР низкопо- от «__» __________ 2013 г.
тенциальной энергетики»
для преподавателя
УМКД 042-16.1-90/012013
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС
ДИСЦИПЛИНЫ
«ОСНОВЫ САПР НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ»
для специальности 6М072300 – «Техническая физика»
ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
ДЛЯ ПРЕПОДАВАТЕЛЯ
Семей
2013
УМКД 042-18-6.1.90/01-2013
Ред. № ___ от «____» ________2013 г.
Страница 2 из 13
Предисловие
1 РАЗРАБОТАНО
Составитель _______ «___»________ 2013 г.
Ермоленко М. В., к.т.н., и.о. доцента кафедры «Техническая физика и теплоэнергетика».
2 ОБСУЖДЕНО
2.1 На заседании кафедры «Техническая физика и теплоэнергетика»
Протокол от «____» __________ 2013 г., № __.
Заведующий кафедрой _________
О. А. Степанова
2.2 На заседании учебно-методического бюро
инженерно-технологического факультета
Протокол от «____» __________ 2013 г., № __
Председатель _________ С. С. Толеубекова
3 УТВЕРЖДЕНО
Одобрено и рекомендовано к изданию на заседании
Учебно-методического совета университета
Протокол от «____» __________ 2013 г., № __.
Председатель УМС _________ Г. К. Искакова
4 ВВЕДЕНО ВПЕРВЫЕ
УМКД 042-18-6.1.90/01-2013
Ред. № ___ от «____» ________2013 г.
Страница 3 из 13
Содержание
1 Область применения ................................................................................................ 4
2 Нормативные ссылки ............................................................................................... 4
3 Общие положения .................................................................................................... 4
3.1 Краткое содержание дисциплины: ...................................................................... 4
3.2 Цель изучения дисциплины: ................................................................................ 4
3.3 Основная задача изучения дисциплины: ............................................................ 5
3.4 Результаты обучения:............................................................................................ 5
3.5 Пререквизиты курса: ............................................................................................. 6
3.6 Постреквизиты курса: ........................................................................................... 6
3.7 Выписка из рабочего учебного плана ................................................................. 6
4 Содержание учебной дисциплины (модуля) ......................................................... 6
5 Перечень тем для самостоятельной работы студентов ........................................ 8
6 Учебно-методическая карта по дисциплине ....................................................... 10
7 Карта обеспеченности учебно-методической литературой ............................... 12
8 Литература .............................................................................................................. 12
8.1 Основная литература........................................................................................... 12
8.2 Дополнительная литература ............................................................................... 12
УМКД 042-18-6.1.90/01-2013
Ред. № ___ от «____» ________2013 г.
Страница 4 из 13
1 ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ
Программа дисциплины для преподавателя, входящая в состав учебнометодического комплекса по дисциплине «Основы САПР низкопотенциальной
энергетики» предназначена для студентов специальности 6М072300 – «Техническая физика».
2 НОРМАТИВНЫЕ ССЫЛКИ
Настоящая программа дисциплины для преподавателя устанавливает порядок организации учебного процесса по дисциплине «Основы САПР низкопотенциальной энергетики» в соответствии с требованиями и рекомендациями
следующих документов:
- ГОСО РК 5.04.033-2011. Государственный общеобязательный стандарт
образования Республики Казахстан. Послевузовское образование. Магистратура. Основные положения;
- Типовой учебный план специальности 6М072300 – «Техническая физика»;
- СТУ 042-ГУ-4-2013 Стандарт университета «Общие требования к разработке и оформлению учебно-методических комплексов дисциплин»;
- ДП 042-1.01-2013 Документированная процедура «Структура и содержание учебно-методических комплексов дисциплин».
3 ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
3.1 Краткое содержание дисциплины:
Математическое моделирование. Оптимизация моделируемых объектов.
Метод термоэкономики. Методика моделирования и динамической оптимизации холодильных установок с учетом сезонных колебаний температуры источников теплоты и величины нагрузок. Системы автоматизированного проектирования.
3.2 Цель изучения дисциплины:
Развитие у студентов навыка научно-исследовательской и проектноконструкторской работы в области холодильной техники. Постановка и проведение имитационных экспериментов с моделями процессов тепломассообмена,
происходящих в теплообменных аппаратах холодильной установки на базе
ЭВМ. Принятие экономических и технически обоснованных инженерных решений.
УМКД 042-18-6.1.90/01-2013
Ред. № ___ от «____» ________2013 г.
Страница 5 из 13
3.3 Основная задача изучения дисциплины:
Формирование умений и навыков по планированию низкотемпературных
исследований и испытаний, включая разработку экспериментального стенда,
выбор средств измерения, составление программы испытаний и обработку экспериментальных данных. Неноминальные и нестационарные режимы работы
низкотемпературных установках. Математическое моделирование работы теплообменников различных типов. Оптимизация неноминальных и переходных
режимов работы криогенных и холодильных системах.
3.4 Результаты обучения:
В результате изучения дисциплины студент должен:
знать:
- принципы построения экспериментальных стендов, автоматизация исследований;
- основные, c точки зрения математического моделирования, режимы работы криогенных и холодильных систем;
- математическое моделирование стационарных и нестационарных режимов работы теплообменников, как наиболее инерционных звеньев криогенных
и холодильных систем;
- аналитические и численные методы решения систем уравнений, описывающих стационарные режимы работы теплообменника;
- неноминальные режимы работы криогенных и холодильных систем,
определение оптимальных параметров регулирования;
- постановка задачи управления при переходе от одного установившегося
состояния до другого при изменении параметров входных потоков;
владеть:
- методами математическое моделирование;
усвоить:
- аналитические и численные методы решения систем уравнений, описывающих стационарные режимы работы холодильной установки;
уметь:
- строить модели и описывать их соответствующими системами уравнений;
- выбирать методы решения и составлять алгоритмы их решения;
- составлять программы для ЭВМ при получении результатов в численном виде;
понимать:
- основные принципы построения математического моделирования;
иметь:
- представление о методологических основах экспериментального исследования;
- об обобщении результатов исследования, способы аппроксимации
опытных данных;
УМКД 042-18-6.1.90/01-2013
Ред. № ___ от «____» ________2013 г.
Страница 6 из 13
- об общих сведениях - причины возникновения неноминальных и нестационарных режимов работы криогенных и холодильных систем и их моделирование;
- об уравнениях - конвективного теплообмена потока с теплопередающей
стенкой, уравнение теплопроводности, уравнение переноса;;
приобрести:
- знания и умения, работы с научно-технической и справочной литературой в области моделирования;
3.5 Пререквизиты курса:
- нет.
3.6 Постреквизиты курса:
- базовые и профильные дисциплины.
3.7 Выписка из рабочего учебного плана
Выписка из рабочего учебного плана представлена в таблице 1.
Таблица 1
Выписка из рабочего учебного плана
Курс Семестр Кредиты ЛК, СПЗ, ЛЗ, СРСМ, СРМ, Всего, Форма
час. час. час.
час.
час.
час. итогового
контроля
2
3
3
15
15
15
180
225
Экзамен
4 СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ (МОДУЛЯ)
Содержание учебной дисциплины представлено в таблице 2.
Таблица 2
№
1
2
Наименование тем и их содержание
1
Модуль 1. Математическое моделирование
Лекционные занятия
Введение. Задача курса и его содержание. Краткий исторический
обзор. Примеры моделей, относящихся к различным историческим
эпохам и различным областям человеческих знаний. Моделирование
для экспериментального исследования. Классификация моделей.
Математическое моделирование. Основные этапы построения
математической модели. Методы математического моделирования.
Количество
часов
2
1
1
УМКД 042-18-6.1.90/01-2013
3
4
5
6
1
2
3
1
2
7
8
9
10
11
Ред. № ___ от «____» ________2013 г.
Страница 7 из 13
Общие положения, связанные с математическим моделированием.
Схематизация реального явления, процесса или объекта, т.е. отражение в математической модели его сущности. Алгебраические или
трансцендентные уравнения математического описания.
Статические и динамические характеристики объекта. Пример
статической характеристики. Кривая разгона. Общая форма представления состояния объекта.
Построение характеристик объекта по характеристикам
элементарных процессов. Графическое представление n-мерного
пространства. Построения статических характеристик отдельных
элементарных процессов.
Схематизация гидродинамического режима элементарных
процессов. Понятие об идеальном перемешивании и идеальном
вытеснении. Схема последовательного соединения элементарных
процессов. Схема параллельного соединения элементарных
процессов. Схема соединения элементарных процессов по принципу
обратной связи (рецикл).
Математические модели теплообменных аппаратов типа
"перемешивание-перемешивание","перемешиваниевытеснение", "вытеснение- вытеснение". Зона идеального
перемешивания. Зона идеального вытеснения. Зона идеального
вытеснения
с
однопараметрической
теплопроводностью.
Теплообменный аппарат типа "перемешивание - вытеснение".
Практические занятия
Поверочный расчет двухпоточного теплообменника.
Определение скорости испарения воды со свободной поверхности.
Определение основных параметров барботажного устройства.
Лабораторные занятия
Основы работы с MathCAD . Решение уравнений средствами Mathcad
Символьные вычисления в среде MahtCad.
Модуль 2. Метод термоэкономики
Лекционные занятия
Понятие об оптимизации. Статическая и динамическая
оптимизация. Статическая оптимизация. Постановка задачи
оптимизации. Цель оптимизации и требования к объекту
оптимизации. Задачи динамической оптимизации.
Методы поиска экстремума функции одной переменной. Метод
классического анализа функций. Метод локализации экстремума
функции. Метод «золотого сечения». Метод поиска экстремума с
использованием чисел Фибоначчи.
Методы поиска экстремума функции многих переменных. Достаточные условия существования экстремума для непрерывных функций.
Понятие об безусловном и условном экстремуме. Методы неопределенных множителей Лагранжа. Методика нахождения условного
экстремума на примере функций двух переменных. Применение метода неопределенных множителей Лагранжа.
Методы линейного и нелинейного программирования. Безградиентные и градиентные методы. Задачи линейного программирования. Методы нелинейного программирования. Метод сканирования.
1
1
1
2
2
2
3
4
3
1
1
1
1
1
Ред. № ___ от «____» ________2013 г.
УМКД 042-18-6.1.90/01-2013
12
13
1
2
3
4
5
Страница 8 из 13
Симплексный метод. Градиентные методы поиска оптимума. Метод
релаксации. Традиционный технико-экономический метод. Эксергия.
Технико-экономические методы оптимизации. Методы термоэкономического анализа. Оптимизации многоцелевых холодильных
установок. Математическое описание элементов холодильной установки, используемое в термоэкономической модели. Статическая оптимизация одноступенчатой холодильной установки.
Методика построения термоэкономической модели холодильной
установки. Принцип построения САПР. Постановка задачи оптимизации холодильных установок с учетом сезонных колебаний температуры окружающей среды и нагрузок. Двухступенчатые одноцелевые холодильные установки. Холодильные установки с оборотной системой водоснабжения. Многоцелевые холодильные установки.
Практические занятия
Методы исследования функций (поиск экстремума функции,
линейное и нелинейное программирование)
Методика построения термоэкономической модели холодильной
установки.
Лабораторные занятия
Построение математической модели и разработка алгоритма расчета
теплообменных аппаратов.
Построение статической и динамической модели компрессора холодильной машины.
Моделирование теплоизоляционной конструкции холодильника
5 ПЕРЕЧЕНЬ
СТУДЕНТОВ
ТЕМ
ДЛЯ
САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ
1
2
4
4
3
3
2
РАБОТЫ
5.1.1 Пpичины возникновения неноминальных и нестационаpных pежимов pаботы криогенных и холодильных систем. Разделение нестационаpных
пpоцессов на квазистационаpные и существенно нестационаpные. Стационарное состояние как предельное при окончании переходного процесса.
5.1.2. Модели с сосpедоточенными и распределенными паpаметpами, одномерные и многомерные модели. Тепловая инерционность машин и аппаратов
установок; теплообменник - как наиболее инерционное звено. Общее уравнение
теплообмена между потоком и стенкой.
5.1.3. Одномерное уравнение динамики двухпоточного теплообменника с
учетом влияния наружного корпуса и изоляции, их влияние на характер нестационарного процесса.
5.1.4. Система уравнений динамики теплообменника с безразмерными коэффициентами с граничными условиями общего вида.
5.1.5. Различные способы сосредоточения параметров при получении
аналитических решений без учета пространственной распределенности.
5.1.6. Методы получения аналитических решений с помощью интегральных преобразований Лапласа и Лагерра.
УМКД 042-18-6.1.90/01-2013
Ред. № ___ от «____» ________2013 г.
Страница 9 из 13
5.1.7. Численные конечно-разностные методы решения. Явные и неявные
конечно-разностные схемы, условия устойчивости и погрешности аппроксимации. Матричная запись матричные решения системы конечно-разностных уравнений.
5.1.8. Приближенные методы решения с помощью аппроксимации профиля температур потоков и стенки по координате наперед заданной функцией,
возможность анализа переходных процессов с помощью исследования матрицы
решений.
5.1.9. Системы уравнений, описывающих стационарные и нестационарные режимы работы криогенных и холодильных установок, состоящих из нескольких теплообменников. Аналитические, численные и приближенные решения.
5.1.10. Интенсификация пpоцессов захолаживания путем пеpепуска
обpатного потока на соответствующий темпеpатуpный уpовень установки,
pегулиpование подачи пpямого потока на вход детандеpа, минуя пpедваpительный теплообменник.
5.1.11. Работа низкотемпературной установки при захолаживании объекта
большой массы. Особенности регулирования подачи расхода криагента при захолаживании циркуляционной сверхпроводящей системы.
5.1.12. Стационарный режим - как конечное состояние динамического
процесса. Расчетные методы получения стационарного профиля температур.
5.1.13. Применение симплекс-метода линейного программирования для
определения оптимального перераспределения потоков по аппаратам низкотемпературной установки.
5.1.14. Использование итерационного метода Ньютона для определения
оптимальных режимов работы при изменении параметров входных потоков.
5.1.15. Постановка задачи финитного управления нестационарными режимами низкотемпературных установок при переходе от одного установившегося состояния до другого при изменении параметров входных потоков. Получение конечного результата на основе многоуровневой расчетной системы оптимизации и оптимального управления.
5.2 Рубежный контроль 1.
5.3 Рубежный контроль 2 (итоговый).
УМКД 042-18-6.1.90/01-2013
Ред. № ___ от «____» ________2013 г.
Страница 10 из 13
6 УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКАЯ КАРТА ПО ДИСЦИПЛИНЕ
Учебно-методическая карта по дисциплине представлена в таблице 3.
Таблица 3
Тема
лекционного
занятия
практического
занятия
1
2
Введение. Задача курса и
его содержание. Краткий
исторический
обзор.
МатематичеПоверочный расское моделичет двухпоточного
рование. Остеплообменника.
новные этапы
построения
математической модели.
Статические и
динамические
характеристики объекта.
Построение
характеристик
объекта
по
характеристик
ам
элементарных
процессов.
Схематизация
гидродинамиче
ского режима
элементарных
процессов.
Понятие
об
идеальном
перемешивани
и и идеальном
вытеснении.
Математическ
ие
модели
теплообменны
х
аппаратов
типа
"перемешиван
иеперемешивани
лабораторного
занятия
3
Основы работы с
MathCAD . Решение уравнений средствами
Mathcad
Наглядные
пособия,
ТСО, плакаты, стенды
4
Компьютерный класс
Определение
скорости
испарения воды со
свободной
поверхности.
Основы работы с
MathCAD . Решение уравнений
средствами
Mathcad
Компьютерный
класс
Определение
основных
параметров
барботажного
устройства.
Основы работы с
MathCAD . Решение уравнений
средствами
Mathcad
Компьютерный
класс
Вопросы
для самостоятельного изучения
5
СРМ 1
Форма
контроля
6
Конспект.
СРМ 1
Реферат
СРМ 2
Конспект.
Отчет
ПЗ 1.
СРМ 2
Реферат
СРМ 3
Конспект.
Отчет
ПЗ 2.
СРМ 3
Реферат
Конспект.
Отчет
ЛБ 1
СРМ 4
Реферат
СРМ 4
СРМ 5
Конспект.
Отчет
ПЗ 3.
СРМ 5
Реферат
СРМ 6
Конспект.
Отчет
ЛБ 1
СРМ 6
Реферат
УМКД 042-18-6.1.90/01-2013
е","перемешив
аниевытеснение",
"вытеснениевытеснение".
Понятие
об
оптимизации.
Статическая и
динамическая
оптимизация.
Методы исследования
функций
(поиск экстремума
функции, линейное и нелинейное
программирование)
Методы
поиска
экстремума
функции
одной
переменной.
Методы
поиска
экстремума
функции
многих
переменных.
Понятие
об
безусловном и
условном
экстремуме.
Методы
неопределенны
х множителей
Лагранжа.
Методы линейного и нелинейного
программирования. Безградиентные и
градиентные
методы.
Техникоэкономические
методы оптимизации. Методы термоэкономического анализа.
Методика построения термоэкономической модели
холодильной
Ред. № ___ от «____» ________2013 г.
Компьютерный класс
СРМ 7
Конспект.
Отчет
ПЗ 4.
СРМ 7
Реферат
Построение
Компьютерматематической ный класс
модели
и
разработка
алгоритма расчета
теплообменных
аппаратов.
СРМ 8
Конспект.
Отчет
ЛБ 2
СРМ 8
Реферат.
СРМ 9
Конспект.
СРМ 9
Реферат
СРМ 10
Конспект.
СРМ 10
Реферат
СРМ 11
Конспект.
Отчет
ЛБ 3
СРМ 11
Реферат
Компьютерный класс
СРМ 12-13
Конспект.
Отчет
ПЗ 5.
СРМ 12-13
Реферат
Моделирование
Компьютертеплоизоляциный класс
онной конструкции холодильника
СРМ 14-15
Конспект.
Отчет
ЛБ 4
СРМ 14-15
Реферат
Построение ста- Компьютертической и ди- ный класс
намической модели компрессора холодильной
машины.
Методика
построения
термоэкономическ
ой
модели
холодильной
установки.
Страница 11 из 13
УМКД 042-18-6.1.90/01-2013
Ред. № ___ от «____» ________2013 г.
Страница 12 из 13
установки.
Принцип построения
САПР.
7 КАРТА ОБЕСПЕЧЕННОСТИ УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЙ
ЛИТЕРАТУРОЙ
Карта обеспеченности учебно-методической литературой представлена в
таблице 4.
Таблица 4
Наименование учебников,
учебно-методических пособий
1
Количество
экземпляров
2
Количество
студентов
3
Процент
обеспеченности
4
Оносовский В.В. Моделирование и оптимизация
холодильных установок. - Л.: 1990. - 208 c.
Кондаков А. И. САПР технологических процессов :
учебник для студ. высш. учеб. заведений /— М.: Издательский центр «Академия», 2007. — 272 с..
Норенков И.П. Основы автоматизированного проектирования: Учеб. для вузов. 2-е изд., перераб. и доп.
- М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. - 336 с.
Бондарь А.Г. Математическое моделирование в химической технологии. - К.: Высшая школа. - 1973. - 280 с.
Алексеев В.П., Геpасимов П.В., Вайнштейн Г.Е.
Расчет и моделирование аппаратов криогенных
установок. - Л.: Энеpгоатомиздат, 1987. - 290 с.
8 ЛИТЕРАТУРА
8.1 Основная литература
8.1.1 Оносовский В.В. Моделирование и оптимизация холодильных
установок. - Л.: 1990. - 208 c.
8.1.2 Кондаков А. И. САПР технологических процессов : учебник для студ.
высш. учеб. заведений /— М.: Издательский центр «Академия», 2007. — 272 с..
8.1.3 Ли К.Основы САПР (САО/САМ/САЕ). — СПб.: Питер, 2004. — 560 с.:
ил.
8.1.4 Норенков И.П. Основы автоматизированного проектирования: Учеб.
для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. 336 с.
8.2 Дополнительная литература
8.2.1 Бондарь А.Г. Математическое моделирование в химической технологии. - К.: Высшая школа. - 1973. - 280 с.
УМКД 042-18-6.1.90/01-2013
Ред. № ___ от «____» ________2013 г.
Страница 13 из 13
8.2.2 Бояриков А.И., Кафаров В.В. Методы оптимизации в химической
технологии. - М.: Химия. - 1969.- 360 c.
8.2.3 Островский Г.М. и др. Алгоритмы оптимизации химикотехнологических процессов. - М.: Химия. - 1978.- 296 c
8.2.4 Форсайт Д., Малькольм М., Моулер К. Машинные методы математических вычислений. - М.: Мир. - 1980. - 270 c.
8.2.5 Алексеев В.П., Геpасимов П.В., Вайнштейн Г.Е. Расчет и моделирование аппаратов криогенных установок. - Л.: Энеpгоатомиздат, 1987. - 290 с.
8.2.6 Справочник по физико-техническим основам криогеники: под ред.
Малкова М.П.-М. Энергоатомиздат, 1985.- 432 с.