Kursplan för Kompressibel strömning

Kursplan fastställd 2021-02-17 av programansvarig (eller motsvarande).

Kursöversikt

  • Engelskt namnCompressible flow
  • KurskodTME085
  • Omfattning7,5 Högskolepoäng
  • ÄgareMPAME
  • UtbildningsnivåAvancerad nivå
  • HuvudområdeMaskinteknik
  • InstitutionMEKANIK OCH MARITIMA VETENSKAPER
  • BetygsskalaTH - Mycket väl godkänd (5), Väl godkänd (4), Godkänd (3), Underkänd

Kurstillfälle 1

  • Undervisningsspråk Engelska
  • Anmälningskod 03112
  • Blockschema
  • Sökbar för utbytesstudenterJa

Poängfördelning

0107 Tentamen 7,5 hp
Betygsskala: TH		 7,5 hp
  • 16 Mar 2023 fm J
  • 07 Jun 2023 fm J
  • 16 Aug 2023 fm J

I program

Examinator

Gå till kurshemsidan (Öppnas i ny flik)

Behörighet

Grundläggande behörighet för avancerad nivå
Sökande med en programregistrering på ett program där kursen ingår i programplanen undantas från ovan krav.

Särskild behörighet

Engelska 6
Sökande med en programregistrering på ett program där kursen ingår i programplanen undantas från ovan krav.

Kursspecifika förkunskaper

Basic fluid mechanics, thermodynamics

Syfte

Effekter av kompressibel strömning påträffas i många tekniska tillämpningar där man har snabba flöden och/eller flöden med stora tryckskillnader, t.ex. gasturbiner, ångturbiner, förbränningsmotorer, stirlingmotorer, raketmotorer, höghastighets aerodynamik, höghastighets propellrar, gasledningar etc. Faktum är att det moderna samhället med dess beroende av snabba transporter både på marken och i luften samt krav på tillförlitlig elproduktion inte skulle fungera utan kompressibel strömning. Speciella fenomen som kompressionsstötar, entropiskikt, expansionsfanor, strömningsinducerat buller etc är av grundläggande vetenskaplig betydelse och påverkar direkt prestanda och uthållighet av dessa tekniska tillämpningar.
Kursens viktigaste mål är att förmedla en överblick av och ge viss ingående kännedom om området kompressibla flöden samt att förmedla vikten av kompressibel strömning i samband med vanliga tekniska tillämpningar. Kursen ger en allmän kunskap om de grundläggande flödesekvationerna och hur dessa är relaterade till grundläggande konserveringsprinciper och termodynamiska lagar och samband. Kopplingarna till inkompressibla flöden samt aeroakustik som olika specialfall av kompressibla flöden kommer också att beröras. Kursen kommer också att ge en allmän kunskap om och viss erfarenhet av typiska CFD-koder för numerisk simulering av kompressibla flöden.

Lärandemål (efter fullgjord kurs ska studenten kunna)

  • definiera begreppet kompressibilitet för flöden och kunna avgöra om ett visst flöde är föremål för betydande kompressionseffekter
  • beskriva typiska ingenjörsflödessituationer där kompressionseffekter är mer eller mindre framträdande (t.ex. machtalsområden för stationära flöden)
  • presentera olika formuleringar av de grundläggande flödesekvationerna för kompressibla flöden och redogöra för vilka konserveringsprinciper de bygger på
  • förklara hur termodynamiska samband kommer in i flödesekvationerna och de särskilda fallen; perfekt gas, termisk perfekt gas och real gas
  • förklara varför entropi är viktigt för flödes diskontinuiteter
  • kunna härleda (vissa) och tillämpa (alla) de presenterade matematiska formlerna för klassisk gasdynamik. Detta innefattar 1D isentropt flöde, normalstötar, 1D flöde med tillförd värme samt 1D flöde med friktion, sneda stötar i 2D, stötreflektion vid solida väggar, kontaktdiskontinuiteter, Prandtl-Meyer expansionsfanor i 2D, fristående stötar vid strömning kring trubbiga kroppar, flöden i munstycken, tidsberoende vågor och diskontinuiteter i 1D, grundläggande akustik, etc
  • lösa tekniska problem med förekomst av ovan nämnda fenomenen
  • förklara hur ekvationer för inkompressibel strömning härleds som ett specialfall av ekvationerna för kompressibel strömning
  • förklara hur ekvationerna för aeroakustik och klassisk akustik härleds som specialfall av flödesekvationerna för kompressibel strömning
  • förklara de viktigaste principerna bakom en modern CFD-kod baserad på finit volym och begrepp som explicit/implicit tidsstegning, CFL-tal, konservering, hantering av kompressionsstötar, randvillkor, etc.
  • tillämpa en viss CFD-kod på ett visst problem där kompressibelt flöde studeras och förstå hur man kan analysera kvaliteten på den numeriska lösningen

    Innehåll

    Den nuvarande kursen följer boken (se nedan) ganska nära och innehåller följande avsnitt:
    • Introduktion, historisk översikt
    • Integral-och differentialformuleringar av de grundläggande flödesekvationerna
    • 1D stationär kompressibel strömning
    • Quasi-1D flöde (stationärt)
    • 2D stationär kompressibel strömning
    • Instationär 1D kompressibel strömning
    • Riemann problem (stötrör)
    • Linjära och icke-linjära akustiska vågor
    • Kompressibel strömning vid hög temperatur
    • Numeriska metoder (översikt)
    • Vingprofiler (inkluderar delta-vingar och sanordningar för ökad lyftkraft - high-lift devices) 
    • Flygplansaerodynamik i olika hastighetsområden (lyftkrafter och strömningsmotstånd) 

    Organisation

    Kursen består av 15 föreläsningar, 9 schemalagda tillfällen för räkneövningar, presentationer och konsultation samt 3 laborationer med problemlösning som bygger på klassiska formler och/eller numeriska metoder. De i kursen använda numeriska verktygen består av en Chalmers-utvecklad kod för simulering av 1D kompressibel strömning och den kommersiella koden STAR-CCM+ som i kursen kommer att användas för simulering av 2D kompressibel strömning. Utöver de tre laborationerna innehåller kursen ett större projekt med inslag av numerisk analys. Projektet, som skall utföras i grupper med upp till fyra studenter i varje, innehåller en literotur studie, numerisk flödes simulering (CFD), samt presentation i form av tekniska rapporter och en muntlig presentation.

    Litteratur

    • John D. Anderson, Modern Compressible Flow, McGraw-Hill 2021, 4:e reviderade upplagan, ISBN 978-1-260-57082-3.
    • Föreläsningsanteckningar om numeriska metoder (grundläggande principer) och aeroakustik.

    Examination inklusive obligatoriska moment

    Examinationen baseras på skriftlig tentamen (U, 3, 4, 5), godkända laborationer och godkänt projektarbete. Projektet, som utförs i grupper med upp till fyra studenter i varje, skall presenteras i form av en rapport och en muntlig presentation. Projektet kan ge bonuspoäng till den skriftliga tentamen.

    Kursens examinator får examinera enstaka studenter på annat sätt än vad som anges ovan om särskilda skäl föreligger, till exempel om en student har ett beslut från Chalmers om pedagogiskt stöd på grund av funktionsnedsättning.