MMVF01 Termodynamik och strömningslära 11 hp UTKAST, C ...

Institutionen för Energivetenskaper
MMVF01
Termodynamik och strömningslära
11 hp
Kursinformation
hösten 2012
UTKAST, C. Norberg 21 augusti 2012
augusti 2012

SYFTE OCH INNEHÅLL
Kursens syfte är att uppnå baskunskaper i termodynamik och strömningslära, vilket t.ex. inkluderar
grundläggande förståelse och analys av tekniska termodynamiska processer (ex. ång-, kyl- och
gascykler) och grundläggande insikter om förlopp och fenomen vid gasers och vätskors (fluiders)
strömning i en fas. Speciell vikt fästs vid träning och förståelse av systematisk problemlösning,
analys via kontrollvolyms- och dimensionshantering samt beräkning av tryckfall och flöden i enkla
rörsystem vid inkompressibla stationära förhållanden.
Inom termodynamik (motsvarande 6.5 hp) behandlas begreppen temperatur, arbete, värme, e-
nergi och entropi samt termodynamikens huvudsatser (främst första och andra) inklusive tillämpningar.
Gasers och vätskors egenskaper liksom övergångar mellan dessa båda faser studeras. Tillståndsstorheter,
tillståndsdiagram, termodynamiska samband, exergi, gasblandningar inklusive s.k.
fuktig luft (torr luft + vatten) innefattas. Tillämpningar är inriktade mot förbränningsmotorer,
gasturbiner, ångkraftsanläggningar, värmeväxlare, kylmaskiner, värmepumpar samt luftkonditionering.
Härvid poängteras särskilt aspekter av irreversibilitet och entropigenerering.
Inom strömningslära (motsvarande 4.5 hp) introduceras inledningsvis ett antal grundläggande
begrepp och samband, ex. fluid, inkompressibel strömning och viskositet. Därefter genomgås och
tillämpas olika metoder för problemlösning (integral-, differential- och dimensionsanalys). Bland
dessa ges Bernoullis ekvation, impulssatsen samt Reynolds likformighetslag ett förhållandevis stort
utrymme. De fullständiga rörelseekvationerna vid inkompressibel strömning av en Newtonsk fluid
presenteras. De begränsade möjligheterna till exakta lösningar diskuteras. Vidare behandlas laminäroch
turbulentrörströmning,gränsskikt, strömningsmotståndinklusiveavlösning, samt isentrop,
kompressibel strömning i munstycken.
KURSMOMENT
Kursen bedrivs i form av föreläsningar, storgruppsövningar, gruppvisa räknestugor, en laboration
samt obligatoriska, individuella hemuppgifter. Teoriavsnitt och viss problemlösning examineras via
två korta prov (duggor), mot slutet av resp. läsperiod. Under början av andra läsperioden erbjuds
ett kortarestudiebesök vid Öresundsverketi Malmö. Kursenavslutas med skriftligtentamen, vilken
främst avser problemlösning.
KURSLITTERATUR
Y. A. Çengel & M. A. Boles, Thermodynamics — An Engineering Approach, Seventh Edition in
SI Units, McGraw-Hill (2011) samt D. F. Young, B. R. Munson, T. H. Okiishi & W. W. Huebsch,
Introduction to Fluid Mechanics, Fifth Edition in SI Units, Wiley (2012). Tillhörande formelsamlingar
(gröna häften) finns att köpa på KFS AB. Laborations-PM finns på kursens hemsida.
EXAMINATION
• Examinator. Kursens examinator är universitetslektor, docent Christoffer Norberg
(tel. 046-2228606, e-post Christoffer.Norberg@energy.lth.se).
• Individuella hemuppgifter. Hemuppgifter väljs ur kurslitteraturen. 1 Institutionens personal
rättar och godkänner uppgifterna. Felaktiga, ofullständiga eller uppenbart otydliga lösningar
lämnas i retur. Lösningar skall vara väl strukturerade med tydligt angivna approximationer
och/eller antaganden. I förekommande fall inkluderas schematiska men tydliga figurer/skisser.
Källor för t.ex. använda samband och ämnesdata skall anges. Lösningar över flera
sidor bör häftas ihop. Undvik fransade bladkanter. Namn och inskrivningsår (ex. M11) anges
tydligt, helst längst upp till höger på första sidan (försättsblad är ej nödvändigt). Lösningar
inlämnas i trälåda på våning 5, norra delen, längst in till höger.
Bonus á 0.5 poäng per uppgiftskombination (se nedan) utdelas om nöjaktiga lösningar inlämnats
före kl. 17:00 nedan angivna datum (deadlines). Dessa poäng läggs till poängsumman vid
1 Uppgifter med udda nummer i boken av Young et al. finns i Appendix L (nås via länk på kursens hemsida).
1

tentamen. Om nöjaktiga lösningar till alla uppgifter inlämnats före kl. 17:00, fredag 14/12-
2012 utdelas dessutom 0.5 poäng i bonus. Bonuspoäng gäller fram till nästföljande kursstart.
Följande hemuppgifter är obligatoriska (deadlines för bonus inom parentes):
4-122 & 5-124 (ons 26/9), 6-134 & 7-153 (tor 4/10), 8-61 (ons 10/10), 9-55 ∗ (tor 1/11),
∗ OBS! 9-55: ideal gas med varierande c p och c v
14-135 & 5.47 (tor 22/11), 6.77 & 7.27 (tor 29/11), 8.62 (tor 6/12).
• Duggor. Två kortare prov, s.k. duggor, ingår som obligatoriska moment. Dessa genomförs
mot slutet av resp. läsperiod och sker under ordinarie lektionstid. Det första provet (mot
slutet av HT1) behandlar teori samt viss problemlösning inom termodynamik (teori: Ch. 1–
13 samt Ch. 16-1/6 i Çengel & Boles; problem: Ch. 4–8 i Çengel & Boles). Det andra provet
(mot slutet av HT2) behandlar teori inom luftkonditionering och grundläggande strömningslära
(Ch. 14 och Ch. 17-1/2 i Çengel & Boles samt CH. 1–9 i Young, Munson & Okiishi).
Vid det första provet får ett kortfattat formelblad användas vid problemlösningen, i övrigt
inga hjälpmedel. Formelbladet delas ut i samband med provet. Vid det andra provet får inga
hjälpmedel användas. För godkänt prov krävs minst 8 poäng av 20 möjliga.
Prov 1: onsdag 17 oktober 2012, 8:10–10:00
Prov 2: tisdag 11 december 2012, 8:30–10:00
• Tentamen. En skriftlig tentamen avslutar kursen. Skrivtiden är 5 timmar. Tentamen består
av fyra problem om vardera 10 poäng. Problem inom termodynamik är väsentligen kopplade
till Ch. 7–11 och Ch. 13–14 i Çengel & Boles, inom strömningslära till för denna del alla
ingående kapitel (främst CH. 5–9 i Young et al. samt Ch. 17-3 i Çengel & Boles). För godkänt
resultat krävs minst 19 poäng inklusive ev. bonus. Vid tentamen får räknedosa, matematiska
tabeller, TEFYMA, föreläsningsanteckningar, kopior av föreläsningsmaterial, formelblad
i termodynamik samt häftena TERMODYNAMIK — SAMMANFATTNINGAR M.M. och
FORMELSAMLING till kursboken i strömningslära användas. Egna kompletteringar i form
av formler, diagram och kortfattade kommentarer får förekomma i dessa häften.
Lösta exempel eller skisser på lösningar av typiska problem får ej förekomma vid tentamen.
Ordinarie tentamen: onsdag 19 december 2012, kl. 14:00–19:00
• Betygssättning. För betyg 3 (tre), d.v.s. godkänt, krävs godkända prov (tentamen, två
duggor, laboration, hemuppgifter). För överbetyg används följande viktning
poäng = 0.4×D +0.6×T
D är totala poängsumman på dugga 1 och 2 tillsammans, T poängsumman vid tentamen
inklusive eventuell bonus (max. 4p). För betyg 4 (fyra) krävs totalt minst 25.0 poäng, för
betyg 5 (fem) minst 33.0 poäng.
FÖRELÄSNINGAR, ÖVNINGAR OCH RÄKNESTUGOR
Christoffer Norberg föreläser kursen. Problemlösning vid storgruppsövningar (seminarier) leds av
tekn. lic. Helgi S. Fridriksson (046-2224572, Helgi.Fridriksson@energy.lth.se); räknestugor leds av
gruppledare, enligt följande:
Grupp 1: Helgi Skuli Fridriksson (046-2224572), Helgi.Fridriksson@energy.lth.se
Grupp 2: Hedvig Paradis (046-2224043) Hedvig.Paradis@energy.lth.se
Grupp 3: Erik Johansson (046-2223907) Erik.Johansson@energy.lth.se
Grupp 4: Henrik Hofgren (046-2223907) Henrik.Hofgren@energy.lth.se
Grupp 5: Teresa Hankala-Janiec (046-2228611), Teresa.Hankala-Janiec@energy.lth.se
Grupp 6 (TD): Martin Andersson (046-2224908), Martin.Andersson@energy.lth.se
2

Vid räknestugor sker individuell träning i problemlösning med möjlighet till assistans av gruppledare.
Indelning i grupper utifrån labgrupper:
Grupp 1 2 3 4 5 6
Labgrupp M2.01-04 M2.05-08 M2.9-12 M2.13-16 M2.17-20 MD2
LABORATION
Laborationen är ett obligatoriskt moment och behandlar termodynamiska kretsprocesser (Stirlingmotor
och värmepump). Laborationen utförs under HT2 och ges av Institutionen för fysik. Total
omfattning är 5–6 timmar inkl. förberedelser och redovisning. Lab-PM finns på kursens hemsida,
www.energy.lth.se > Utbildning > Kurser > Maskinteknik > MMVF01 Termodynamik och strömningslära.
Labgrupper bildas i läsvecka 1, HT1; läggs därefter ut på kursens hemsida. Sjukanmälan
görs till sekreterare Kerstin Nilsson (046-2227665, Kerstin.Nilsson@fysik.lth.se).
ADMINISTRATION
Kursen administreras av Inst. för energivetenskaper. Kurssekreterare är Gunvi Andersson (tel. 046-
2228610, fax. 046-2224717, e-post Gunvi.Andersson@energy.lth.se), tjänsterum 5:e vån, M-huset
(norra delen, rum 5118). Resultat på prov och tentamen anslås i M-husets foajé, norra delen, samt
på kursens hemsida. Aktuell status över hemuppgifter finns tillgängligt invid inlämningslådan på
våning 5, norra delen.
forts.
3

KAPITELÖVERSIKT
Termodynamik
Ch.
Anm.
⇒
Çengel & Boles
1 Grundläggande begrepp 1-9 ∗ /10 ∗ /11 ∗ , s. 35–37 utgår
2 Energi, energiutbyte, allmän energianalys s. 80 (rad 23)–82 utgår, 2-8 ∗ , TSI-2 ∗
3 Egenskaper för rena ämnen 3-8 utgår
4 Energianalys, slutna system TSI-4 utgår
5 Massutbyte och energianalys, öppna system TSI-5 ∗
6 Andra huvudsatsen 6-5 ∗ , TSI-6 ∗
7 Entropi Isentropic Efficiency of Nozzles och TSI-7 utgår
8 Exergi: ett mått på arbetspotential TSI-8 utgår
9 Gascykler 9-11 utgår, 9-12 ∗ , TSI-9 ∗
10 Ång- och kombinerade cykler 10-6 ∗ /7 ∗ /9 ∗ , 10-8 och TSI-10 utgår
11 Kylprocesser, köldmedier 11-5 ∗ /7 ∗ /8 ∗ , 11-9/10 utgår, TSI-11 ∗
12 Termodynamiska relationer 12-4 ∗ , 12-6 utgår
13 Gasblandningar Real-Gas Mixtures samt TSI-13 utgår
14 Fuktig luft, luftbehandling 14-6 ∗ , Evaporative Cooling &
Wet Cooling Towers utgår
16 Fasjämvikt 16-2/3/4/5 samt Phase Equilibrium
for a Multicomponent System utgår
TSI = Topic of Special Interest
Strömningslära
Ch.
Anm.
⇒
Young, Munson, Okiishi & Huebsch
1 Inledning 1.2.1 ∗ , 1.7.1 ∗ , 1.8 ∗ , 1.10 ∗ , 1.9 utgår
2 Fluiders statik 2.4 ∗ –2.5 ∗ , 2.7–2.12 förutom 2.11.1 utgår
3 Bernoullis ekvation 3.7 ∗
4 Kinematik Ex. 4.3 utgår
5 Integralanalys 5.2.4 ∗ , 5.2.3, Ex. 5.11, 5.3.4 utgår
6 Differentialanalys 6.4.2–6.7 utgår, 6.10 ∗
7 Dimensionsanalys och likformighet 7.9.3 utgår
8 Rörströmning 8.3.2 ∗ , Ex. 8.9 ∗ , 8.5.2 utgår, 8.6 ∗
9 Omströmmade kroppar Compressibility Effects ∗ , 9.4 utgår
⇒
Çengel & Boles
17 Kompressibel strömning 17-3 ∗ /4 ∗ , 17-5/6/7 utgår
OBS! Med ∗ avses avsnitt som skall genomläsas (kursivt) för ökad förståelse alt. orientering —
kan ingå vid hemuppgift eller tentamen, dock ej vid duggor.
4

DETALJSCHEMA: hösttermin, läsperiod 1 (HT1)
Föreläsningar och storgruppsövningar (seminarier)
Lv. Aktivitet Innehåll Tid Sal Lärare
1 Fö 1 Ch. 1 tis 4/9, 8–10 MH:A CN
Fö 2 Ch. 2/3 ons 5/9, 10–12 MH:A CN
Fö 3 Ch. 3/4 fre 7/9, 8–10 M:A CN
2 Stgö 1 Ch. 3 tis 11/9, 8–10 MH:A HF
Fö 4 Ch. 4/5 ons 12/9, 10–12 MH:A CN
Fö 5 Ch. 5/6 fre 14/9, 8–10 M:A CN
3 Stgö 2 Ch. 4 tis 18/9, 8–10 MH:A HF
Fö 6 Ch. 6/7 ons 19/9, 10–12 MH:A CN
Fö 7 Ch. 7 fre 21/9, 8–10 M:A CN
Stgö 3 ∗ Ch. 5 fre 21/9, 13–15 E:A HF
4 Stgö 4 Ch. 6/7 tis 25/9, 8–10 MH:A HP
Fö 8 Ch. 7/8 ons 26/9, 10–12 MH:A CN
Fö 9 Ch. 8 fre 28/9, 8–10 M:A CN
5 Stgö 5 Ch. 7/8 tis 2/10, 8–10 MH:A HP
Fö 10 Ch. 9 ons 3/10, 10–12 MH:A CN
Fö 11 Ch. 9 fre 5/10, 8–10 M:A CN
6 Stgö 6 Ch. 8/9/10 tis 9/10, 8–10 MH:A HF
Fö 12 Ch. 12/16 ons 10/10, 10–12 MH:A CN
Fö 13 Ch. 10 ons 10/10, 15–17 M:A CN
Fö 14 Ch. 11/13 fre 12/10, 8–10 M:A CN
7 Stgö 7 Ch. 7/8 (rep.) tis 16/10, 8–10 MH:A HF
Fö 15 Ch. 14 + teori tis 16/10, 15–17 M:A CN
Prov 1 teori+problem ons 17/10, 8:10–10:00 Sparta:A–D CN
Stgö 8 Ch. 10/11/13 fre 19/10, 8–10 M:A HF
∗ Endast M2; Stgö 3 för MD2 sker tors 20/9, kl. 15–17, sal M:D
Lv. = Läsvecka; Ch. = Kapitel i Çengel & Boles; Fö = Föreläsning; Stgö = Storgruppsövning
CN = Christoffer Norberg; HF = Helgi Fredriksen; HP = Hedvig Paradis
Räknestugor: Se kursens hemsida alt. LTH:s schemagenerator (TimeEdit)!
5

DETALJSCHEMA: hösttermin, läsperiod 2 (HT2)
Föreläsningar och storgruppsövningar (seminarier)
Lv. Aktivitet Innehåll Tid Sal Lärare
1 Fö 1 Ch. 14, CH. 1/2 mån 29/10, 13–15 MH:A CN
Fö 2 Ch. 3 tis 30/10, 8–10 M:A CN
Stgö 1 Ch. 14, CH. 1/2/3 fre 2/11, 8–10 M:A HF
2 Fö 3 Ch. 3/4 mån 5/11, 13–15 MH:A CN
Fö 4 CH. 4/5 tis 6/11, 8–10 M:A CN
Stgö 2 CH. 3/4/5 fre 9/11, 8–10 M:A HF
3 Fö 5 CH. 5/6 mån 12/11, 13–15 MH:A CN
Fö 6 CH. 6 tis 13/11, 8–10 M:A CN
Stgö 3 CH. 5 fre 15/11, 8–10 M:A HF
4 Fö 7 CH. 7 mån 19/11, 13–15 MH:A CN
Stgö 4 CH. 6/7 tis 20/11, 8–10 M:A HF
Fö 8 CH. 7/8 tor 22/11, 8–10 M:A CN
Fö 9 CH. 8/9 fre 23/11, 8–10 M:A CN
5 Fö 10 CH. 9 mån 26/11, 13–15 MH:A CN
Stgö 5 CH. 8 tor 29/11, 8–10 M:A HF
Fö 11 CH. 9 tor 29/11, 8–10 M:A CN
Stgö 6 CH. 8/9 fre 30/11, 8–10 M:A HF
6 Fö 12 Ch. 17 mån 3/12, 13–15 MH:A CN
Stgö 7 CH. 9/Ch. 17 tis 4/12, 8–10 M:A HF
Fö 13 Teorifrågor tor 6/12, 8–10 M:A CN
Stgö 8 Ch. 17 fre 7/12, 8–10 M:A HF
7 Prov 2 Teori tis 11/12, 8:30–10:00 Sparta:A–D CN
Stgö 9 Tentatal tor 13/12, 8–10 M:A CN/HF
Stgö 10 Reserv fre 14/12, 8–10 M:A HF
8 Tentamen Problemlösning ons 19/12, 14–19 Vic:1A–D CN
CH. = Kap. i Young, Munson, Okiishi & Huebsch
Räknestugor: Se kursens hemsida alt. LTH:s schemagenerator (TimeEdit)!
Laboration: Lablokal: Fys:H210B
Lv. Datum Tid Labgrupper
1 tis 30/10 13–17 M2.03-04
ons 31/10 15–19 M2.01-02
tor 1/11 15–19 MD2.01-02
2 mån 5/11 15–19 M2.13-14
tis 6/11 13–17 M2.11-12
ons 7/11 8–12 M2.15-16
ons 7/11 15–19 M2.05-06
tor 8/11 15–19 M2.07-08
3 tis 13/11 15–19 M2.09-10
ons 14/11 8–12 M2.17-18
4 ons 21/11 8–12 M2.19-20
ons 21/11 15–19 MD2.03-04
Studiebesök: Studiebesök vid Öresundsverketi Malmö genomförs under Lv. 2 och 3. Anmälningslistorsättsuppifoajén,norradelen.Inklusivebusstransport(t.o.r.LTH,M-huset—Flintrännegatan
19, Malmö) tar studiebesöket ca. 2,5 timmar.
6

DETALJPLAN PROBLEMLÖSNING
Svarslistor samt översättningslistor mellan upplagor finns på kursens hemsida!
• Hösttermin, läsperiod 1 - HT1
Aktivitet Lv. Datum Uppgifter
Stgö 1 2 11/9 3-23, 3-130, 3-77
Stgö 2 3 18/9 4-22, 4-35, 4-132
Stgö 3 3 20/9 (MD), 21/9 (M) 5-33, 5-48, 5-81, 5-115
Stgö 4 4 25/9 6-55, 6-132, 7-84, 7-125
Stgö 5 5 2/10 7-155, 8-79, 8-114
Stgö 6 6 9/10 9-50, 9-82, 10-19
Stgö 7 7 16/10 8-124, 8-125, tidigare duggaproblem
Stgö 8 7 19/10 10-77, 11-16, 13-64
Lv. Rekommenderade uppgifter (hemstudier, räknestugor)
1 2-27, 2-43, 2-120, 2-123, 3-134
2 3-26, 3-54, 3-70, 3-91, 3-116, 3-117
3 4-6, 4-29, 4-40, 4-72, 4-137, 5-28, 5-46
4 5-63, 5-72, 6-54, 6-78, 6-93, 6-102, 6-130
5 7-65, 7-77, 7-121, 7-135, 7-150, 7-192, 8-38
6 8-55, 8-82, 8-98, 9-149, 9-71, 9-89
7 10-17, 10-20, 11-13, 11-30, 13-32
Obligatoriska hemuppgifter (deadline för bonus inom parentes)
4-122 & 5-124 (26/9), 6-134 & 7-153 (4/10), 8-61 (10/10), 9-55 ∗ (2/11).
OBS! 9-55: ideal gas med varierande c p och c v
• Hösttermin, läsperiod 2 - HT2
Aktivitet Lv. Datum Uppgifter
Stgö 1 1 2/11 14-80, 14-128, 1.46, 2.33, 3.60
Stgö 2 2 9/11 3.77, 4.19, 5.24, 5.27
Stgö 3 3 15/11 5.36, 5.93, 5.95
Stgö 4 4 20/11 6.73, 7.10, 7.45
Stgö 5 5 29/11 8.29, 8.44, 8.75
Stgö 6 5 30/11 8.76, 8.83, 8.98, 9.1
Stgö 7 6 4/12 9.33, 9.42, 9.65, 17-120
Stgö 8 6 7/12 17-122, Tentatal–Ch. 17
Stgö 9 7 13/12 Tentatal
Lv. Rekommenderade uppgifter (hemstudier, räknestugor)
1 13-55, 14-37, 14-74, 14-81, 1.43, 1.49
2 2.30, 3.24, 3.37, 3.45, 3.78, 5.25, 5.26
3 5.35, 5.39, 5.69, 5.82, 6.81
4 7.28, 7.40, 7.57, 8.15, 8.65
5 8.69, 8.70, 8.94, 9.31, 9.44, 9.69
6 9.70, 17-42, 17-54, 17-55, 17-112
7 tentatal
Obligatoriska hemuppgifter (deadline för bonus inom parentes)
14-135 & 5.47 (22/11), 6.77 & 7.27 (29/11), 8.62 (6/12).
21 augusti 2012, C. Norberg
7