338-0521/04 – 3D proudění (3Dpro)
Garantující katedra | Katedra hydromechaniky a hydraulických zařízení | Kredity | 4 |
Garant předmětu | doc. Ing. Marian Bojko, Ph.D. | Garant verze předmětu | doc. Ing. Marian Bojko, Ph.D. |
Úroveň studia | pregraduální nebo graduální | Povinnost | povinně volitelný |
Ročník | 2 | Semestr | zimní |
| | Jazyk výuky | čeština |
Rok zavedení | 2016/2017 | Rok zrušení | 2020/2021 |
Určeno pro fakulty | FS, USP | Určeno pro typy studia | navazující magisterské |
Cíle předmětu vyjádřené dosaženými dovednostmi a kompetencemi
V předmětu se studenti a posluchači seznámí s fyzikálním významem turbulence při proudění skutečných tekutin v obecné trojrozměrné geometrii. Dále se podrobně seznámí s tvorbou výpočetní geometrie v programech DesignModeler a SpaceClaim a s tvorbou výpočetní sítě v programu ANSYS Meshing v prostředí software ANSYS. Dále získají znalosti a dovednosti při návrhu a definování numerických simulací pro řešení úloh proudění příměsí včetně chemických reakcí s přestupem tepla a radiací, vícefázového proudění a časově závislých úloh. Dále se setkají s problematikou obtékání těles, prouděním pevných částic ve formě diskrétní fáze.
Vyučovací metody
Přednášky
Cvičení (v učebně)
Anotace
Předmět se zabývá fyzikálním významem turbulence a matematickými modely turbulentního proudění v obecné trojrozměrné geometrii. Definovaný matematický model je aplikován na prostorové geometrie vytvořené v programech DesignModeler a SpaceClaim. Následně je generována výpočetní síť v programu ANSYS Meshing. Matematický model je doplněn o okrajové a počáteční podmínky. Teorie je aplikována na příklady proudění plynné směsi včetně uvažování zdroje tepla, případně chemické reakce s přestupem tepla a radiaci. Dále budou realizované numerické výpočty vícefázového proudění a obtékání těles pro stacionární a nestacionární úlohy. A také úlohy proudění pevných částic ve formě diskrétní fáze apod. Pro řešení je aplikován softwarový produkt Ansys Fluent, který využívá metodu konečných objemů.
Povinná literatura:
Doporučená literatura:
Forma způsobu ověření studijních výsledků a další požadavky na studenta
E-learning
Další požadavky na studenta
DOPORUČENÍ STUDENTŮM :
Zopakovat si potřebné poznatky z matematiky, dynamiky, mechaniky tekutin, výpočetní techniky.
Datum, hodina, místo konání ústní zkoušky je třeba dohodnout se zkoušejícím. Podmínkou pro zápis ke zkoušce je získání zápočtu ze cvičení.
K zápočtu je nutné odevzdat seminární práci, která bude obsahovat:
• v Power-pointu zpracované zadání, schéma řešené oblasti, fyzikální popis úlohy, popis vytvoření sítě, okrajové podmínky, vložené grafy reziduálů, vyhodnocení proudové funkce, vektorů rychlosti, izoploch statického tlaku a dalších řešených veličin podle zadání, výtisk černobíle resp. barevně
• na CD odevzdat PPT soubor o seminární práci s CASE souborem s názvem charakterizujícím úlohu a DAT soubor
• maximální počet bodů k zápočtu je 35, minimální počet bodů je 25
Zkouška je ústní a skládá se ze zodpovězení 2 otázek. Za první otázku lze získat maximálně 35 bodů a za druhou otázku 30 bodů..
HODNOCENÍ : získané body známka
86 - 100 výborně
66 - 85 velmi dobře
51 - 65 dobře
0 - 50 nevyhověl
OTÁZKY
1. Definování fyzikálního problému řešeného v seminární práci, zdůvodnění použitého matematického modelu, definování okrajových podmínek, diskuze o výsledcích řešení.
2. Metodika tvorby geometrie (DesignModeler) a sítě v ANSYS Meshingu, kontrola kvality sítě, možnosti importu geometrie z jiných CAD programů.
3. Numerické řešení diferenciální rovnice 1.řádu, integrální metoda, metoda konečných objemů, význam, metoda konečných prvků, spektrální metoda, konvergence (reziduály, uderrelax).
4. Matematický model turbulence pro stlačitelné proudění, N-S rovnice, rovnice kontinuity, Reynoldsova rovnice, časové středování.
5. Turbulentní modely ve Fluentu, k-eps model, RNG model, RSM model, Spalart-Almaras model, k- model, Metoda LES.
6. Boussinesqova hypotéza, dvourovnicový model turbulence k-eps, adaptace sítě ve Fluentu 14, parametry adaptace.
7. Integrace metodou konečných objemů pro jednorozměrnou rovnici kontinuity a pohybovou rovnici, stěnové funkce, parametry pro správné použití stěnových funkcí, vliv drsnosti na stěnové funkce.
8. Okrajové podmínky, podmínky vstupu a výstupu, podmínky symetrie, periodické podmínky, podmínky na stěně, přestup tepla stěnou, definování nekonstantních okrajových podmínek, rozdíly v definici okrajových podmínek pro stlačitelné a nestlačitelné proudění.
9. Fyzikální vlastnosti příměsí a směsi pro stlačitelné a nestlačitelné proudění.
10. Transportní rovnice pro hmotnostní zlomky, difúzní tok, zdrojový člen chemických reakcí, modely řešení chemických reakcí, entalpie, entropie.
11. Časově závislá úloha, proudění hmotných částic, interakce mezi spojitou a diskrétní fázi.
12. Vícefázové matematické modely proudění (VOF, Mixture, Rulet), kavitace, proudění s volnou hladinou.
Prerekvizity
Předmět nemá žádné prerekvizity.
Korekvizity
Předmět nemá žádné korekvizity.
Osnova předmětu
Týden: P - přednáška, C - cvičení
1. P.: Programové prostředí software DesignModeler. Vytváření 2D a 3D geometrie (formáty importovaných souborů).
C.: Vyhledáváni informací o CFD na internetovských adresách (www.ansys.com, http://www.ansys.com/Products/Simulation+Technology/Fluid+Dynamics). Prezentace výsledků CFD analýzy problematiky spalování paliv na základě prezentovaných prací publikovaných na internetu. Základní nabídky a roletové menu programu DesignModeler.
2. P.: Představení programu na tvorbu výpočetní sítě (ANSYS Meshing), metody síťování, 2D a 3D elementy. Kritéria hodnocení kvality výpočetní sítě, typy mezních vrstev, adaptace sítě.
C.: Tvorba prostorové geometrie, import různých formátu (*.igs, *.stp) do prostředí programu DesignModeler, úprava geometrie. Tvorba 2D a 3D geometrie v programu DesignModeler (import a export do jiných software), úprava a editace geometrie.
3. P.: Numerické řešení diferenciální rovnice 1.řádu, integrální metoda, metoda konečných objemů, simple a simplec metody, interpolační schéma, konvergence (reziduály, uderrelax).
C.: Aplikace různých prvků na 3D geometrii, vyhodnocení kvality výpočetní sítě, počtu elementů, vytvoření různých typů mezních vrstev, export výpočetní sítě do prostředí programu ANSYS Fluent14. Vyhodnocení kvality sítě v programu ANSYS Meshing.
4. P.: Fyzikální vlastnosti, základní pojmy definice přenosu, přenos hmoty (Fickův zákon), přenos tepla kondukcí (Fourierův zákon), přenos hmoty a hybnosti (proudění), přenos tepla konvekcí a kondukcí.
C.: Roletové menu programu ANSYS Fluent14, charakteristika základní filozofie numerické simulace (definování matematického modelu, okrajových podmínek, fyzikálních vlastností médii, inicializace, řešení a vyhodnocení).
5. P.: Okrajové podmínky ve Fluentu, změna typu okrajových podmínek, zadávání profilů pro okrajové podmínky, metody výpočtu. Typy okrajových podmínek pro stlačitelné a nestlačitelné proudění. Laminární model proudění.
C.: Definice fyzikálních vlastnosti plynné příměsi (konstantní, funkční závislosti na teplotě, kinetická teorie plynu) a směsi, charakteristika pojmů: koncentrace, hmotnostní zlomek, objemový zlomek,…
6. P.: Turbulence, stlačitelné proudění, N-S rovnice, rovnice kontinuity, Reynoldsova rovnice a pravidla, časové středování, , Boussinesqova hypotéza, dvourovnicový model turbulence (k-eps , RNG, RSM ,k-, Spalart-Almaras).
C.: Příklad na Fickův zákon binární difuze (molekulový přenos hmoty) v oblasti nekonečně rozměrné desky o dané tloušťce, definování modelu, okrajových podmínek, numerická simulace a interpretace výsledků.
7. P.: Rovnice energie pro nestlačitelné a stlačitelné proudění, přestup tepla stěnou (tenká stěna), přestup tepla stěnou skutečné tloušťky (SOLID), typy okrajových podmínek pro stěny, modelování v blízkosti stěny, stěnové funkce.
C.: Příklad: testování různých typů okrajových podmínek s hlediska řešení přestupu tepla v tyči o různém materiálu.
8. P.: Okrajové podmínky symetrie a periodické, fyzikální vlastnosti tekutin závislé na teplotě, definice v programu Fluent.
C.: Laminární proudění vzduchu v osově symetrické 2D geometrii (trubka). Testování různých modelů turbulence a stěnových funkcí při výpočtu v osově symetrické oblasti (2D), adaptace sítě, vyhodnocení v programu ANSYS Fluent a EXCEL.
9. P.: Transportní rovnice pro hmotnostní zlomky, definice difúzního toku a zdrojového členu vlivem chemické reakce, definice směsi a výpočet fyzikálních vlastností směsi.
C.: Příklad na přestup tepla při laminárním proudění tekutiny v plynovém hořáku. Testování vlivu typu okrajové podmínky stěny hořáku, změna tepelných okrajových podmínek pro stěny, vyhodnocení a porovnání.
10. P.: Proudění plynů s chemickou reakcí a přestupem tepla a radiací, rovnice energie, modely spalování plynných fázi, definování kinetiky procesu spalování pomocí Arheniovy rovnice (pre-exponenciální faktor, aktivační energie).
C.: Aplikace výpočtu proudění směsi plynů (metan, vzduch,…) v trojrozměrné geometrii (trubka, pohárkový hořák), definice složení směsi a hmotnostních zlomků na vstupní a výstupní okrajové podmínce, vyhodnocení v programu Fluent.
11. P.: Proudění s pevnými částicemi a kapkami, trajektorie, definice diskrétní fáze, interakce se spojitou fázi, změna skupenství, matematické modelování problematiky spalování pevných částic (např. práškové uhlí).
C.: Spalování metanu se vzduchem v laminárním režimu proudění v aplikaci na pohárkový hořák (spalování metanu se vzduchem – jednorovnicový, dvourovnicový model). CFD analýzy spalování kusového dřeva v krbových kamnech - prezentace postupu definování problematiky a vyhodnocení výsledků numerické simulace. Zadání individuální semestrální práce.
12. P.: Vícefázové proudění, charakteristika matematických modelů VOF, Mixture, Euler, definování jednotlivých fází, definice kavitace pomocí vícefázového matematického modelu, fyzikální vlastností fází.
C.: Tvorba výpočetní sítě semestrálního projektu, nastavení matematického modelu, numerická simulace. Aplikace proudění pevných částic v trojrozměrné oblasti, vliv gravitačního zrychlení, různé granulometrie, množství diskrétní fáze Prezentace výsledků řešení problematiky požáru uvnitř domku (definování zdrojových členu).
13. P.: Matematické přístupy spalování pevných paliv, problematika definování matematického modelu spalování kusového dřeva v krbových kamnech, matematické modelování nízkoteplotní oxidace uhlí.
C.: Pokračování v práci na individuální semestrální práci. Řešení problematiky spalování práškového uhlí v pádové trubce, vyhodnocení matematických přístupů a porovnání výsledků s experimentem.
14. P.: Prezentace semestrálních prací v Power-pointu
C.: Prezentace semestrálních prací, definování problému, metody výpočtu, prezentace výsledků zpracování semestrální práce do prezentace v Power-pointu, animace. Řešení problematiky nízkoteplotní oxidace uhlí v aplikaci a skládku uhlí ve volném terénu - vliv okrajových podmínek na průběh nízkoteplotní oxidace.
Podmínky absolvování předmětu
Výskyt ve studijních plánech
Výskyt ve speciálních blocích
Hodnocení Výuky
Předmět neobsahuje žádné hodnocení.