338-0521/05 – 3D proudění (3Dpro)

Garantující katedraKatedra hydromechaniky a hydraulických zařízeníKredity4
Garant předmětudoc. Ing. Marian Bojko, Ph.D.Garant verze předmětudoc. Ing. Marian Bojko, Ph.D.
Úroveň studiapregraduální nebo graduálníPovinnostpovinně volitelný
Ročník2Semestrzimní
Jazyk výukyangličtina
Rok zavedení2016/2017Rok zrušení
Určeno pro fakultyFS, USPUrčeno pro typy studianavazující magisterské
Výuku zajišťuje
Os. čís.JménoCvičícíPřednášející
BOJ01 doc. Ing. Marian Bojko, Ph.D.
KOZ30 prof. RNDr. Milada Kozubková, CSc.
Rozsah výuky pro formy studia
Forma studiaZp.zak.Rozsah
prezenční Zápočet a zkouška 1+3
kombinovaná Zápočet a zkouška 4+6

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:

KOZUBKOVÁ, M., BOJKO, M., BLEJCHAŘ, T. Modelování přenosu tepla, hmoty a hybnosti. Ostrava: VŠB-TU, 2019, 224 s. Dostupnost < http://www.338.vsb.cz/studium/skripta/>. BOJKO, M. 3D proudění – ANSYS FLUENT učební text. Ostrava: VŠB-TU Ostrava, 2012. 314 s. ISBN 978-80-248-2607-3. Dostupnost < http://www.338.vsb.cz/studium/skripta/>. KOZUBKOVÁ, M., BOJKO, M., KRUTIL, J., BLEJCHAŘ, T. Modelování spalování paliv – učební text. Ostrava. VŠB-TU Ostrava, 2013, 288 s. ISBN 978-80-248-3144-2. BOJKO, M. Návody do cvičení „Modelování proudění“ – Fluent. Ostrava. VŠB-TU Ostrava, 2008, 141 s. ISBN 978-80-248-1909-9. Dostupnost < http://www.338.vsb.cz/studium/skripta/>.

Doporučená literatura:

BOJKO, M. Návody do cvičení „Modelování proudění“ – FLUENT. Ostrava: VŠB-TU Ostrava, 2008. 144 s. ISBN 978-80-248-1909-9. BLEJCHAŘ, T. Turbulence Modelování proudění – CFX. Ostrava: VŠB-TU Ostrava, 2012. 263 s. ISBN 978-80-248-2606-6. INCROPERA, F., P. ET AL. Fundamentals of heat and mass transfer. 6th ed.. Hoboken : Wiley, c2007 – xxv. 997 s. ISBN 0-471-45728-0. ANSYS Fluent Tutorial Guide (Release 18.2). 2017.

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

Prezenční forma (platnost od: 2016/2017 zimní semestr)
Název úlohyTyp úlohyMax. počet bodů
(akt. za podúlohy)
Min. počet bodů
Zápočet a zkouška Zápočet a zkouška 100 (100) 51
        Zápočet Zápočet 35  25
        Zkouška Zkouška 65  20
Rozsah povinné účasti:

Zobrazit historii

Výskyt ve studijních plánech

Akademický rokProgramObor/spec.Spec.ZaměřeníFormaJazyk výuky Konz. stř.RočníkZLTyp povinnosti
2018/2019 (N2658) Výpočetní vědy (2612T078) Výpočetní vědy P angličtina Ostrava 2 povinně volitelný stu. plán
2017/2018 (N2658) Výpočetní vědy (2612T078) Výpočetní vědy P angličtina Ostrava 2 povinně volitelný stu. plán
2016/2017 (N2658) Výpočetní vědy (2612T078) Výpočetní vědy P angličtina Ostrava 2 povinně volitelný stu. plán

Výskyt ve speciálních blocích

Název blokuAkademický rokForma studiaJazyk výuky RočníkZLTyp blokuVlastník bloku
ECTS - MechEng - Master Studies 2020/2021 prezenční angličtina povinně volitelný 301 - Studijní oddělení a International Office stu. blok
ECTS - MechEng - Master Studies 2019/2020 prezenční angličtina povinně volitelný 301 - Studijní oddělení a International Office stu. blok
ECTS - MechEng - Master Studies 2018/2019 prezenční angličtina povinně volitelný 301 - Studijní oddělení a International Office stu. blok
ECTS - MechEng - Master Studies 2017/2018 prezenční angličtina povinně volitelný 301 - Studijní oddělení a International Office stu. blok
ECTS - MechEng - Master Studies 2016/2017 prezenční angličtina povinně volitelný 301 - Studijní oddělení a International Office stu. blok