619-0804/01 – Modelování procesů (MP)
| Garantující katedra | Katedra fyzikální chemie a teorie technologických procesů | Kredity | 5 |
| Garant předmětu | prof. Ing. Jana Dobrovská, CSc. | Garant verze předmětu | prof. Ing. Jana Dobrovská, CSc. |
| Úroveň studia | pregraduální nebo graduální | Povinnost | povinný |
| Ročník | 1 | Semestr | letní |
| | Jazyk výuky | čeština |
| Rok zavedení | 2005/2006 | Rok zrušení | 2014/2015 |
| Určeno pro fakulty | FMT | Určeno pro typy studia | navazující magisterské |
Cíle předmětu vyjádřené dosaženými dovednostmi a kompetencemi
- charakterizovat základní teoretické a praktické zákonitostí modelování procesů
- definovat a klasifikovat matematické, statistické a analytické modely
- charakterizovat princip fyzikálního a numerického modelování
- popsat a analyzovat modely chemických reaktorů – ideální a reálné reaktory,
reaktory s pístovým tokem, reaktory promíchávané
- aplikovat získané teoretické poznatky v oblasti procesního inženýrství
Vyučovací metody
Přednášky
Cvičení (v učebně)
Ostatní aktivity
Anotace
Předmět je zaměřen na pochopení základních teoretických a praktických
zákonitostí modelování procesů a to jak v oblasti numerického modelování, tak i
v oblasti fyzikálního modelování s konkrétními aplikacemi směřovanými do
oblasti procesního inženýrství.
Povinná literatura:
[1] Michalek, K.: Využití fyzikálního a numerického modelování pro optimalizaci
metalurgických procesů. VŠB-TU Ostrava, 2001, 125 s.
[2] Kuneš, J. – Vavroch, O. – Franta, V. : Základy modelování. SNTL Praha,
1989, 263 s.
[3] Rédr, M. - Příhoda, M.: Základy tepelné techniky. Praha, SNTL, 1991, 677 s.
[4] Beňa, J. – Kossaczký, E.: Základy teorie modelovania. Veda, Bratislava, 1981.
[5] Hanousek, J. – Charamza, P.: Moderní metody zpracování dat. Educa´99, 1992.
[6] Lipson Ch. – Narenda, J. S.: Statistical Design and Analysis of Engineering
Experiments. McGraw-Hill, Inc., 1973.
[7] Chmúrny, D. a kol.: Modelovanie a riadenie chemicko-technologických
procesov a systémov. Alfa, Bratislava, 1985.
[8] Erfurth, H. – Just, G.: Modelování a optimalizace chemických procesů. SNTL,
Praha 1979.
[9] Kubíček, M.: Numerické algoritmy řešení chemickoinženýrských úloh. SNTL,
Praha 1983.
[10] Dobrovská, J.: Modelování procesů (matematické modelování. Teoretický základ pro 3.ročník
magisterského studijního programu Procesní inženýrství. Leden 2004
[11] Kozubková, M.: Modelování proudění - Fluent I., VŠB-TU Ostrava, 2008.
(http://www.338.vsb.cz/PDF/Kozubkova-Fluent.pdf)
[12] Drábková, S., Kozubková, M.: Cvičení z mechaniky tekutin, VŠB-TU Ostrava, 2002.
(http://www.338.vsb.cz/PDF/HydroPriklad.pdf)
[13] Bojko, M.: Návody do cvičení „Modelování proudění“ – Fluent, VŠB-TU Ostrava, 2008.
(http://www.338.vsb.cz/PDF/Bojko-Fluent.pdf)
Doporučená literatura:
[1] Uživatelské příručky MS Word, MS Excel
[2] časopisy: Ironmaking & Steelmaking, Steel Research International, Hutnické listy
[3] Články v odborném tisku, příspěvky na konferencích, výzkumné zprávy, závěrečné práce.
[4] Mazumdar, D., Evans, J., W.: Modeling of Steelmaking Processes. CRC Press, 1 edition, 2009. 493
pages. ISBN-13: 978-1420062434
[5] Ghosh, A., Chatterjee, A.: Ironmaking and Steelmaking. Prentice-Hall of India Pvt.Ltd, 2008. 472
pages. ISBN-13 978-8120332898
[6] Lee, H.-H.: Finite Element Simulations with ANSYS Workbench 13. SDC Publications, Pap/DVD
editions, 2011. 608 pages. ISBN-13: 978-1585036530
Forma způsobu ověření studijních výsledků a další požadavky na studenta
Podmínky pro udělení zápočtu:
- 100 % účast na cvičení – 4 body
- 93 % účast na cvičení (1 omluvená neúčast) – 2 body
- účast na cvičení menší než 79% ( 4 neúčasti a více)) poskytuje možnost
neudělení zápočtu
- zpracování, odevzdání a obhájení 3 teoretických programů zadaných
vedoucím cvičení – hodnocení (12 + 12+ 12) = max.36 bodů
Bodové hodnocení zápočtu:
- zápočet min. bodů 20
- zápočet max. bodů 40
V celkovém zisku bodového ohodnocení zápočtu musí být obsaženo nenulové hodnocení všech 3 teoretických programů, tzn. student musí odevzdat všechny teoretické programy.
Bodové hodnocení zkoušky: zkouška kombinovaná
- praktická část zkoušky - max. 30 bodů
- ústní část zkoušky - max. 30 bodů
Zkouška se skládá z praktické části, což představuje vyřešení daného úkolu aplikací PC, a teoretické (ústní) části.
V celkovém zisku bodového ohodnocení zkoušky musí být obsaženo jak nenulové hodnocení praktické části zkoušky, tak nenulové hodnocení vlastní ústní zkoušky, tzn. student musí absolvovat obě části zkoušky.
Bodové hodnocení předmětu se získá součtem bodů za cvičení a za absolvování zkoušky. Výsledná klasifikace je dána podmínkami ve Studijním a zkušebním řádu VŠB TUO.
E-learning
V současnosti jsou k dispozici studijní opory z části zajišťované katedrou metalurgie a slévárenství v českém jazyce: http://www.fmmi.vsb.cz/cs/okruhy/studium-a-vyuka/podklady-ke-studiu
Další požadavky na studenta
......................
Prerekvizity
Předmět nemá žádné prerekvizity.
Korekvizity
Předmět nemá žádné korekvizity.
Osnova předmětu
1. Základní pojmy: systém a jeho vlastnosti, struktura a cílové chování; zařízení, procesy, operace,
fyzikální, resp. chemické děje. Úvod do matematického modelování: model, modelování, matematické
modelování.
2. Klasifikace matematických modelů, modely deterministické a stochastické, modely empirické
(statistické) a modely odvozené na základě přírodních zákonitostí (analytické). Metodika získávání
matematických modelů. Matematická struktura rovnic v matematických modelech.
3. Modely statistické. Regresní výpočty – vyhodnocování experimentálních dat. Základní pojmy: metoda
nejmenších čtverců, standardní chyba odhadu, koeficient determinace, standardní chyby koeficientů,
ANOVA, t-test. Modely lineární a nelineární regrese. Vícenásobná regrese.
4. Modely analytické. Fenomenologický přístup k matematickému modelování procesů – modely
založené na teorii přenosových jevů.
5. Aplikace matematického modelování: matematické modelování kinetiky následných chemických
reakcí – teoretický základ.
6. Aplikace matematického modelování: modelování difúzních dějů v krystalizujících materiálech
(kovových slitinách) – teoretický základ.
7. Teoretické základy matematického modelování přenosových jevů v tekutině. Proudění skutečných
kapalin. Laminární a turbulentní proudění. Navier-Stokesovy rovnice a rovnice kontinuity. Matematické
modely turbulence. Výpočetní síť. Diskretizační techniky.
8. Programové systémy CFD. Postup numerické simulace v CFD programu ANSYS FLUENT.
Preprocessing - tvorba geometrie a generace výpočetní sítě, definice fyzikálního modelu, volba modelu
turbulence, zadání operačních podmínek, stanovení materiálových vlastností a okrajových podmínek.
Processing – Solving: vlastní provedení výpočtu (stacionární, nestacionární), konvergence řešení.
Postprocessing – vyhodnocení výsledků. Příklady použití CFD programů v praxi.
9. Podstata a základní princip fyzikálního modelování. Příklady využití fyzikálního modelování. Podobnost
dvou systémů. Geometrická, kinematická a dynamická podobnost. Základní typy sil v dynamicky
podobných systémech. Tepelná podobnost. Bezrozměrové parametry. Kriteria podobnosti. Simplexní
kriteria, komplexní kriteria, parametrická kriteria. Základní vlastnosti kriterií podobnosti.
10. Úplná fyzikální rovnice, základní rovnice, kriteriální rovnice. Stanovení kriterií podobnosti pomocí
rozměrové analýzy. Buckinghamův teorém. Příklady použití rozměrové analýzy.
11. Stanovení bezrozměrových parametrů metodou podobnostní transformace základních rovnic.
Indikátory podobnosti. Podobnostní transformace diferenciální rovnice toku skutečné viskózní
kapaliny. Porovnání obou metod stanovení kriterií podobnosti. Přibližné fyzikální modelování.
Automodelnost – úplná a částečná. Fyzikální význam některých kritérií podobnosti.
12. Základy teorie chemických reaktorů. Ideální průtokové reaktory – reaktor s pístovým tokem, reaktor s
dokonalým promícháváním. Retenční čas. Průběh C a F křivek pro ideální reaktory a reálné reaktory.
Modely pro reálné (neideální) podmínky toku – disperzní model a kombinovaný model, charakteristické
objemy reaktoru.
13. Metody stanovení retenčních časů – vodivostní metoda, metoda s měřením pH kapaliny, teplotní
metoda, radionuklidová metoda. Vizualizace proudění v reaktorech – metoda obarvené kapaliny,
metoda vláken, metoda vznášejících se reflexních částic, odbarvovací nebo zbarvovací metoda.
VÝPOČTOVÁ CVIČENÍ:
1. Použití prostředí MS Excel pro vědecké a inženýrské aplikace – přesnost výpočtů, ovládání Excelu:
sešit, list, buňka, relativní, absolutní a smíšené odkazy, operátory, vestavěné funkce, doplňkové funkce
a nástroje, výpočet funkcí jedné proměnné.
2. Inženýrské tabulky – výpočet funkcí dvou proměnných, grafy funkcí jedné a dvou proměnných.
3. Databáze, tvorba databází v prostředí MS Excel.
4. Regresní výpočty, modely lineární regrese, vícenásobná lineární regrese.
5. Regresní výpočty, modely nelineární regrese.
6. Matematické modelování kinetiky následných chemických reakcí.
7. Úvod pro práci s CFD programem FLUENT. Zadání praktických úloh k procvičení řešení proudění v
jednoduchém průtokovém systému pomocí numerického modelování v daném programu. Základy
tvorby geometrie, generace výpočetní sítě a specifikace vstupu, výstupu a stěn modelované oblasti.
Export do CFD programu FLUENT.
8. Příprava vstupních hodnot pro řešení proudění v prostředí CFD programu FLUENT a definice
výpočtového modelu – stanovení laminárního či turbulentního proudění v průtokových systémech na
základě zadání, specifikace fyzikálních vlastností proudícího média, specifikace okrajových a
operačních podmínek. Vlastní provedení výpočtu.
9. Konvergence a ukončení výpočtu, hodnocení grafických výsledků – způsoby vizualizace výpočtové
oblasti a sítě, tvorba vektorů a profilů proudových, teplotních, rychlostních či koncentračních polí.
Ukázka datových výsledků a způsob jejich importu do prostředí MS Excel.
10. Metoda řešení soustavy lineárních rovnic pomocí maticové metody - možnosti řešení v prostředí MS
Excel.
11. Použití metody regresní a korelační analýzy při vyhodnocování výsledků modelových experimentů.
Využití programu Statgraphics.
12. Výpočet charakteristických objemů reaktorů z naměřené RTD křivky. Numerický převod C křivky na F
křivku.
13. Výpočet průběhu vzájemného směšování dvou různých tekutin v podmínkách reaktoru – analytické
stanovení F-křivky.
14. Vyrovnávací cvičení, zápočet.
Podmínky absolvování předmětu
Výskyt ve studijních plánech
Výskyt ve speciálních blocích
Hodnocení Výuky
Předmět neobsahuje žádné hodnocení.