Detail předmětu

Výpočtové modelování proudění

FSI-MVP-AAk. rok: 2022/2023

Výpočetní mechanika tekutin (Computational Fluid Dynamics, CFD) je jedním ze tří pilířů moderní mechaniky tekutin ( teoretická mechanika tekutin, experimentální mechanika tekutin, výpočetní mechanika tekutin). Rozšiřování CFD programů do praxe vyžaduje seznámení s principy a metodami numerického řešení proudění tekutin. Jejich znalost je nezbytná pro správné posuzování výsledků výpočetních simulací a kvalifikované využití CFD softwaru nejen při návrhu tekutinových strojů, prvků a soustav, ale všude kde se vyskytuje proudění kapalin nebo plynů.

Jazyk výuky

angličtina

Počet kreditů

6

Garant předmětu

doc. Ing. Pavel Rudolf, Ph.D.

Zajišťuje ústav

Energetický ústav (EÚ)

Výsledky učení předmětu

Student se seznámí s principy numerického řešení rovnic proudění tekutin (především metodou konečných objemů), teorií a modelováním turbulentního proudění a využitím optimalizačních metod v návrhu tekutinových strojů a prvků, získá znalost práce v prostředí konkrétního CFD programu (ANSYS Fluent).

Prerekvizity

Znalost základních rovnic proudění tekutin, základy práce s PC.

Plánované vzdělávací činnosti a výukové metody

Předmět je vyučován formou přednášek, které mají charakter výkladu základních principů a teorie dané disciplíny.

Cvičení je zaměřeno na praktické zvládnutí látky probrané na přednáškách. Cvičení jsou založena na projektové výuce. V průběhu semestru je zadáno 4-5 individuálních i týmových projektů. Dva z projektů vychází ze zadání od průmyslových partnerů. Kromě teoretických a praktických dovedností práce s CFD získají studenti i základy týmové inženýrské práce (plánování, komunikace a sdílení, vedení).

Způsob a kritéria hodnocení

Ověření znalostí dle osnovy (písemná + ústní) část, hodnocení projektů zpracovávaných v průběhu semestru. Celkové hodnocení dle bodové stupnice ECTS.

Všechny zprávy a výstupy jsou zpracovávány v anglickém jazyce.

Učební cíle

Seznámení s principy výpočetní mechaniky tekutin, získání základních teoretických znalostí a  dovedností pro práci s CFD softwarem. Základy týmové projektové práce v oblasti výpočtového modelování.

Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění a formy nahrazování zameškané výuky

Prezence evidována, případná (limitovaná) absence se řeší individuálně. 4 - 5 individuálních i skupinových projektů.

Základní literatura

Fletcher, C.A.J.: Computational Techniques fo Fluid Dynamics. Springer-Verlag. 1997
Fletcher, R.: Practical Methods of Optimization. John Wiley & Sons. 2nd edition. 2000
Versteeg, H., Malalasekera, W.: An Introduction to Computational Fluid Dynamics : The Finite Volume Method Approach. Prentice Hall. 1996
Wendt, J.F.: Computational Fluid Dynamics. Springer-Verlag Telos. 1996
Wilcox, D.C.: Turbulence Modeling for CFD. DCW Industries Ltd. 1992

Doporučená literatura

Kozubková, M., Drábková, S., Šťáva, P.: Matematické modely stlačitelného a nestlačitelného proudění - Metoda konečných objemů. Skripta VŠB-TU Ostrava. 1999.
Tesař, V.: Mezní vrstvy a turbulence. Skripta ČVUT. Ediční středisko ČVUT. 1991.

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program N-ENG-A magisterský navazující 1 ročník, letní semestr, povinně volitelný
  • Program N-ENG-Z magisterský navazující 1 ročník, letní semestr, volitelný

  • Program CŽV celoživotní vzdělávání v akr. stud. programu

    obor CZV , 1 ročník, letní semestr, povinně volitelný

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

39 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

doc. Ing. Pavel Rudolf, Ph.D.

Osnova

1. Úloha výpočetního modelování (CFD) v návrhu tekutinových strojů, výhody a omezení použití výpočetního modelování. Motivační ukázky aplikací CFD.
2. Základní diferenciální rovnice mechaniky tekutin, matematická klasifikace těchto rovnic, nutnost numerického řešení.
3. Přístupy k diskretizaci parciálních diferenciálních rovnic (konečné diference, prvky, objemy). Metoda konečných objemů.
4. Aplikace metody konečných objemů na 1D a 2D úlohu difúze. Řešení soustav rovnic. Konvergence.
5. Nestacionární úloha. Explicitní, implicitní schéma.
6. Konvektivně - difúzní úloha, algoritmus SIMPLE.
7. Proudění v rotujícím souřadnicovém systému (multiple reference frame, mixing plane, sliding mesh), vícefázové proudění ; základní principy.
8. Turbulence, možnosti výpočetního řešení turbulentního proudění. Statistická analýza, Reynoldsovy rovnice, turbulentní napětí, problém uzavření systému rovnic, Boussinesquova hypotéza.
9. Modely turbulence (nula-, jedna-, dvourovnicové, model Reynoldsových napětí). Simulace velkých vírů (LES). Přímý výpočet turbulentního proudění (DNS).

10. Pokročilé modely turbulence (scale resolved, hybridní)
11. Modelování proudění v blízkosti stěny (stěnové funkce, dvouvrstvý přístup). Vizualizace proudění v prostředí CFD.
12. Tvarová optimalizace tekutinových prvků. Parametrizace geometrie, definice účelové funkce, provázání s CFD. Principy některých optimalizačních metod.
13. Integrace CFD ve vývoji a výzkumu. Ukázka na reálném příkladu tekutinového stroje nebo prvku (včetně prezentace vývojového pracovníka z praxe).

Cvičení s počítačovou podporou

26 hod., povinná

Vyučující / Lektor

doc. Ing. Pavel Rudolf, Ph.D.

Osnova

1. Projekt 1: Výpočtové modelování a experimentální vizualizace vybraného jevu mechaniky tekutin.

2.-4. Seznámení s procesem výpočetního modelování (preprocesor + řešič + postprocesor). Konkrétní ukázka v prostředí programu Fluent. Základy tvorby geometrie (SpaceClaim, Ansys Modeler) a výpočtové sítě (Ansys Mesh, Fluent Meshing).

Projekt 2: tvorba skriptu pro postprocessing

6.-7. Projekt 3: Projekt dle zadání od průmyslového partnera

8.-11. Projekt 4 Projekt dle zadání od průmyslového partnera

12.-13. Projekt 5: Tvarová optimalizace ve spojení s CFD