Výpočtové modelování proudění (FSI-MVP-A)

Akademický rok 2021/2022
Garant: doc. Ing. Pavel Rudolf, Ph.D.  
Garantující pracoviště: EÚ všechny předměty garantované tímto pracovištěm
Jazyk výuky: angličtina
Cíle předmětu:
Seznámení s principy výpočetní mechaniky tekutin, získání základních dovedností pro práci s CFD softwarem.
Výstupy studia a kompetence:
Student se seznámí s principy numerického řešení rovnic proudění tekutin a využitím optimalizačních metod v návrhu tekutinových strojů a prvků, získá znalost práce v prostředí konkrétního CFD programu (Fluent).
Prerekvizity:
Znalost základních rovnic proudění tekutin, základy práce s PC.
Obsah předmětu (anotace):
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 při návrhu tekutinových strojů, prvků a soustav.
Metody vyučování:
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.
Způsob a kritéria hodnocení:
Ověření znalostí dle osnovy (písemná + ústní) část, hodnocení projektů. Celkové hodnocení dle bodové stupnice ECTS.
Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění a formy nahrazování zameškané výuky:
Prezence evidována,případná (limitovaná) absence se řeší individuálně. 4 seminární práce.
Typ (způsob) výuky:
    Přednáška  13 × 3 hod. nepovinná                  
    Cvičení s počítačovou podporou  13 × 2 hod. povinná                  
Osnova:
    Přednáška 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. Konvekčně – 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. Modelování proudění v blízkosti stěny (stěnové funkce, dvouvrstvý přístup). Vizualizace proudění v prostředí CFD.
11. Tvarová optimalizace tekutinových prvků. Parametrizace geometrie, definice účelové funkce, provázání s CFD.
12. Principy některých optimalizačních metod.
13. Integrace CFD v prostředí CAE (Computer Aided Engineering). Ukázka na reálném příkladu tekutinového stroje nebo prvku (včetně prezentace vývojového pracovníka z praxe).
    Cvičení s počítačovou podporou 1. Seznámení s procesem výpočetního modelování (preprocesor + řešič + postprocesor). Konkrétní ukázka v prostředí programu Fluent. Základy tvorby geometrie výpočetní oblasti v programu Gambit.

2.-4. Rotačně symetrické laminární proudění v trubce. Porovnání numerického a analytického řešení. Cvičení zahrnují vytvoření výpočetní sítě, zadání okrajových podmínek, přípravu výpočetního modelu pro řešení v programu Fluent, vyhodnocení, vypracování zprávy za každou pracovní skupinu.

6.-7. Numerické zpracování úlohy 1D difúze (v libovolném programovacím jazyku nebo tabulkovém procesoru).

8.-11. Rovinné proudění v axiální lopatkové mříži. Jednotlivé pracovní skupiny vypočtou konkrétní průtok a natočení lopatkové mříže. Výsledky řešení budou prezentovány ve zprávě.


12.-13. Sestavení programu pro vybranou optimalizační metodu (v libovolném programovacím jazyku nebo tabulkovém procesoru).
Literatura - základní:
1. Versteeg, H., Malalasekera, W.: An Introduction to Computational Fluid Dynamics : The Finite Volume Method Approach. Prentice Hall. 1996
2. Wilcox, D.C.: Turbulence Modeling for CFD. DCW Industries Ltd. 1992
3. Wendt, J.F.: Computational Fluid Dynamics. Springer-Verlag Telos. 1996
4. Fletcher, C.A.J.: Computational Techniques fo Fluid Dynamics. Springer-Verlag. 1997
5. Fletcher, R.: Practical Methods of Optimization. John Wiley & Sons. 2nd edition. 2000
Literatura - doporučená:
1. Tesař, V.: Mezní vrstvy a turbulence. Skripta ČVUT. Ediční středisko ČVUT. 1991.
2. Kozubková, M., Drábková, S., Šťáva, P.: Matematické modely stlačitelného a nestlačitelného proudění - Metoda konečných objemů. Skripta VŠB-TU Ostrava. 1999.
Zařazení předmětu ve studijních programech:
Program Forma Obor Spec. Typ ukončení   Kredity     Povinnost     St.     Roč.     Semestr  
N-ENG-A prezenční studium --- bez specializace -- zá,zk 6 Povinně volitelný 2 1 L