Výpočtové modelování proudění (FSI-MVP-A)

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.

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).

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.

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).

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.

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

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).

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