Výpočtové modelování proudění (FSI-MVP)

Předmět nabízí ucelený úvod do výpočetní mechaniky tekutin (CFD) a do numerického řešení rovnic proudění, zejména metodou konečných objemů. Studenti získají potřebné teoretické znalosti i praktické dovednosti pro kvalifikovanou práci s CFD softwarem – od tvorby výpočtové sítě a volby vhodného fyzikálního a turbulentního modelu až po správnou interpretaci, ověřování a validaci výsledků simulací. Součástí výuky je také seznámení se základy modelování vícefázového proudění, proudění v rotujících doménách a využití optimalizačních postupů při návrhu tekutinových zařízení. Značná část výuky probíhá formou individuálních i týmových projektů v prostředí komerčního CFD programu ANSYS Fluent.

Znalost základních rovnic proudění tekutin a principů mechanik tekutin.

Předmět seznamuje studenty s moderní výpočetní mechanikou tekutin (CFD) jako klíčovým nástrojem současného inženýrství. Výuka propojuje fyzikální principy proudění, numerické metody a praktické použití komerčních CFD nástrojů tak, aby studenti dokázali vytvářet spolehlivé simulace, správně je interpretovat a využít při návrhu a optimalizaci tekutinových zařízení a energetických systémů. Důraz je kladen na pochopení souvislostí mezi fyzikou, numerickou metodou, volbou modelu turbulence a kvalitou výpočetní sítě, stejně jako na ověřování a validaci získaných výsledků. Absolvent předmětu získá kompetence potřebné pro kvalifikované a odpovědné využití CFD v průmyslové i výzkumné praxi, zejména v oblastech fluidního inženýrství, energetiky a výpočtových simulací pro udržitelnou energetiku.

Výsledné hodnocení je založeno na hodnocení projektů zadávaných v průběhu semestru (4 - 5 individuálních i týmových projektů) a písemné zkoušce z teorie CFD.  Celkové hodnocení dle bodové stupnice ECTS.

Všechny zprávy a výstupy jsou zpracovávány v anglickém jazyce.

Prezence evidována, případná (limitovaná) absence se řeší individuálně. 

1. Úloha výpočtového modelování (CFD) v návrhu tekutinových strojů, výhody a omezení použití výpočtového modelování. Masivně paralelní výpočty, HPC, GPU. Motivační ukázky aplikací CFD.
2. Základní diferenciální rovnice mechaniky tekutin, matematická klasifikace těchto rovnic, nutnost numerického řešení. Přístupy k diskretizaci parciálních diferenciálních rovnic (konečné diference, prvky, objemy). 
3. Metoda konečných objemů. Aplikace metody konečných objemů na 1D a 2D úlohu difúze. Řešení soustav rovnic. 
4. Konvektivně-difúzní úloha, numerická interpolační schémata. Konvergence (definice, praktické posuzování), akcelerace konvergence.

5. Hybnostní rovnice, algoritmus SIMPLE. Nestacionární úloha. Explicitní, implicitní schéma, podmínky stability (CFL), volba časového kroku. 

6. Výpočtové sítě, jejich typy, metriky kvality, adaptace. Proudění v rotujícím souřadnicovém systému (multiple reference frame, mixing plane, sliding mesh)í.
7. Turbulence (fyzikální popis, fenomenologie, přechod do turbulentního proudění), možnosti výpočetního řešení turbulentního proudění.

8. 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). Pokročilé modely turbulence (scale resolved, hybridní), data-driven modely turbulence.

10. Modelování proudění v blízkosti stěny (stěnové funkce, dvouvrstvý přístup). Validace, verifikace, výpočtové nejistoty. "Best practice" doporučení.

11. Vícefázové proudění (Euler vs Lagrange, VoF, mixture model, kavitace).

12. Tvarová optimalizace tekutinových prvků. Parametrizace geometrie, definice účelové funkce, provázání s CFD, skriptování. Principy některých optimalizačních metod. Redukované modely, digitální dvojčata.
13. Integrace CFD ve vývoji a výzkumu. Ukázka na reálném příkladu tekutinového stroje nebo prvku (včetně prezentace výzkumného 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