Výpočtové modelování proudění (FSI-MVP-A)

Akademický rok 2022/2023
Garant: doc. Ing. Pavel Rudolf, Ph.D.  
Garantující pracoviště: všechny předměty garantované tímto pracovištěm
Jazyk výuky: angličtina
Cíle předmětu:

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.

Výstupy studia a kompetence:

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.
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 nejen při návrhu tekutinových strojů, prvků a soustav, ale všude kde se vyskytuje proudění kapalin nebo plynů.

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. 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.

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.

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. 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

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

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  
CŽV prezenční studium CZV Základy strojního inženýrství -- zá,zk 6 Povinně volitelný 1 1 L
N-ENG-Z příjezd na krátkodobý studijní pobyt --- bez specializace -- zá,zk 6 Volitelný 2 1 L
N-ENG-A prezenční studium --- bez specializace -- zá,zk 6 Povinně volitelný 2 1 L