Moduł oferowany także w ramach programów studiów:
Informacje ogólne:
Nazwa:
Modelowanie procesów fizycznych
Tok studiów:
2012/2013
Kod:
JIS-2-103-SW-s
Wydział:
Fizyki i Informatyki Stosowanej
Poziom studiów:
Studia II stopnia
Specjalność:
Systemy wbudowane i rekonfigurowalne
Kierunek:
Informatyka Stosowana
Semestr:
1
Profil kształcenia:
Ogólnoakademicki (A)
Język wykładowy:
Polski
Forma i tryb studiów:
Stacjonarne
Osoba odpowiedzialna:
dr hab. inż. Zimnoch Mirosław (zimnoch@agh.edu.pl)
Osoby prowadzące:
dr inż. Wachniew Przemysław (wachniew@agh.edu.pl)
dr hab. inż. Zimnoch Mirosław (zimnoch@agh.edu.pl)
Krótka charakterystyka modułu

Opis efektów kształcenia dla modułu zajęć
Kod EKM Student, który zaliczył moduł zajęć wie/umie/potrafi Powiązania z EKK Sposób weryfikacji efektów kształcenia (forma zaliczeń)
Wiedza
M_W004 Zna i rozumie zjawiska fizyczne związane z transportem masy energii i pędu, rozkładami naprężeń i odkształceń IS2A_W07 Aktywność na zajęciach,
Egzamin,
Udział w dyskusji
M_W005 Ma wiedzę o trendach rozwojowych i nowych osiągnięciach z zakresu numerycznego modelowania procesów Aktywność na zajęciach,
Egzamin,
Udział w dyskusji
M_W006 Zna etapy tworzenia modeli numerycznych oraz metody, techniki i narzędzia przeznaczone do ich realizacji IS2A_W02, IS2A_W08 Aktywność na zajęciach,
Egzamin,
Udział w dyskusji
M_W007 Ma poszerzoną i pogłębioną wiedzę na temat wybranych procesów fizycznych IS2A_W07 Aktywność na zajęciach,
Egzamin,
Udział w dyskusji
Umiejętności
M_U003 Potrafi wybrać najlepsze dla danego procesu rozwiązanie numeryczne i na tej podstawie przygotować, wykonać oraz zweryfikować model IS2A_U08 Aktywność na zajęciach,
Wykonanie ćwiczeń laboratoryjnych
M_U004 Potrafi dokonać krytycznej analizy, poprawnie zinterpretować wyniki symulacji i prawidłowo je zaprezentować IS2A_U03 Sprawozdanie,
Wykonanie ćwiczeń laboratoryjnych
M_U005 Potrafi ocenić przydatność i możliwość wykorzystania modeli numerycznych do lepszego zrozumienia i usprawniania procesów rzeczywistych IS2A_U07, IS2A_U05 Aktywność na zajęciach,
Udział w dyskusji
Kompetencje społeczne
M_K002 Potrafi zaplanować pracę zespołową i rozdzielić zadania oraz oszacować czas realizacji IS2A_K02 Sprawozdanie,
Wykonanie projektu
Matryca efektów kształcenia w odniesieniu do form zajęć
Kod EKM Student, który zaliczył moduł zajęć wie/umie/potrafi Forma zajęć
Wykład
Ćwicz. audyt.
Ćwicz. lab.
Ćwicz. proj.
Konw.
Zaj. sem.
Zaj. prakt.
Zaj. terenowe
Zaj. warsztatowe
Inne
E-learning
Wiedza
M_W004 Zna i rozumie zjawiska fizyczne związane z transportem masy energii i pędu, rozkładami naprężeń i odkształceń + - + - - - - - - - -
M_W005 Ma wiedzę o trendach rozwojowych i nowych osiągnięciach z zakresu numerycznego modelowania procesów + - + - - - - - - - -
M_W006 Zna etapy tworzenia modeli numerycznych oraz metody, techniki i narzędzia przeznaczone do ich realizacji + - + - - - - - - - -
M_W007 Ma poszerzoną i pogłębioną wiedzę na temat wybranych procesów fizycznych + - + - - - - - - - -
Umiejętności
M_U003 Potrafi wybrać najlepsze dla danego procesu rozwiązanie numeryczne i na tej podstawie przygotować, wykonać oraz zweryfikować model - - + - - - - - - - -
M_U004 Potrafi dokonać krytycznej analizy, poprawnie zinterpretować wyniki symulacji i prawidłowo je zaprezentować - - + - - - - - - - -
M_U005 Potrafi ocenić przydatność i możliwość wykorzystania modeli numerycznych do lepszego zrozumienia i usprawniania procesów rzeczywistych - - + - - - - - - - -
Kompetencje społeczne
M_K002 Potrafi zaplanować pracę zespołową i rozdzielić zadania oraz oszacować czas realizacji - - + - - - - - - - -
Treść modułu zajęć (program wykładów i pozostałych zajęć)
Wykład:

Tematyka wykładów obejmuje następujące zagadnienia:
• Klasyfikacja modeli ze względu na różne kryteria (wymiar, obszar, modelowana wielkość itp.)
• Modele dynamiczne i statyczne, modele stacjonarne i niestacjonarne, modele o parametrach skupionych i rozłożonych.
• Konstrukcja różnych siatek obliczeniowych.
• Definiowanie warunków brzegowych i początkowych.
• Przejście od równań różniczkowych do postaci całkowej, metoda ważonych residuów, metoda wariacyjna dla równań transportu masy ciepła i równań równowagi.
• Uproszczenia stosowane w modelowaniu (redukcja wymiarów, zaniedbywanie nieznaczących czynników itp.)
• Etapy realizacji modelowania numerycznego. Model fizyczny. Model obliczeniowy. Model matematyczny. Problem continuum i wstęp do homogenizacji. Kalibracja i skalowanie modelu. Obliczenia i weryfikacja wyników.
• Dobór algorytmu obliczeniowego do rozwiązywanego zjawiska (stabilność numeryczna, kryteria stabilności)
• Modelowanie proste i odwrotne (optymalizacja procesów)
• Możliwości zastosowania i ograniczenia metod:
- różnic skończonych,
- elementów skończonych
- Monte Carlo
• Metody „alternatywne”:
- dynamiki molekularnej i pochodne
- gazu siatkowego
- automatów komórkowych
- sztucznych sieci neuronowych
- algorytmy genetyczne
• Modelowanie zjawisk:
- rozkładu naprężeń, odkształceń
- procesów transportu (ciepło, dyfuzja, adwekcja, konwekcja itp.)
- przemian fazowych
- wytrzymałości

Ćwiczenia laboratoryjne:
  1. Symulacja ruchów Browna metodą Monte-Carlo

    - student zna podstawy fizyczne ruchów Browna
    - student potrafi zastosować metodę Monte-Carlo do przeprowadzenia symulacji tego zjawiska

  2. Modelowanie transportu ciepła

    - student umie wykonać dyskretyzację równania różniczkowego przy użyciu prostych aproksymacji pochodnych funkcji
    - student potrafi zweryfikować poprawność uzyskanych wyników i przeanalizować stabilność numeryczną zastosowanego algorytmu

  3. Modelowanie transportu adwekcyjno-dyfuzyjnego metodą explicite

    - student zna równanie opisujące transport adwekcyjno-dyspersyjny
    - student potrafi napisać skrypt do numerycznego rozwiązania równania różniczkowego metodą explicite

  4. Modelowanie transportu adwekcyjno-dyfuzyjnego metodą implicite

    - student potrafi zastosować odpowiedni wariant warunków brzegowych
    - student potrafi napisać skrypt do numerycznego rozwiązania równania różniczkowego metoda implicite

  5. Modelowanie bilansu radiacyjnego dla Ziemi

    - student zna mechanizmy wpływające na bilans radiacyjny Ziemi
    - student potrafi ocenić wpływ różnych parametrów modelu na uzyskane wyniki

  6. Modelowanie obiegu pierwiastków

    - student umie stworzyć model opisujący złożony układ fizyczny stosując właściwe uproszczenia
    - student umie wykonać kalibrację modelu w oparciu o dostępne wyniki eksperymentalne

  7. Zastosowanie modeli o elementach skupionych do symulacji przepływów

    - student umie zastosować całkę splotu do symulacji transportu masy
    - student potrafi zastosować właściwy wariant modelu najlepiej opisujący modelowany obiekt

  8. Modelowanie smugi gaussowskiej

    - student umie pozyskać informacje z udostępnionych aktów prawnych w celu obliczenia poziomu zanieczyszczenia powietrza w funkcji odległości od emitera

  9. Zastosowanie znaczników do kalibracji modeli

    - student umie wykorzystać techniki znacznikowe do kalibracji i/lub weryfikacji używanych modeli

  10. Modelowanie odwrotne

    - student zna technikę modelowania odwrotnego i potrafi ją właściwie zastosować

  11. Modelowanie odwrotne z zastosowaniem metody sztucznych sieci neuronowych

    - student zna podstawy modelowania technika sztucznych sieci neuronowych
    - student potrafi właściwie zaplanować i odpowiednio zinterpretować uzyskane wyniki symulacji

  12. Symulacja przepływów metodą cząstek

    - student zna podstawowe odmiany metod cząstek
    - student zna możliwości zastosowania i ograniczenia metod cząstek

  13. Symulacja rozkładu naprężeń metodą elementów skończonych

    - student umie zastosować metodę elementów skończonych do symulacji rozkładu naprężeń
    - student umie właściwie zaprojektować siatkę obliczeniową

Nakład pracy studenta (bilans punktów ECTS)
Forma aktywności studenta Obciążenie studenta
Sumaryczne obciążenie pracą studenta 125 godz
Punkty ECTS za moduł 5 ECTS
Udział w wykładach 30 godz
Samodzielne studiowanie tematyki zajęć 33 godz
Udział w ćwiczeniach laboratoryjnych 30 godz
Przygotowanie sprawozdania, pracy pisemnej, prezentacji, itp. 30 godz
Egzamin lub kolokwium zaliczeniowe 2 godz
Pozostałe informacje
Sposób obliczania oceny końcowej:

Ocena z laboratorium stanowi średnią arytmetyczna z ocen za sprawozdania z poszczególnych ćwiczeń uwzględniających aktywność studenta na zajęciach oraz wykazanie się wiedzą przekazywaną na wykładach.

Ocena z laboratorium jest obliczana tylko wówczas, gdy student uzyskał ze wszystkich ćwiczeń pozytywne oceny cząstkowe.

Ocena końcowa obliczana jest jako średnia ważona oceny z laboratorium (40%) i egzaminu (60%).

Wymagania wstępne i dodatkowe:

• Znajomość algebry liniowej (operacje na wektorach i macierzach)
• Znajomość rachunku różniczkowego i całkowego
• Zaawansowana umiejętność programowania proceduralnego
• Wskazana znajomość środowiska MATLAB

Zalecana literatura i pomoce naukowe:

Literatura:

Heermann D.W. Podstawy symulacji komputerowych w fizyce. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 1997

Holnicki P., Nahorski Z., Żochowski A. Modelowanie procesów środowiska naturalnego. Wyższa Szkoła Informatyki Stosowanej i Zarządzania, Warszawa 2000.

Dzwinel W., Informatyczne problemy i perspektywy symulacji metodą cząstek. Wydawnictwa AGH, Kraków 1996.

Griebel M., Knapek S., Zumbusch G. Numerical Simulation in Molecular Dynamics. Springer 2007.

Pomoce naukowe:

Środowisko obliczeniowe MATLAB (dostęp w pracowniach komputerowych)
lub
Program FreeMat dostępny na licencji GNU Public licence v.2

Publikacje naukowe osób prowadzących zajęcia związane z tematyką modułu:

Nie podano dodatkowych publikacji

Informacje dodatkowe:

I – Sposób i tryb wyrównania zaległości powstałych wskutek nieobecności studenta na zajęciach:

Nieobecność na jednych ćwiczeniach zajęciach wymaga od studenta samodzielnego opanowania przerabianego na tych zajęciach materiału.
Nieobecność na więcej niż jednych 20% zajęć wymaga od studenta samodzielnego opanowania przerabianego na tych zajęciach materiału i jego zaliczenia w formie pisemnej w wyznaczonym przez prowadzącego terminie lecz nie później jak w ostatnim tygodniu trwania zajęć.
Student który bez usprawiedliwienia opuścił więcej niż 20% zajęć i jego cząstkowe wyniki w nauce były negatywne może zostać pozbawiony, przez prowadzącego zajęcia, możliwości wyrównania zaległości.

II – Zasady zaliczania zajęć:

Zaliczenie laboratorium wymaga zaliczenia wszystkich ćwiczeń podanych w treści modułu.
Warunkiem uzyskania zaliczenia z pojedynczego ćwiczenia jest:
udział w zajęciach
wykonanie co najmniej 50% zakresu przewidzianego dla danego ćwiczenia
zaliczone sprawozdanie z opracowaniem wyników