Moduł oferowany także w ramach programów studiów:
Informacje ogólne:
Nazwa:
Modelowanie procesów transportu w środowisku
Tok studiów:
2018/2019
Kod:
JFT-1-704-s
Wydział:
Fizyki i Informatyki Stosowanej
Poziom studiów:
Studia I stopnia
Specjalność:
-
Kierunek:
Fizyka Techniczna
Semestr:
7
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)
dr inż. Gałkowski Michał (Michal.Galkowski@fis.agh.edu.pl)
Krótka charakterystyka modułu

Przedmiot ma na celu wprowadzenie studenta w zagadnienia związane z modelowaniem procesów transportu w środowisku na przykładzie prostych zagadnień

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_W001 Student zna i rozumie zjawiska fizyczne odpowiedzialne za transport masy energii i pędu w wybranych składnikach środowiska FT1A_W04, FT1A_W01 Aktywność na zajęciach,
Udział w dyskusji
M_W002 Student dysponuje wiedzą na temat metod numerycznych stosowanych do modelowania procesów transportu FT1A_W04 Aktywność na zajęciach,
Udział w dyskusji
M_W003 Student zna etapy realizacji modelowania numerycznego FT1A_W04 Aktywność na zajęciach,
Udział w dyskusji
Umiejętności
M_U001 Student umie przygotować, wykonać i zweryfikować prosty program modelujący wybrane zjawisko transportu w środowisku FT1A_U03, FT1A_U01 Aktywność na zajęciach,
Wykonanie projektu,
Wykonanie ćwiczeń laboratoryjnych
M_U002 Student potrafi poprawnie zinterpretować wyniki symulacji FT1A_U02, FT1A_U04 Sprawozdanie,
Wykonanie ćwiczeń laboratoryjnych,
Aktywność na zajęciach
Kompetencje społeczne
M_K001 Student potrafi zaplanować pracę zespołową i rozdzielić zadania oraz oszacować czas realizacji FT1A_K01 Projekt
Matryca efektów kształcenia w odniesieniu do form zajęć
Kod EKM Student, który zaliczył moduł zajęć wie/umie/potrafi Forma zajęć
Wykład
Ćwicz. aud
Ćwicz. lab
Ćw. proj.
Konw.
Zaj. sem.
Zaj. prakt
Zaj. terenowe
Zaj. warsztatowe
Inne
E-learning
Wiedza
M_W001 Student zna i rozumie zjawiska fizyczne odpowiedzialne za transport masy energii i pędu w wybranych składnikach środowiska + - + - - - - - - - -
M_W002 Student dysponuje wiedzą na temat metod numerycznych stosowanych do modelowania procesów transportu + - + - - - - - - - -
M_W003 Student zna etapy realizacji modelowania numerycznego + - + - - - - - - - -
Umiejętności
M_U001 Student umie przygotować, wykonać i zweryfikować prosty program modelujący wybrane zjawisko transportu w środowisku - - + + - - - - - - -
M_U002 Student potrafi poprawnie zinterpretować wyniki symulacji - - + + - - - - - - -
Kompetencje społeczne
M_K001 Student 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 iteracyjnej dla równań transportu masy ciepła.
• Uproszczenia stosowane w modelowaniu (redukcja wymiarów, zaniedbywanie nieznaczących czynników itp.)
• Etapy realizacji modelowania numerycznego. Model fizyczny. Model matematyczny. Model obliczeniowy. Kalibracja i skalowanie modelu. Obliczenia i weryfikacja wyników.
• Dobór algorytmu obliczeniowego do rozwiązywanego zjawiska (stabilność numeryczna, kryteria stabilności)

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

    Efekty kształcenia:
    - student zna podstawy fizyczne ruchów Browna
    - student potrafi zastosować metodę Monte-Carlo do przeprowadzenia prostej symulacji

  2. Modelowanie 2D transportu ciepła

    Efekty kształcenia:
    - 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-dyspersyjnego w rzece

    Efekty kształcenia:
    - student zna równanie opisujące transport adwekcyjno-dyspersyjny
    - student potrafi napisać skrypt do numerycznego rozwiązania prostego równania różniczkowego

  4. Modelowanie pudełkowe transportu wód podziemnych

    Efekty kształcenia:
    - student umie zastosować całkę splotu do symulacji transportu wód podziemnych
    - student potrafi zastosować właściwy wariant modelu najlepiej opisujący modelowany obiekt

  5. Zero wymiarowy model bilansu radiacyjnego Ziemi

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

  6. Symulacja układu do pomiaru strumieni CO2 metoda komory statycznej

    Efekty kształcenia:
    - student potrafi zbudować prosty model matematyczny opisujący zachowanie fizycznego obiektu
    - student umie wykonać kalibrację modelu w oparciu o dostępne wyniki eksperymentalne

  7. Zastosowanie metody momentów do analizy przepływów w kanałach otwartych

    Efekty kształcenia:
    - student umie zastosować metody statystyczne do obliczenia parametrów hydraulicznych cieków wodnych
    - student potrafi zidentyfikować modelowany obiekt na podstawie porównania wyników symulacji z danymi pomiarowymi

  8. Modelowanie smugi gaussowskiej

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

  9. Symulacja dyfuzji radonu w glebie

    Efekty kształcenia:
    - student potrafi dobrać odpowiedni rodzaj modelu (stacjonarne lub niestacjonarne) w celu uzyskania zamierzonego efektu
    - student potrafi prawidłowo uprościć model redukując część wymiarów lub zaniedbując czynniki mało znaczące

  10. Zastosowanie znaczników izotopowych do kalibracji bilansu obiegu węgla

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

Ćwiczenia projektowe:

Tematyka projektów dostosowana będzie do indywidualnych zainteresowań studentów.
Projekt będzie realizowany częściowo w ramach zajęć (możliwość dyskutowania wybranego problemu w grupie i konsultacji z prowadzącym), a częściowo samodzielnie w ramach 2 osobowych grup. Tematyka projektów dostosowana będzie do indywidualnych zainteresowań studentów.
Efekty kształcenia:
- student prawidłowo planuje etapy realizacji modelu
- student umie stworzyć prosty model numeryczny symulujący wybrane procesy transportu
- student prawidłowo prezentuje i interpretuje uzyskane wyniki
- student potrafi zaplanować pracę zespołową, podzielić zadania i ocenić czas realizacji projektu

Nakład pracy studenta (bilans punktów ECTS)
Forma aktywności studenta Obciążenie studenta
Sumaryczne obciążenie pracą studenta 100 godz
Punkty ECTS za moduł 4 ECTS
Udział w wykładach 14 godz
Samodzielne studiowanie tematyki zajęć 14 godz
Udział w ćwiczeniach laboratoryjnych 18 godz
Przygotowanie do zajęć 28 godz
Udział w ćwiczeniach projektowych 8 godz
Wykonanie projektu 18 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.

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

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

Wymagania wstępne i dodatkowe:

• Znajomość podstaw algebry liniowej (operacje na wektorach i macierzach)
• Znajomość podstaw rachunku różniczkowego i całkowego
• Podstawowa umiejętność programowania proceduralnego

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.

Szymkiewicz R. Modelowanie matematyczne przepływów w rzekach I kanałach. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2000.

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:

Zimnoch, M., Wach, P., Chmura, L., Gorczyca, Z., Rozanski, K., Godlowska, J., Mazur, J., Kozak, K., Jericevic, A., 2014, Factors controlling temporal variability of near-ground atmospheric Rn-222 concentration over central Europe, ATMOSPHERIC CHEMISTRY AND PHYSICS, VOL 14(18), pp.9567-9581, DOI:10.5194/acp-14-9567-2014
Zimnoch, Miroslaw, Jelen, Dorota, Galkowski, Michal, Kuc, Tadeusz, Necki, Jaroslaw, Chmura, Lukasz, Gorczyca, Zbigniew, Jasek, Alina, Rozanski, Kazimierz, 2012, Partitioning of atmospheric carbon dioxide over Central Europe: insights from combined measurements of CO2 mixing ratios and their carbon isotope composition, ISOTOPES IN ENVIRONMENTAL AND HEALTH STUDIES Vol.48(3), pp.421-433, DOI:10.1080/10256016.2012.663368
Zimnoch, M., Godlowska, J., Necki, J. M., Rozanski, K., 2010, Assessing surface fluxes of CO2 and CH4 in urban environment: a reconnaissance study in Krakow, Southern Poland, TELLUS SERIES B-CHEMICAL AND PHYSICAL METEOROLOGY, Vol.62(5), pp.573-580, DOI:10.1111/j.1600-0889.2010.00489.x
Zimnoch, M, Florkowski, T, Necki, J, Neubert, R, 2004, Diurnal variability of delta C-13 and delta O-18 of atmospheric CO2 in the urban atmosphere of Krakow, Poland, ISOTOPES IN ENVIRONMENTAL AND HEALTH STUDIES, Vol.40(2), pp.129-143, DOI:10.1080/10256010410001670989

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