Module also offered within study programmes:
General information:
Name:
Modelowanie numeryczne przepływów i wymiany ciepła
Course of study:
2019/2020
Code:
RMBM-2-201-SM-s
Faculty of:
Mechanical Engineering and Robotics
Study level:
Second-cycle studies
Specialty:
Inżynieria Zrównoważonych Systemów Energetycznych
Field of study:
Mechanical Engineering
Semester:
2
Profile of education:
Academic (A)
Lecture language:
Polish
Form and type of study:
Full-time studies
Course homepage:
 
Responsible teacher:
dr hab. inż. Kołodziejczyk Krzysztof (krkolodz@agh.edu.pl)
Module summary

Student uzyskuje specjalistyczną wiedzę, umiejętności oraz kompetencje w zakresie prowadzenia symulacji numerycznych przepływu płynu łącznie z wymianą ciepła. Realizowane przykłady będą obejmowały głównie urządzenia wykorzystywane w ekoenergetyce.

Description of learning outcomes for module
MLO code Student after module completion has the knowledge/ knows how to/is able to Connections with FLO Method of learning outcomes verification (form of completion)
Social competence: is able to
M_K001 Student posiada świadomość ciągłego dokształcania się i ciągłego podnoszenia kompetencji w zakresie wykorzystania nowoczesnych narzędzi w procesie projektowania oraz analizie pracy maszyn i urządzeń. Activity during classes,
Participation in a discussion
Skills: he can
M_U001 Student potrafi przygotować bryłę do symulacji przepływu z wymianą ciepła. Activity during classes,
Project
M_U002 Student potrafi wygenerować siatkę numeryczną. Activity during classes,
Project
M_U003 Student potrafi poprawnie zdefiniować parametry symulacji oraz przypisać warunki brzegowe dla tworzonej symulacji. Activity during classes,
Project
M_U004 Potrafi przeprowadzić analizę uzyskanych wyników z symulacji numerycznej Project
M_U005 Potrafi w sposób syntetyczny opracować wyniki przeprowadzonej symulacji Project
Knowledge: he knows and understands
M_W001 Student zna metodykę prowadzenia symulacji numerycznej przepływu z wymianą ciepła Activity during classes,
Project
M_W002 Student zna sposoby oraz zasady przygotowania bryły do symulacji numerycznej. Activity during classes,
Project
M_W003 Zna zasady tworzenia siatki numerycznej (podział bryły na elementy) Activity during classes,
Project
M_W004 Student posiada wiedzę z zakresu modelowania przepływu płynu. Project
M_W005 Zna nowoczesne narzędzia do prowadzenia symulacji numerycznych przepływów. Activity during classes,
Project
Number of hours for each form of classes:
Sum (hours)
Lecture
Audit. classes
Lab. classes
Project classes
Conv. seminar
Seminar classes
Pract. classes
Zaj. terenowe
Zaj. warsztatowe
Prace kontr. przejść.
Lektorat
40 14 0 0 26 0 0 0 0 0 0 0
FLO matrix in relation to forms of classes
MLO code Student after module completion has the knowledge/ knows how to/is able to Form of classes
Lecture
Audit. classes
Lab. classes
Project classes
Conv. seminar
Seminar classes
Pract. classes
Zaj. terenowe
Zaj. warsztatowe
Prace kontr. przejść.
Lektorat
Social competence
M_K001 Student posiada świadomość ciągłego dokształcania się i ciągłego podnoszenia kompetencji w zakresie wykorzystania nowoczesnych narzędzi w procesie projektowania oraz analizie pracy maszyn i urządzeń. + - - - - - - - - - -
Skills
M_U001 Student potrafi przygotować bryłę do symulacji przepływu z wymianą ciepła. - - - - - - - - - - -
M_U002 Student potrafi wygenerować siatkę numeryczną. - - - - - - - - - - -
M_U003 Student potrafi poprawnie zdefiniować parametry symulacji oraz przypisać warunki brzegowe dla tworzonej symulacji. - - - - - - - - - - -
M_U004 Potrafi przeprowadzić analizę uzyskanych wyników z symulacji numerycznej - - - - - - - - - - -
M_U005 Potrafi w sposób syntetyczny opracować wyniki przeprowadzonej symulacji - - - - - - - - - - -
Knowledge
M_W001 Student zna metodykę prowadzenia symulacji numerycznej przepływu z wymianą ciepła + - - - - - - - - - -
M_W002 Student zna sposoby oraz zasady przygotowania bryły do symulacji numerycznej. + - - - - - - - - - -
M_W003 Zna zasady tworzenia siatki numerycznej (podział bryły na elementy) + - - - - - - - - - -
M_W004 Student posiada wiedzę z zakresu modelowania przepływu płynu. + - - - - - - - - - -
M_W005 Zna nowoczesne narzędzia do prowadzenia symulacji numerycznych przepływów. + - - - - - - - - - -
Student workload (ECTS credits balance)
Student activity form Student workload
Summary student workload 80 h
Module ECTS credits 3 ECTS
Udział w zajęciach dydaktycznych/praktyka 40 h
przygotowanie projektu, prezentacji, pracy pisemnej, sprawozdania 35 h
Contact hours 5 h
Module content
Lectures (14h):
  1. 1. Model matematyczny i model fizyczny. Wielkości bilansowe i ogólna zasada bilansowania: akumulacja i generacja. Ustalona i nieustalona wymiana ciepła.
    Podstawowe prawa przepływu ciepła: przewodzenie, konwekcja i promieniowanie.

    2. Wyprowadzenie równania przewodzenia ciepła w ciałach stałych. Gradient temperatury, współczynnik przewodzenia ciepła, dyfuzyjność termiczna, opór przewodzenia ciepła i ich interpretacja fizyczna (jednostki fizyczne). Warunki brzegowe i początkowe rozwiązania równania przewodzenia ciepla.

    3. Metody przybliżonego rozwiązania zagadnień przepływu ciepła: metoda różnic skończonych i metoda elementów skończonych.

    4. Metoda elementów skończonych:
    - ogólny algorytm obliczeń z zastosowaniem MES,
    - dyskretyzacja geometrii obszaru,
    - elementy skończone i funkcje kształtu,
    - przekształcenie różniczkowego równania przewodzenia ciepła do równań MES (metoda Galerkina),
    - adaptacja siatek w modelowaniu metodą elementów skończonych procesów przepływu ciepła,
    - weryfikacja dokładności modelu symulacji komputerowej – analiza błędów modelowania,
    - wzorce do oceny modelu numerycznego – benchmarks,
    - komercyjne programy komputerowe; Autodesk CFD,
    - proste przykłady obliczeniowe MES z elementem liniowym.

    5. Ustalone przewodzenie ciepła w przegrodzie płaskiej. Warunki brzegowe i początkowe rozwiązania równania przewodzenia ciepła. Przenikanie ciepła, opór i współczynnik przenikania ciepła.

    6. Ustalone przewodzenie ciepła w przegrodzie cylindrycznej. Przenikanie ciepła, opór i współczynnik przenikania ciepła. Krytyczna grubość izolacji.

    7. Przewodzenie ciepła w prętach i żebrach. Wymienniki żebrowe. Kryterium stosowalności żeber. Optymalizacja ożebrowania.

    8. Wymiana ciepła przez konwekcję i promieniowanie.

  2. Podstawowe zagadnienia związane z symulacjami numerycznymi. Narzędzia-aplikacje wykorzystywane w prowadzeniu symulacji numerycznych przepływów oraz wymiany ciepła. Metodyka prowadzenia symulacji numerycznej. Sposoby oraz zasady przygotowania modelu CAD do modelowania przepływu płynu oraz wymiany ciepła. Sposoby i zasady podziału bryły siatką elementów. Rodzaje siatek. Weryfikacja jakości siatki. . Optymalizacja siatki numerycznej. Modelowanie przepływów stałych i zmiennych łącznie ze zmiennymi w czasie warunkami brzegowymi.

Project classes (26h):

1. Modelowanie rozkładu temperatury w płycie płaskiej z wykorzystaniem metody różnic skończonych dla różnych rodzajów warunków brzegowych.
2. Modelowanie rozkładu temperatury w sześcianie jednostkowym z wykorzystaniem programu Autodesk CFD. Wpływ gęstości siatki na dokładność obliczeń. Porównanie z rozwiązaniem referencyjnym.
3. Modelowanie rozkładu temperatury w kwadratowym przekroju poprzecznym długiego pręta metodą elementów skończonych z wykorzystaniem programu Autodesk CFD. Weryfikacja modelem analitycznym.
4. Wyznaczanie dwuwymiarowego rozkładu temperatury w prostym żebrze o stałej grubości za pomocą MES z wykorzystaniem programu Autodesk CFD.
5. Indywidualne wykonanie projektu – modelowanie numeryczne pól temperatury dla wybranego przypadku wymiany ciepła w programie Autodesk CFD, AutoFEM Thermal Analysis lub innym.
6. zaliczenie projektu

Additional information
Teaching methods and techniques:
  • Lectures: Treści prezentowane na wykładzie są przekazywane w formie prezentacji multimedialnej w połączeniu z klasycznym wykładem tablicowym wzbogaconymi o pokazy odnoszące się do prezentowanych zagadnień.
  • Project classes: Studenci wykonują zadany projekt samodzielnie, bez większej ingerencji prowadzącego. Ma to wykształcić poczucie odpowiedzialności za pracę w grupie oraz odpowiedzialności za podejmowane decyzje.
Warunki i sposób zaliczenia poszczególnych form zajęć, w tym zasady zaliczeń poprawkowych, a także warunki dopuszczenia do egzaminu:

Participation rules in classes:
  • Lectures:
    – Attendance is mandatory: No
    – Participation rules in classes: Studenci uczestniczą w zajęciach poznając kolejne treści nauczania zgodnie z syllabusem przedmiotu. Studenci winni na bieżąco zadawać pytania i wyjaśniać wątpliwości. Rejestracja audiowizualna wykładu wymaga zgody prowadzącego.
  • Project classes:
    – Attendance is mandatory: Yes
    – Participation rules in classes: Studenci wykonują prace praktyczne mające na celu uzyskanie kompetencji zakładanych przez syllabus. Ocenie podlega sposób wykonania projektu oraz efekt końcowy.
Method of calculating the final grade:

Ocena z projektu zaliczeniowego.

Sposób i tryb wyrównywania zaległości powstałych wskutek nieobecności studenta na zajęciach:

Prerequisites and additional requirements:

Student musi przynajmniej w stopniu podstawowym znać co najmniej jedną aplikację CAD pozwalającą na tworzenie i edycję bryły. Student musi posiadać podstawowe umiejętności modelowania bryłowego.

Recommended literature and teaching resources:

Kazimierski Z.: „Podstawy mechaniki płynów i metod komputerowej symulacji przepływów”, Łódź 2004.
Patankar’a w “Numerical Heat Transfer and Fluid Flow” Hemisphere Publishing, New York, 1980.
Materiały z wykładów.
www.ansys.com

Scientific publications of module course instructors related to the topic of the module:

KOŁODZIEJCZYK K.: Analiza numeryczna przepływu w osadniku prostokątnym z wypełnieniem wielostrumieniowym. Ochrona i inżynieria środowiska : zrównoważony rozwój. Problemy Inżynierii Mechanicznej i Robotyki WIMiR AGH, 2014. nr 63.

KOŁODZIEJCZYK K., WOJCIECHOWSKI J.: Analysis of the air flow in modernized ventilation system in fan station of underground mine. XXI FMC : XXI Fluid Mechanics Conference : Krakow, 15–18 June 2014.

KOŁODZIEJCZYK K., KOWALSKI W.P. :Conducting numerical simulation of the process of sedimentation under static conditions. Polish Journal of Environmental Studies ; 2016 vol. 25 no. 5A, s. 42–47.

KOŁODZIEJCZYK K., BANAŚ M., WARZECHA P.: Flow modeling in a laboratory settling tank with optional counter-current or cross-current lamella. Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering ; ISSN 1734-8412. — 2012 vol. 53 iss. 1, s. 28–36.

KOŁODZIEJCZYK K.: Projektowanie osadnika wielostrumieniowego z zastosowaniem numerycznej symulacji przepływu — Designing multiflux settling tank by using a numerical simulation of flow. Przemysł Chemiczny ; ISSN 0033-2496. — 2017 t. 96 nr 8, s. 1687–1690.

Additional information:

None