Katalog_Wykladow_Doktoranckich_WMEL_2015
Transkrypt
Katalog_Wykladow_Doktoranckich_WMEL_2015
WYDZIAŁOWA OFERTA PRZEDMIOTÓW DLA STUDIÓW DOKTORANCKICH NA WYDZIALE MECHANICZNYM ENERGETYKI I LOTNICTWA POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ Warszawa, 2015 Przedstawiona w katalogu oferta przedmiotów dla studiów doktoranckich została przygotowana w ramach realizacji projektu „Program Rozwoju Dydaktycznego Wydziału Mechanicznego Energetyki i Lotnictwa Politechniki Warszawskiej”, finansowanego ze środków Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki. Przedstawiony zestaw kursów – aczkolwiek opracowany z myślą głównie o uczestnikach Studiów Doktoranckich prowadzonych na Wydziale MEiL – należy traktować jako element uczelnianej oferty zaawansowanych przedmiotów dla doktorantów przygotowujących się do pracy badawczej w dyscyplinach naukowych Mechanika, Budowa i Eksploatacja Maszyn, Automatyka i Robotyka i Energetyka. Wszystkie kursy mogą być prowadzone w języku polskim lub angielskim. Spis wykładów L.p. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Nazwa kursu ECTS Opis (str.) Prof. Andrzej Styczek 5 2 Prof. Janusz Frączek Dr. hab. inż. Jacek Szumbarski 5 5 5 8 Prof. Piotr Furmański 6 11 Prof. Janusz Narkiewicz 5 15 Prof. Jerzy Banaszek 5 18 Prof. Krzysztof Badyda 5 21 Dr hab. inż. Tomasz Wiśniewski 6 24 Prof. Tomasz Zagrajek 6 29 Dr hab. inż. Elżbieta Jarzębowska 5 32 5 36 5 39 5 42 5 45 Prof. Roman Domański 5 48 Prof. Piotr Wolański 5 52 Kierownik kursu Zaawansowane metody matematyczne w technice Modelowanie układów wieloczłonowych Teoria i modele Mechaniki Ośrodka Ciągłego Współczesne metody modelowania złożonych procesów wymiany ciepła Dynamika i sterowanie obiektami latającymi Zaawansowane modele i metody współczesnej termodynamiki Modelowanie matematyczne i symulacja komputerowa systemów energetyki rozproszonej Współczesne metody pomiarowe i techniki eksperymentalne w termomechanice Nieliniowa mechanika konstrukcji Metody optymalizacji i sterowania optymalnego w zagadnieniach technicznych Modelowanie spalania turbulentnego Zaawansowane metody CFD Modelowanie matematyczne i identyfikacja procesów w energetyce Zaawansowane technologie wodorowe Współczesne zagadnienia badawcze w zagadnieniach magazynowania energii Zaawansowane zagadnienia badawcze z napędach lotniczych i kosmicznych 1 Prof. Andrzej Teodorczyk Prof. Jacek Rokicki Prof. Janusz Lewandowski Prof. Andrzej Miller ZAAWANSOWANE METODY MATEMATYCZNE W TECHNICE 1. Osoba odpowiedzialna za przedmiot: Prof. dr hab. inż. ANDRZEJ STYCZEK Dr hab. inż. JACEK SZUMBARSKI Dr inż. Marta Poćwierz 2. Dyscyplina naukowa: Matematyka, Mechanika, Metody Komputerowe w Nauce. 3. Wymagania wstępne w zakresie wiedzy, umiejętności i innych kompetencji: Zakłada się, że doktorant posiada podstawową wiedzę i umiejętności wyniesione z kursów algebry, geometrii, analizy matematycznej (w tym analizy pól skalarnych i wektorowych) oraz równań różniczkowych zwyczajnych i cząstkowych prowadzonych na 1-ym i 2-gim stopniu studiów technicznych. 4. Cele kształcenia Prowadzenie działalności naukowo-badawczej w rozmaitych obszarach szeroko pojętej mechaniki i termodynamiki wymagającej więcej niż podstawowej wiedzy i umiejętności w takich dziedzinach matematycznych jak: algebra liniowa (w tym algebra tensorów i form wieloliniowych) analiza wektorowa i tensorowa wraz z niezbędnymi elementami geometrii różniczkowej elementy analizy funkcjonalnej, w tym teorii przestrzeni Banacha i Hilberta, uogólnionego rachunku różniczkowego oraz teorii aproksymacji teoria równań różniczkowych zwyczajnych z elementami teorii układów dynamicznych wybrane rozdziały teorii równań różniczkowych cząstkowych wraz z odpowiednim aparatem analizy funkcjonalnej elementy teorii procesów losowych (w szczególności procesów dyfuzyjnych i teorii stochastycznych równań różniczkowych). Podstawowym celem kursu „Zaawansowane Metody Matematyczne w Technice” (ZMMT) jest zapoznanie doktorantów z najważniejszymi pojęciami, twierdzeniami i zaawansowanymi technikami rachunkowymi wybranych działów współczesnej matematyki stosowanej w zagadnieniach modelowania obiektów, zjawisk i procesów w mechanice i termodynamice. 5. Efekty kształcenia (a) Wiedza [W1] doktorant posiada pogłębioną i uporządkowaną wiedzę nt. struktury pojęciowej, definicji i twierdzeń oraz technik rachunkowych w działach zaawansowanej matematyki stosowanej objętych zakresem kursu, [W2] doktorant zna metody zaawansowanego modelowania matematycznego obiektów, zjawisk i procesów mechanicznych i termodynamicznych, [W3] doktorant zna podstawy matematyczne wybranych metod obliczeniowych (MES, metody spektralne), [W4] doktorant posiada wiedzę umożliwiającą samodzielne zrozumienie i krytyczną analizę formalizmu matematycznego stosowanego w publikacjach naukowych w zakresie mechaniki i termodynamiki. 2 (b) Umiejętności [U1] doktorant potrafi dokonać właściwego doboru technik modelowania matematycznego zjawisk i procesów w szeroko pojętej termomechanice, [U2] doktorant posiada podstawowe umiejętności posługiwania się zaawansowanymi metodami matematycznymi do przewidywania przebiegu zjawisk i procesów oraz wyznaczania ich ilościowych charakterystyk, [U3] doktorant potrafi podać formalne (matematyczne) uzasadnienie wybranych metod obliczeniowych, [U4] doktorant potrafi dokonać krytycznej oceny trafności i poprawności narzędzi matematycznych zastosowanych do opisu i modelowania zjawisk, procesów i obiektów technicznych, [U5] doktorant posiada rozwinięte umiejętności samodzielnego korzystania z literatury naukowej. (c) Kompetencje społeczne [K1] doktorant rozumie potrzebę nieustannego samokształcenia w zakresie podstaw metod i matematycznych i technik obliczeniowych, ma świadomość konieczności rozwijania kultury ich stosowania w pracy naukowo-badawczej, [K2] doktorant potrafi pracować w zespole nad rozwiązaniem zagadnienia naukowego. 6. Szczegółowe treści programowe 1. Różniczkowalność w przestrzeni euklidesowej n-wymiarowej. Zamiana zmiennych, pojęcie mapy i jej Jakobian. Pochodne „termodynamiczne”. Forma Pfaffa, całkowanie formy. Twierdzenie Caratheodory’ego. 2. Geometria różniczkowa linii w przestrzeni euklidesowej dwu- i trójwymiarowej: styczna, wektory normalny i binormalny, wzory Freneta. Elementy geometrii różniczkowej powierzchni, współrzędne powierzchniowe, reper, całkowanie powierzchniowe. Pojęcie rozmaitości różniczkowej. Parkietyzacja, mapa i atlas.. Pole wektorowe i tensorowe, zmiana bazy i kobazy, funkcje tensorowe, pochodnia Liego, pochodna kowariantna. 3. Równania różniczkowe zwyczajne, istnienie i ciągłość rozwiązania względem danych początkowych. Równania drugiego rzędu. Współczynniki okresowe i teoria Floqueta. Zadanie Sturma-Liouville’a. Funkcje i wartości własne operatora różniczkowego. Rozwinięcie wg funkcji własnych, funkcje Greena. 4. Klasyczne rozwiązania r-nań różniczkowych cząstkowych 2-ego rzędu. Potencjały, sprowadzanie zagadnień brzegowych do równań całkowych, funkcje Greena. Wykorzystanie brzegowego równania całkowego. Redukcja obszaru nieograniczonego. 5. Przestrzenie Banacha i Hilberta. Uzupełnianie przestrzeni. Rozkład ortogonalny. Elementarne właściwości bazy (przestrzenie ośrodkowe). Funkcjonały, twierdzenie Riesza i twierdzenie Hahna-Banacha. Operator liniowy. Przestrzeń dualna i przestrzeń operatorów liniowych. Operatory ciągłe i zwarte. Równania w operatorem zwartym, alternatywa Fredholma. Elementy teorii spektralnej operatorów zwartych. Operatory normalne. 6. Operatory nieograniczone, operatory domknięte i własności spektralne. Operatory symetryczne i dodatnio określone. Twierdzenie Friedrichsa i Laxa-Milgrama. Rozszerzenie operatora i rozwiązania uogólnione. 7. Związek rozwiązania uogólnionego i klasycznego, twierdzenia Sobolewa. Metoda Ritza i metoda najmniejszych kwadratów. Rzutowanie i metoda Galerkina. Teoretyczne podstawy metody elementów skończonych. 8. Różniczkowanie funkcjonałów, pochodna Gatteaux i pochodnia Frecheta. Minimalizacja gradientowa. Linearyzacja i metoda Newtona w przestrzeni Banacha. Skala Hilberta. Iteracyjne rozwiązywanie równań różniczkowych cząstkowych. Twierdzenia o punkcie stałym. 3 9. Problemy dyssypatywne. Ustalanie w czasie, zasada kresu, dyskretyzacja wg czasu, kryteria zbieżności. Metody rozszczepienia operatora ewolucji, twierdzenie Lie-Trottera, metoda naprzemiennych kierunków. Potencjały cieplne. 10. Problemy hiperboliczne. Nieciągłości i ich propagacja. Zagadnienie Riemanna, zastosowania w gazodynamice. Dyskretyzacja, twierdzenia Godunowa. Potencjały dla równania falowego. Fale nieliniowe i solitony. 11. Równania wyższych rzędów. Metody wariacyjne. Potencjały sprężyste i stokesowskie. 12. Metody Monte Carlo w matematyce obliczeniowej. Dyfuzyjne procesy stochastyczne. Rachunek i równania różniczkowe Ito. Związki z dyfuzją. Zastosowania w teorii transportu neutronów (termicznych) i hydrodynamice (metody wirowe). 7. Narzędzia dydaktyczne Zajęcia audytoryjne (45 godzin): (a) Wykład w formie prezentacji elektronicznych (ok. 30 godzin) przeplatany z ćwiczeniami rachunkowymi (w formie tradycyjnej „kreda/tablica”) (ok. 11-12 godzin). (b) Seminarium poświęcone przygotowanym prezentacjom, dyskusja (ok. 3-4 godzin). Praca własna (szacowana na ok. 30 godzin): (a) Przygotowanie (w zespole) prezentacji typu konferencyjnego na wybrany temat. (b) Praca indywidulana nad rachunkowymi zadaniami domowymi. (c) Przygotowanie do kolokwium zaliczającego. 8. Punkty ECTS - 5 9. Zalecana literatura a) w języku polskim: [1] I.M. Gelfand: Wykłady z algebry liniowej. PWN, 1971. [2] K. Maurin: Analiza, tom 1. PWN [3] L. Schwartz: Kurs analizy matematycznej (w dwóch tomach). PWN, 1979. [4] W.I. Arnold: Równania różniczkowe zwyczajne. PWN, 1975. [5] K. Maurin: Metody przestrzeni Hilberta. PWN [6] W. Kołodziej: Wybrane rozdziały analizy matematycznej. PWN, 1982. [7] J. Oprea: Geometria różniczkowa i jej zastosowania. PWN, 2002 [8] L.C. Evans: Równania różniczkowe cząstkowe. PWN, 2002. (tłumaczenie 1-ego wydania) [9] Z.Shuss: Teoria i zastosowania stochastycznych równań różniczkowych. PWN, 1989. [10] K. Sobczyk: Stochastyczne równania różniczkowe. WNT, 1996. b) w języku angielskim: [11] Michel A.N., Herget Ch.J.: Applied Algebra and Functional Analysis. Dover Publications, Inc. New York, 1981. [12] Rektorys K.: Variational Methods in Mathematics, Science and Engineering, 2nd Ed. Reidel Publishing Company, 1980 (także Springer, w 2001 ukazał się dodruk), dostępna również w języku niemieckim i rosyjskim. [13] Renardy M., Rogers R.C.: An Introduction to Partial Differential Equations, 2nd Ed. Texts in Applied Mathematics Vol. 13. Springer, 2004. 4 MODELOWANIE UKŁADÓW WIELOCZŁONOWYCH 1. Osoba odpowiedzialna za przedmiot Dr hab. inż. Janusz Frączek, prof. nzw. 2. Dyscyplina naukowa: Mechanika, Automatyka i Robotyka 3. Wymagania wstępne w zakresie wiedzy, umiejętności i innych kompetencji Znajomość algebry, analizy matematycznej, mechaniki i technik komputerowych w zakresie wykładanym na studiach technicznych 1-ego i 2-ego stopnia. 4. Cele kształcenia 1. Zaznajomienie słuchaczy z zakresem zastosowań metody układów wieloczłonowych. 2. Szczegółowe przedstawienie zagadnień teoretycznych i numerycznych związanych z modelowaniem kinematyki i dynamiki przestrzennych układów mechanicznych. 3. Przygotowanie słuchaczy do samodzielnego formułowania i rozwiązywania zagadnień z dziedziny układów wieloczłonowych. 4. Prezentacja możliwości profesjonalnego oprogramowania inżynierskiego w zakresie obliczeń metodami układów wieloczłonowych. 5. Praktyczne wykorzystanie nabytej wiedzy i umiejętności – słuchacze przeprowadzą analizę złożonego układu mechanicznego z wykorzystaniem samodzielne napisanych procedur 5. Efekty kształcenia (a) Wiedza [W1] Ma ogólną wiedzę na temat zagadnień technicznych, w których znajduje zastosowanie metoda układów wieloczłonowych [W2] Ma uporządkowaną wiedzę na temat metod matematycznego opisu kinematyki układu członów w przestrzeni [W3] Ma szczegółową wiedzę w zakresie metod rozwiązywania zadań kinematyki [W4] Ma uporządkowaną wiedzę na temat sposobów matematycznego opisu dynamiki układu członów w przestrzeni [W5] Ma uporządkowaną wiedzę na temat metod rozwiązywania zadań dynamiki [W6] Ma uporządkowaną wiedzę na temat metod całkowania układów równań różniczkowoalgebraicznych [W7] Ma podstawową wiedzę na temat profesjonalnego oprogramowania umożliwiającego zautomatyzowaną analizę dynamiczną przestrzennych układów wieloczłonowych (b) Umiejętności [U1] Potrafi sformułować i zapisać zadania kinematyki układów skrępowanych więzami. [U2] Potrafi zapisać i zaprogramować algorytm automatycznej metody formułowania i rozwiązywania zadań kinematyki [U3] Potrafi sformułować i zapisać zadania dynamiki układów skrępowanych więzami. [U4] Potrafi zapisać i zaprogramować algorytm automatycznej metody formułowania i rozwiązywania zadań kinematyki [U5] Ma umiejętność podstawowej obsługi wybranego profesjonalnego pakietu do obliczeń inżynierskich układów wieloczłonowych 6. Szczegółowe treści programowe Na cykl zajęć składa się 15 dwugodzinnych wykładów. 5 Dla potrzeb pracy własnej, do dyspozycji słuchaczy oddana będzie pracownia komputerowa z dostępem do profesjonalnego oprogramowania inżynierskiego. Szacuje się, że wykonywane w ramach pracy własnej zadanie wymaga poświęcenia od 15 do 30 godzin. Wykład 1 Wykład 2 Wykład 3 Wykład 4 Wykład 5 Wykład 6 Wykład 7 Wykład 8 Wykład 9 Wykład 10 Wykład 11 Wykład 12 Wykład 13 Wykład 14 Wykład 15 Układy wieloczłonowe – informacje wstępne Rodzaje przeprowadzanych analiz Współrzędne wykorzystywane do opisu układów wieloczłonowych Przykłady zastosowań metod modelowania UW Podsumowanie przeglądu i plan dalszych wykładów Macierz kosinusów kierunkowych Kąty i parametry Eulera Pochodne macierzy kosinusów kierunkowych Położenie, prędkość i przyspieszenie członu sztywnego w przestrzeni Pary kinematyczne i równania więzów Określanie liczby stopni swobody Zagadnienia kinematyki Systematyczne układanie równań więzów Sformułowania zadań kinematyki Numeryczne rozwiązywanie zadań kinematyki Program do zautomatyzowanego rozwiązywania zadań kinematyki Położenia początkowe, więzy nadmiarowe i konfiguracje osobliwe Przestrzenny rozkład masy. Macierz bezwładności Pęd, kręt i energia kinetyczna członu Równania Newtona-Eulera Równania Lagrange’a z mnożnikami Różniczkowo-algebraiczne równania ruchu UW Reakcje więzów Systematyczne układanie równań ruchu UW Metody całkowania RRA: Sformułowania we współrzędnych zależnych Sformułowania we współrzędnych niezależnych (sformułowanie RRZ) Sformułowania z wykorzystaniem pseudoinwersji Program do zautomatyzowanego rozwiązywania zadań dynamiki Uwagi dotyczące modelowania tarcia Kinematyka płaskiego mechanizmu korbowo-wodzikowego w MATLAB-ie Kinematyka mechanizmu koparki w MATLAB-ie Modelowanie dynamiki robota w MATLAB-ie Modelowanie platformy Stewarta przy użyciu profesjonalnego pakietu do obliczeń UW Przykłady modelowania układów wieloczłonowych w praktyce przemysłowej Podsumowanie 7. Narzędzia dydaktyczne Wykład ma formę prezentacji elektronicznej. Ponadto słuchacze samodzielnie rozwiązują wybrane problemy z przygotowanego zestawu zadań. Do ich dyspozycji jest pracownia komputerowa z niezbędnym oprogramowaniem, a także skrypt [2] oraz zestaw instrukcji laboratoryjnych dotyczących zagadnień omawianych na wykładach 14 i 15. 8. Punkty ECTS - 5 6 9. Spis literatury podstawowej i uzupełniającej (podręczniki, monografie, tytułu czasopism naukowych wykorzystanych podczas kursu) [1] Frączek J., Wojtyra M.: Kinematyka układów wieloczłonowych. Metody obliczeniowe. WNT, str. 454 +CD, Warszawa 2008. [2] Wojtyra M., Frączek J.: Metoda układów wieloczłonowych w dynamice mechanizmów. Oficyna Wydawnicza PW, str.180+CD, Warszawa 2007 [3] E. J. Haug, Computer Aided Kinematics and Dynamics of Mechanical Systems, Allyn and Bacon, 1989. [4] J. Garcia de Jalon, E. Bayo, Kinematic and Dynamic Simulation of Multibody Systems: the Real-Time Challenge, Springer, 1994. [5] A.A.Shabana, Computational Continuum Mechanics, Cambridge University Press, 2008. [6] F. Amirouche, Fundamentals of Multibody Dynamics, Birkhauser, 2006. [7] P. E. Nikravesh, Planar Multibody Dynamics, CRC Press Inc., 2007. 7 TEORIA I MODELE MECHANIKI OŚRODKA CIĄGŁEGO 1. Osoba odpowiedzialna za przedmiot: Dr hab. inż. Jacek Szumbarski, prof. nzw. PW Dr inż. Paweł Borkowski 2. Dyscyplina naukowa: Matematyka, Mechanika. 3. Wymagania wstępne w zakresie wiedzy, umiejętności i innych kompetencji Zakłada się, że doktorant posiada podstawową wiedzę i umiejętności wyniesione z kursów algebry, geometrii, analizy matematycznej (w tym analizy pól skalarnych i wektorowych) oraz równań różniczkowych zwyczajnych i cząstkowych prowadzonych na 1-ym i 2-gim stopniu studiów technicznych. 4. Cele kształcenia Celem kursu jest przedstawienie podstaw pojęciowych, formalizmu matematycznego i wybranych modeli szczegółowych mechaniki i termodynamiki ośrodka ciągłego w sposób umożliwiający dalsze samokształcenie przy wykorzystaniu współczesnych podręczników, monografii i literatury naukowej. W kursie kładziony jest nacisk na przyswojenie aparatu pojęciowego, matematycznego oraz technik rachunkowych właściwych dla MOC, a także zrozumienie zasad ogólnych i ograniczeń związanych z formułowaniem szczegółowych modeli konstytutywnych. Uczestnicy kursu zostaną zapoznani również z wybranymi modelami reologicznymi cieczy i ciał odkształcalnych. 5. Efekty kształcenia (a) Wiedza [W1] Doktorant posiada usystematyzowaną i pogłębioną wiedzę z rachunku wektorowego i tensorowego, geometrii różniczkowej i analizy matematycznej w zakresie niezbędnym do zrozumienia podstaw opisu formalnego stosowanego w MOC [W2] Doktorant ma pogłębiona i usystematyzowaną wiedzę na temat kinematyki ośrodka ciągłego, w szczególności zna opis formalny wykorzystywany do opisu ruchu i deformacji tego ośrodka [W3] Doktorant zna podstawy fizyczne i opis formalny sił wewnętrznych i zewnętrznych w MOC [W4] Doktorant ma poszerzoną wiedzę nt. formułowania zasad zachowania dla ośrodka ciągłego oraz sposobów ich formalnego opisu [W5] Doktorant zna podstawowe wymagania stawiane modelom konstytutywnym, a także wybrane przykłady modeli szczegółowych stosowanych do opisu płynów i odkształcalnych ciał stałych. (b) Umiejętności [U1] Doktorant potrafi posługiwać się aparatem matematycznym rachunku wektorowego i tensorowego w zakresie niezbędnym dla operowania formalizmem matematycznym MOC [U2] Doktorant potrafi wyznaczać charakterystyki ilościowe ruchu i deformacji ośrodka ciągłego. [U3] Doktorant potrafi obliczyć wielkości charakteryzujące stan sił wewnętrznych w ośrodku ciągłym [U4] Doktorant potrafi wykorzystać twierdzenia analizy wektorowej/tensorowej oraz odpowiednie techniki rachunkowe do wyprowadzania całkowych i różniczkowych opisów zasad zachowania oraz ograniczeń termodynamicznych w MOC. [U5] Doktorant potrafi sformułować i objaśnić wymagania stawiane modelom konstytutywnym. [U6] Na podstawie podanej literatury naukowej doktorant potrafi przygotować samodzielne opracowanie szczegółowego zagadnienia z dziedziny MOC. 8 (c) Kompetencje społeczne: [K1] Doktorant ma świadomość konieczności nieustannego samokształcenia 6. Szczegółowe treści programowe A. Matematyczne podstawy mechaniki ośrodków ciągłych tj. algebra i analiza wektorów i tensorów wektory w przestrzeni euklidesowej, działania na wektorach, notacja indeksowa i konwencja sumacyjna, zapis indeksowy operacji wektorowych, symbole indeksowe Kroneckera i Levi-Civity przekształcenia liniowe w przestrzeni euklidesowej i tensory 2-ego rzędu mnożenie tensorowe wektorów i kowektorów, baza w przestrzeni liniowej tensorów 2-ego rzędu operacje algebraiczne na tensorach 2-ego rzędu, reprezentacja tensorów 2-ego rzędu w bazie, reguły transformacji reprezentacji przy zmianie bazy wartości i kierunki własne tensora 2-ego rzędu, niezmienniki, rozkład biegunowy tensora tensory czwartego rzędu: definicja, reprezentacja w bazie i własności rachunkowe. podstawowe operatory różniczkowe teorii pola i ich reprezentacja w różnych układach współrzędnych użyteczne tożsamości operatorowe i ich dowodzenie przy pomocy rachunku indeksowego Twierdzenia Gaussa (wariant dla pól wektorowych i tensorowych) i Stokesa B. Kinematyka ośrodka ciągłego pojęcie ruchu i deformacji OC, miary deformacji (gradient deformacji, tensor Cauchy’ego-Greeena) i ich interpretacje tensor małych deformacji, jego rozkład na cześć antysymetryczną, sferyczną i dewiatorową, interpretacja ruch ośrodka ciągłego: podejście materialne (Lagrange’a) i polowe (Eulera), pole prędkości i przyspieszeń. tensory tempa deformacji i obrotu, wirowość, zachowanie objętości reguły różniczkowania po czasie wielkości zdefiniowanych przez całki po zmiennych w czasie obszarach, powierzchniach i liniach. Twierdzenie Reynoldsa o transporcie. C. Siły w mechanice ośrodka ciągłego opis sił wewnętrznych, tensor naprężeń i jego rozkład. naprężenia styczne i normalne, ciśnienie i ślad tensora naprężeń, główne kierunki naprężeń. siły objętościowe, ich opis i przykłady. statyka OC: ogólne warunki równowagi sił i momentów, różniczkowa forma równania równowagi. D. Podstawy dynamiki i termodynamiki ośrodka ciągłego zasady zmienności pędu i krętu w formie całkowej różniczkowe równania ruchu ogólnego OC, symetria tensora naprężeń a niezależność zasady zmienności krętu. pierwsza zasada termodynamiki dla ogólnego OC w formie całkowej i różniczkowej. bilans energii mechanicznej i wewnętrznej, dyssypacja energii. druga zasada termodynamiki w zastosowaniu do OC, nierówność Clasiusa-Duhema. E. Wybrane modele konstytutywne w mechanice OC. ogólne zasady konstrukcji modeli konstytutywnych, postulaty determinizmu i inwariantności. modele uogólnionego płynu newtonowskiego i przykład zastosowania (modele reologiczne krwi) nienewtonowskie modele płynu i przykłady zastosowań model ciała sprężystego, równia elastodynamiki, małe odkształcenia i linearyzacja. 9 modele ciał lepko sprężystego i przykłady zastosowań wybranych zagadnień z mechaniki 7. Narzędzia dydaktyczne Wykład z wykorzystaniem prezentacji elektronicznych (ok. 24 godzin lekcyjnych) Ćwiczenia rachunkowe (ok. 6 godzin lekcyjnych) Praca samodzielna: opracowanie na podstawie zadanej literatury prezentacji (miniwykładu) nt. szczegółowego zagadnienia z MOC (ok. 25-30 godzin). 8. Punkty ECTS - 5 9. Literatura pomocnicza [1] Cz. Rymarz: Mechanika ośrodków ciągłych. PWN, Warszawa 1993. [2] O. Gonzales, A.M. Stuart: A First Course in Continuum Mechanics. Cambridge University Press, 2008. [3] R.M. Temam, A.M. Miranville: Mathematical modeling in Continuum Mechanics, 2nd Ed. Cambridge University Press, 2005. [4] E.B. Tadmor, R.E. Miller, R.S. Elliot: Continuum Mechanics and Thermodynamics. From Fundamental Concepts to Governing Equations. Cambridge University Press, 2012. [5] S. Nair: Introduction to Continuum Mechanics. Cambridge University Press, 2009. [6] J.L. Wegner, J.B. Haddow: Elements of Continuum Mechanics and Thermodynamics. Cambridge University Press, 2009. [7] G.T. Mase, G.E. Mase, R.M. Smelser: Continuum Mechanics for Engineers, 3rd Ed. CRS Press, 2010. 10 WSPÓŁCZESNE METODY MODELOWANIA ZŁOŻONYCH PROCESÓW WYMIANY CIEPŁA 1. Osoba odpowiedzialna za przedmiot Prof. dr hab. inż. Piotr Furmański 2. Dyscyplina naukowa: Energetyka, Budowa i Eksploatacja Maszyn, Mechanika, Inżynieria Chemiczna, Inżynieria Materiałowa, Inżynieria Środowiska, Budownictwo 3. Wymagania wstępne w zakresie wiedzy, umiejętności i innych kompetencji Uczestnik kursu powinien posiadać podstawową wiedzę z termodynamiki, wymiany ciepła, mechaniki płynów, fizyki w zakresie promieniowania elektromagnetycznego, matematyki w zakresie równań różniczkowych i całkowych oraz zastosowań metod numerycznych stosowanych do rozwiązywania tych równań. Powinien mieć również umiejętność rozwiązywania podstawowych problemów wymiany ciepła w zakresie przewodzenia ciepła, przejmowania ciepła i promieniowania jak również z mechaniki płynów. 4. Cele kształcenia Celem kształcenia jest zapoznanie uczestników kursu z opisem matematycznym procesów wymiany ciepło odgrywających bardzo istotna rolę w nowoczesnych procesach technologicznych, energetyce klasycznej, jądrowej i bazującej na wykorzystaniu odnawialnych źródeł energii, elektronice, budownictwie oraz kontroli tych procesów w celu podniesienia efektywności przemian energetycznych. Cel stanowi również zapoznanie metod modelowania, stosowanych uproszeń modeli i symulacji numerycznej złożonych procesów wymiany ciepła. W szczególności celem kursu jest zapoznanie jego uczestników z: opisem procesów wymiany ciepła na drodze promieniowania a zwłaszcza oddziaływania promieniowania cieplnego wewnątrz i na powierzchni ośrodków z innymi sposobami transportu energii jak również z metodami rozwiązywania zagadnień, w których występuje oddziaływanie promieniowania z substancja ośrodka, modelowaniem przemian fazowych a zwłaszcza przemian związanych ze zmianą stanu skupienia ciecz-ciało stałe oraz sposobami numerycznego rozwiązywania zagadnień wymiany ciepła, w których występują tego typu przemiany, wpływem przemian fazowych na intensyfikację przepływu ciepła oraz wykorzystanie ich do akumulacji energii i stabilizacji temperatury, modelowaniem procesów przepływu płynów i wymianą ciepła w zawiesinach i ośrodkach porowatych znajdujących szerokie zastosowania w przemyśle, opisem osobliwości procesów wymiany ciepła w mikroskali występujących mikrourządzeniach i mikroprzyrządach oraz gdy nie spełnione są warunki opisu procesów wymiany ciepła przy wykorzystaniu ośrodka ciągłego, opisem przepływu i wymiany ciepła w ośrodkach wielofazowych na przykładzie ośrodków dwufazowych występujących w urządzeniach technicznych, w których mogą występować procesy zmiany fazy, opisem procesów wymiany ciepła związanych z ochroną cieplną budynków i minimalizacją wpływu otoczenia na warunki panujące wewnątrz pomieszczeń, modelowaniem zagadnień odwrotnych w wymianie ciepła wykorzystywanych przy wyznaczaniu szeregu parametrów cieplnych w zagadnieniach praktycznych wymiany ciepła. 11 5. Efekty kształcenia (a) Wiedza [W1] Znajomość sposobu opisu procesów związanych z przepływem energii na drodze promieniowania w ośrodkach, wymiany energii między różnymi sposobami wymiany ciepła z uwzględnieniem kierunkowego rozchodzenia się promieniowania i jego spektralnego charakteru [W2] Znajomość opisu matematycznego procesu przemian fazowych krzepnięcia-topnienia i ich wykorzystania w różnych zastosowaniach [W3] Znajomość formy opisu procesów transportu masy, pędu i energii w zawiesinach i ośrodkach porowatych związanych ze złożonością struktury tych ośrodków [W4] Znajomość sposobu modelowania zagadnień wymiany ciepła w mikroskali oraz cech szczególnych tego opisu odmiennych od opisu procesu wymiany ciepła w ośrodku ciągłym [W5] Znajomość sposobu modelowania złożonej struktury ośrodków dwufazowych oraz opisu wymiany masy pędu i energii w tych przepływach, w których dochodzi do zmian udziałów objętościowych faz [W6] Znajomość metod modelowania procesów przepływu ciepła przez nieprzeźroczyste i przeźroczyste przegrody budowlane o złożonej strukturze wewnętrznej z uwzględnieniem oddziaływania cieplnego otoczenia na te procesy i komfort cieplny pomieszczeń [W7] Znajomość metod formułowania i rozwiązywania zagadnień odwrotnych wymiany ciepła istotnych w zastosowaniach praktycznych (b) Umiejętności [U1] Umiejętność modelowania procesów wymiany ciepła na drodze promieniowania zarówno w przypadku powierzchniowego jak i objętościowego oddziaływania promieniowania z ośrodkami oraz zastosowania metod rozwiązywania zagadnień, w których występuje promieniowanie cieplne [U2] Uwzględniania efektów przemian krzepnięcia i topnienia w opisem procesów wymiany ciepła [U3] Umiejętność zastosowania modelu ośrodka efektywnego do analizy procesów przepływu płynów i wymiany ciepła dla zawiesin i ośrodków porowatych [U4] Umiejętność rozumienia osobliwości wymiany ciepła w mikroskali oraz jej matematycznego opisu [U5] Umiejętność zastosowania modeli wykorzystywanych do określenia spadków ciśnienia, zmian temperatury i objętości faz podczas przepływu płynów dwufazowych przez przewody [U6] Umiejętność modelowania procesów przepływu ciepła przez nieprzeźroczyste i przeźroczyste przegrody budowlane z uwzględnieniem stanów nieustalonych, występowania złożonych procesów wymiany ciepła i akumulacji energii w tych przegrodach [U7] Umiejętność zastosowania metod numerycznych do rozwiązywania zagadnień odwrotnych z wymiany ciepła 6. Szczegółowe treści programowe Temat Opis tematu Promieniowanie cieplne w ośrodkach półprzeźroczystych, emitujących, pochłaniających i anizotropowo rozpraszających promieniowanie Opis zjawisk wymiany ciepła na drodze promieniowania wewnątrz ośrodków i na ich granicy. Intensywność promieniowania. Równanie transportu promieniowania. Związki na intensywność na granicy dwóch ośrodków o różnych współczynnikach załamania. Związek między intensywnością promieniowania a radiacyjnym strumieniem cieplnym. Przybliżenie dyfuzyjne i ośrodka przeźroczystego na promieniowanie. Metody rozwiązania równania transportu promieniowania: S-N, P-N, Finite Volume Method, metoda 12 Czas trwania zajęć W – godz C – godz 8 4 Czas pracy własnej 36 promieni, metoda Monte Carlo. Metody wyznaczania właściwości optycznych ośrodków i ich zależność od długości fali promieniowania: przybliżenie wąskich i szerokich pasm. Zastosowanie obliczeń równoległych w rozwiązywaniu zagadnień promieniowania cieplnego .Jednoczesna wymiana ciepła na drodze promieniowania cieplnego, konwekcji i przewodzenia ciepła. Przykłady zastosowań: atmosfera, izolacje cieplne o małej gęstości, promieniowanie płomienia, itp. Związki między promieniowaniem a turbulencją w procesach spalania. Promieniowanie cieplne a oświetlenie obiektów. Wymiana ciepła procesach zmiany fazy w Wymiana ciepła w zawiesinach i ośrodkach porowatych Wymiana mikroskali ciepła Wymiana ciepła w przepływach dwufazowych z wymianą ciepła w W – godz C – godz 6 Opis matematyczny wymiany ciepła przy przepływie zawiesin oraz płynów w ośrodkach porowatych. Równowaga termodynamiczna w w zawiesinach i ośrodkach porowatych. Zjawisko dyspersji. Równanie pędu zawierające człony Darcy i Brinkmana. Warunki brzegowe na granicy płynu i ośrodka porowatego. Symulacja numeryczna wymiany ciepłą w zawiesinach (modele Eulera i Lagrange’a). Równanie filtracji. Przykłady zastosowań modelowania wymiany ciepła w zawiesinach i ośrodkach porowatych: Przepływy z wymianą ciepła w zbiornikach geotermicznych i w gruncie, rury cieplne, konwersja promieniowania słonecznego w objętościowymi absorberami, palniki porowate, itp. Zastosowanie zawiesin i ośrodków porowatych w zwiększeniu intensywności wymiany ciepła. W – godz 6 18 Nośniki energii w ciałach stałych i płynach. Droga swobodna nośników. Efekty braku równowagi termodynamicznej(MJ). Zjawisko pamięci cieplnej. Modelowanie zjawisk falowych w przepływie ciepła – hiperboliczne równanie przewodzenia ciepła. Wymiana ciepła przy występowaniu nieciągłości prędkości i pola temperatury na granicy ośrodkach, przepływy swobodno-molekularne. Sposoby modelowania wymiany ciepła, gdy droga swobodna nośników jest porównywalna z wymiarami ciała. Zastosowania modelowania wymiany ciepła w mikroskali w zagadnieniach mikro- i nano-struktur, zawiesin z nanocząsteczkami, inteligentnych izolacji cieplnych, materiałów kompozytowych z nanowtrąceniami. W – godz 4 12 W – godz C – godz 4 15 Sposoby uwzględniania wydzielania ciepła przemiany fazowej w równaniach przepływu energii. Metody symulacji numerycznej przemian fazowych. Metoda uwzględnienia histerezy krzywej entalpii w funkcji temperatury w czasie topnienia i zestalania. Wpływ przemian fazowych na intensywność wymiany ciepła. Przykłady zastosowań modelowania przemian fazowych: oszranianie powierzchni wymiany ciepła w chłodnictwie, obladzanie powierzchni samolotów i łopat turbin wiatrowych, zastosowania akumulacji energii w przemianach fazowych. Modelowanie pracy układów stabilizujących temperaturę wykorzystujących materiały zmiennofazowe. Opis matematyczny przepływu dwufazowego. Mapy struktur przepływu i ich wyznaczanie. Modelowanie zmian udziału objętościowego faz, spadków ciśnienia w przepływie i wymiany ciepła przy różnych typach struktur. Dwufazowe przepływy krytyczne. Zastosowania modelowania w wytwornicach pary, wypływu mieszaniny dwufazowej z 13 24 2 1 otworów geotermalnych, itp. Wymiana ciepła przy ochronie cieplnej budynków Zagadnienia odwrotne wymiany ciepła Przepływ ciepła przez przegrody nieprzeźroczyste i przeźroczyste. Metody modelowania wpływu zmian otoczenia na przepływ ciepła przez przegrody budowlane. Metody ograniczenia wymiany ciepła przy uwzględnieniu izolacji transparentnych, izolacji dynamicznych i przemian fazowych w przegrodach. Metody symulacji numerycznej stanów nieustalonej wymiany ciepła w budynkach i zagadnienie ich stabilności cieplnej. Kategoryzacja: wyznaczanie właściwości cieplnych, warunków brzegowych, warunku początkowego, miejsca występowania źródeł ciepła, geometrii obiektu , w którym występuje wymiana ciepła. Współczynniki wrażliwości. Metody rozwiązywania zagadnień odwrotnych wymiany ciepła: oszacowania parametrów (parameter estimation), oszacowania funkcji (function estimation), regularyzacji (Tichonow regularization, iterative procedures, selfregularization). Kryteria spełniane przez metody rozwiązywania zagadnień odwrotnych. Techniki gradientowe i nie gradientowe. W – godz 4 12 W – godz C – godz 4 18 2 7. Narzędzia dydaktyczne prezentacje elektroniczne, autorski skrypt, zestawy problemów do samodzielnego rozwiązania, materiały w Internecie 8. Punkty ECTS - 6 9. Spis literatury podstawowej i uzupełniającej (podręczniki, monografie, tytułu czasopism naukowych wykorzystanych podczas kursu) (a) Podręczniki i monografie” Modest M.F., “ Radiative Heat Transfer”, McGraw-Hill Inc. 1993 Kaviany M., „Principles of heat transfer in porous media”, Springer 1995 Nield D.A., Bejan A., “Convection in porous media”, Springer 1999 Siegel R., Howell J.R., “Thermal radiation heat transfer, Hemisphere Publishing Corporation 1992 (b) Czasopisma: Journal of Heat Transfer, Transactions of ASME International Journal of Heat and Mass Transfer Journal of Heat and Mass Transfer, Springer Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer Numerical Heat Transfer Journal of Thermophysics and Heat Transfer 14 DYNAMIKA I STEROWANIE OBIEKTAMI LATAJĄCYMI 1. Osoba odpowiedzialna za przedmiot Prof. dr hab. inż. Janusz Narkiewicz 2. Dyscyplina naukowa: Mechanika, Budowa i eksploatacja maszyn, Automatyka i Robotyka 3. Wymagania wstępne w zakresie wiedzy, umiejętności i innych kompetencji Wiedza na poziomie studiów magisterskich z: analizy matematycznej, mechaniki ogólnej, podstaw teorii sterowania; wiedza na poziomie studiów inżynierskich z zakresu aerodynamiki. Umiejętność programowania w dowolnym języku na poziomie podstawowym (preferowany MatLab / Simulink). 4. Cele kształcenia 1. Zapoznanie słuchaczy z metodami modelowania i analizy ruchu sterowanych obiektów latających wykorzystywanymi współcześnie w analizie i syntezie (projektowaniu) statków powietrznych. 2. Przedstawienie i nauczenie słuchaczy metodyki tworzenia i wykorzystania modeli obiektów latających, która obejmuje przyjęcie założeń dotyczących poziomu (szczegółowości) modelowania, wybór obciążeń działających na obiekt i modeli ich opisu, metody wyprowadzania równań ruchu obiektu i układu sterowania, metody analizy własności rozwiązań, interpretacja ich wyników, związek modelowania z badaniami w locie, oraz planowanie eksperymentu identyfikacyjnego dla parametrów modelu. 3. Zapoznanie słuchaczy ze współczesnym oprogramowaniem projektowym na przykładzie środowiska FLIGHTLAB umożliwiającym modułowe tworzenie modelu, analizę postaci jego ruchu, przebiegów w czasie, odpowiedzi na sterowanie itp. (www. flightlab.com) 5. Efekty kształcenia (a) Wiedza W1 W2 W3 W4 W5 W6 W7 W8 Zna podstawowe cechy różnych typów obiektów latających mające wpływ na ich dynamikę i sterowanie. Zna rodzaje obciążeń działających na obiekty latające i podstawy ich modelowania. Zna metody tworzenia matematycznych modeli obiektów latających oraz ich uproszczeń na poziomie modelowania fizycznego i matematycznego. Zna metody jakościowej analizy rozwiązań równań ruchu obiektów latających i ich elementów dla modeli matematycznych liniowych stacjonarnych, liniowych okresowych i nieliniowych. Zna podstawy fizyczne, realizacje techniczne i sposoby modelowania układów sterowania obiektów latających. Zna metody analizy oraz podstawy projektowania układów automatycznego sterowania lotem. Zna metody oceny jakościowej i ilościowej własności lotnych i pilotażowych statków powietrznych. Ma podstawową wiedzę w zakresie badań w locie statków powietrznych oraz weryfikacji i identyfikacji modeli matematycznych na podstawie wyników tych badań. 15 (b) Umiejętności U1 U2 U3 U4 Umie budować modele fizyczne, matematyczne i symulacyjne obiektów latających różnych typów (stałopłaty, wiropłaty, inne konfiguracje) na różnych poziomach modelowania: architektury, funkcjonalności i działania. Umie dokonać analizy jakościowej i ilościowej modeli matematycznych liniowych stacjonarnych, okresowych i nieliniowych oraz zinterpretować uzyskane wyniki dla sterowanych obiektów latających. Umie zaplanować eksperyment dla uzyskania danych do identyfikacji parametrów modelu symulacyjnego. Umie ocenić wpływ na własności dynamiczne, sterowanie oraz własności lotne obiektu latającego zmiany paramentów obiektu, warunków otoczenia, informacji docierających do pilota. 6. Szczegółowe treści programowe Każde zajęcia 2 x 45 min. Dodatkowo, sprawdzenie wiedzy w formie kolokwiów 2x45 min. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. Omówienie celów dydaktycznych i treści wykładu. Przegląd obiektów latających (stałopłaty, wiropłaty, niekonwencjonalne); ich konfiguracje i klasyfikacja. Różnice i podobieństwa. Modele matematyczne ruchu obiektów latających. Cele modelowania. Metody analizy ilościowej i jakościowej modeli liniowych stacjonarnych, liniowych okresowych i nieliniowych. Przegląd metod matematycznych wyprowadzania równań ruchu sterowanych obiektów latających. Obciążenia działające na obiekty latające. Ich modelowanie na poziomie architektury, funkcji i działania układu. Przyjmowane założenia i uproszczenia. Metody i układy sterowania obiektów latających. Źródła informacji dla układów sterowania. Modelowanie czujników dostarczających informacje. Ćwiczenia: Ilustracja modelowania modułowego obiektów latających w oprogramowaniu FLIGHTLAB. Równania ruchu obiektów swobodnych. Modele obiektów nieodkształcalnych. Modele odkształcalnych obiektów latających. Spójność założeń dla modeli określonych poziomów. Ćwiczenia: Opracowanie modelu wybranego statku powietrznego. Algorytm i program symulacyjny. Wykorzystanie modelu w symulatorze lotu ZAiOL. Ilościowa i jakościowa analiza ruchu przykładowych modeli statków powietrznych. A) Liniowy stacjonarny model samolotu i śmigłowca. Postacie ruchu, interpretacja wartości i postaci własnych. B) Liniowy okresowy model wirnika śmigłowca. Analiza wykładników Floqueta. C) Nieliniowy model niekonwencjonalnego statku powietrznego. Analiza ruchu w oparciu o metody bifurkacji i badanie stateczności drugą metodą Lapunowa. Upraszczanie modeli na poziomie modelowania fizycznego i matematycznego. Linearyzacja równań ruchu. Budowa układów automatycznego sterowania. Uwzględnienie dynamiki układów sterowania w modelu ruchu obiektu latającego. Metody sterowania dla modeli liniowych obiektów latających. Metody sterowania dla modeli nieliniowych. Ćwiczenia: Opracowanie prostego układu autopilota dla modelu zbudowanego w pt. 8. Sterowność i własności lotne obiektów latających Obiektywne i subiektywne kryteria oceny sterowności. Ocena własności pilotażowych statków powietrznych. Oscylacje indukowane przez pilota. Metodyka badań w locie. Metody identyfikacji parametrów dla modeli matematycznych statków powietrznych. Ćwiczenia: Plan badań eksperymentalnych w locie dla identyfikacji wybranych parametrów własnego modelu statku powietrznego. 16 Czas pracy własnej zależy od przygotowania doktoranta w zakresie przedmiotów podstawowych. Od 60 do 120 godz. 7. Narzędzia dydaktyczne Prezentacje komputerowe (zamieszczone w internecie). Oprogramowanie Matlab/Simulink Instrukcje do ćwiczeń 8. Punkty ECTS - 5 9. Spis literatury podstawowej i uzupełniającej (podręczniki, monografie, tytułu czasopism naukowych wykorzystanych podczas kursu) 1. Bramwell A. R. S., Done G., Balmford D., „Bramwell’s Helicopter Dynamics”, ButterworthHeinemann, 2001 2. Cook, M., V. “Flight dynamics principles, 2nd edition-reprinted”, Amsterdam, Elsevier, 2008. 3. Filippone, Antonio. “Flight performance of fixed and rotary wing aircraft”, Amsterdam, Elsevier, 2006 4. Johnson W., Rotorcraft Aeromechanics", Cambridge University Press, 2013, 5. MacLean, D., “Automatic flight control systems”, New York, Prentice Hall, 1990. 6. Żugaj M., "Układy automatycznego sterowania lotem". Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, 2011 17 ZAAWANSOWANE MODELE I METODY WSPÓŁCZESNEJ TERMODYNAMIKI. 1. Osoba odpowiedzialna za przedmiot: Prof. dr hab. inż. Jerzy Banaszek 2. Dyscyplina naukowa: Energetyka, Budowa i Eksploatacja Maszyn, Mechanika, Inżynieria Chemiczna, Inżynieria Materiałowa, Inżynieria Środowiska 3. Wymagania wstępne w zakresie wiedzy, umiejętności i innych kompetencji: Uczestnik kursu powinien posiadać podstawową wiedzę z termodynamiki, wymiany ciepła, mechaniki płynów, matematyki w zakresie równań różniczkowych cząstkowych i metod statystycznych opisu procesów fizycznych Powinien mieć również umiejętność rozwiązywania podstawowych problemów z zakresu bilansów energetycznych w procesach transportu energii w maszynach cieplnych. 4. Cele kształcenia Celem kształcenia jest zapoznanie uczestników kursu z wykorzystaniem zasad termodynamiki do opisu złożonych zjawisk występujących w przyrodzie i technice związanych z przemianami energetycznymi, w tym w szczególności zachodzącymi w ośrodkach wieloskładnikowych i wielofazowych. Cel stanowi również zapoznanie doktorantów z aparatem matematycznym współczesnej termodynamiki służącym opisowi procesów wykorzystujących różne formy energii, w tym pochodzącej ze źródeł odnawialnych, oraz z termodynamiczną optymalizacją tych procesów. W szczególności celem kursu jest zapoznanie jego uczestników z: 1) wykorzystaniem II Zasady Termodynamiki i pojęcia źródła entropii do optymalizacji termodynamicznej procesów konwersji i transportu energii oraz z ich zastosowaniem w projektowaniu wymienników ciepła i izolacji cieplnych oraz optymalizacji procesów spalania, i akumulacji energii; 2) termodynamicznym opisem przemian energetycznych w układach wieloskładnikowych wytwarzających energię użyteczną w tym w szczególności z modelowaniem konwersji energii w ogniwach paliwowych i galwanicznych oraz procesu osmozy w wodach o różnym zasoleniu; 3) analizą energetyczną termochemicznej konwersji energii promieniowania cieplnego (TCEC) w reaktorze chemicznym i fotosyntezy w produkcji biopaliw; 4) analizą egzergetyczną i optymalizacją termoekonomiczną procesów konwersji energii w tym energii promieniowania słonecznego występujących w układach energetyki konwencjonalnej i opartej na wykorzystaniu odnawialnych źródeł energii oraz w układach chłodniczych; 5) zagadnieniami stabilności przemian termodynamicznych i stanu krytycznego substancji 6) podstawami termodynamiki przemian i powierzchni międzyfazowych oraz ich stabilności, w tym zagadnieniami wytwarzania kropel i złożonych struktur przy wytwarzaniu nowych materiałów konstrukcyjnych; 7) podstawami przemian termodynamicznych w polach elektrycznych i magnetycznych, w tym zjawisk termoelektrycznych i ich zastosowań w generacji energii elektrycznej, pompach ciepła i chłodziarkach; 8) podstawami statystycznego opisu przemian termodynamicznych, opartego na rozkładach Boltzmanna, Maxwella-Boltzmanna i Fermi-Diraca, oraz ich zastosowaniami w analizie pracy ogniw fotowoltaicznych i symulacji numerycznej procesów na bazie gazu sieciowego Boltzmanna. 5. Efekty kształcenia (a) Wiedza 18 [W1] Znajomość opisu nieodwracalności procesów konwersji i transportu energii na podstawie II Zasady Termodynamiki i pojęcia źródła entropii. [W2] Znajomość pojęć, zasad i aparatu współczesnej termodynamiki w analizie zachowania, równowagi i stabilności wieloskładnikowych układów jedno- i wielofazowych. [W3] Znajomość zasad termodynamiki w opisie przemian fazowych w układach jedno i wieloskładnikowych oraz równowagi na granicy fazowej i stabilności powierzchni międzyfazowej. [W4] Znajomość metod optymalizacji termoekonomiczna procesów konwersji i transportu energii opartych na analize egzergetycznej. [W5] Znajomość termodynamicznego opisu procesów konwersji energii w zewnętrznych polach magnetycznym i elektrycznym. [W6] Znajomość podstaw metod statystycznego opisu zjawisk makroskopowych na podstawie własności indywidualnych molekuł, zrozumienie definicji wielkości termodynamicznych i praw termodynamiki fenomenologicznej w oparciu o prawa mechaniki kwantowej. (b) Umiejętności [U1] Umiejętność zapisu bilansów energii i entropii oraz analizy optymalizacyjnej pod kątem minimimalizacji strat energetycznych w wymiennikach ciepła, izolacjach termicznych oraz w procesach spalania i akumulacji energii. [U2] Umiejętność zastosowania praw zachowania i zasad w reakcjach chemicznych zachodzących w ogniwach paliwowych i galwanicznych oraz w termomechanicznej konwersji energii promieniowania słonecznego w reaktorach chemicznych i biopaliwach. [U3] Umiejętność zastosowania termodynamicznego opisu przemian fazowych ciecz-para i ciecz-ciało stałe w analizie równowagi na granicy fazowej i stabilności powierzchni międzyfazowej [U4] Umiejętność przeprowadzenia optymalizacji termoekonomicznej procesów konwersji energii na bazie analizy egzergetycznej. [U5] Umiejętność zastosowania zasad termodynamiki w zjawiskach termoelektrycznych w celu optymalizacji pracy termoelektrycznych generatorów prądu, pomp ciepła i chłodziarek. [U6] Umiejętność zastosowania podstawowego aparatu matematycznego termodynamiki statystycznej w celu pogłębienia wiedzy o procesach w skali pojedynczych molekuł i ich związku z opisem makroskopowym. 6. Szczegółowe treści programowe Temat Opis tematu Bilanse energii i entropii w zapisie polowym Źródło entropii i jego związek z II Zasadą Termodynamiki. Produkcja entropii w reakcjach chemicznych. Zastosowanie entropii w określaniu cech właściwości fizycznych. Optymalizacja termodynamiczna procesów oparta na minimalizacji źródła entropii. Zastosowania w projektowaniu wymienników ciepła, izolacjach cieplnych, procesach spalania, procesach akumulacji energii. Termodynamika procesów konwersji energii w układach wieloskładnikowych z reakcjami chemicznymi Równowaga termodynamiczna i stabilność układów jednofazowych, relacje Maxwella. Termodynamika układów wieloskładnikowych z reakcjami chemicznymi – prawa zachowania, równowaga chemiczna, warunki równowagi. Zjawisko osmozy. Wykorzystanie reakcji chemicznych i osmozy do wytwarzania użytecznej energii elektrycznej: ogniwa paliwowe, ogniwa galwaniczne i wykorzystanie różnic zasolenia wód do produkcji energii elektrycznej. Termochemiczna konwersja energii promieniowania słonecznego w reaktorach chemicznych i biopaliwach. 19 Czas trwania zajęć Czas pracy własnej W – godz C – godz 6 3 27 W – godz 6 18 Termodynamika przemian fazowych i powierzchni rozdziału faz. Analiza egzergetyczna złożonych procesów w układach wieloskładnikowych. Zagadnienia stabilności przemian termodynamicznych i stanu krytycznego substancji. Termodynamika zjawisk w zewnętrznych polach elektro-magnetycznych. Elementy termodynamiki statystycznej. Równowaga termodynamiczna i stabilność w układach jednoskładnikowym dwufazowym i wieloskładnikowym wielofazowym. Diagramy fazowe. Równowaga na granicy fazowej i stabilność powierzchni międzyfazowej. Napięcie powierzchniowe. Powstawanie kropel cieczy oraz złożonych struktur dendrytycznych przy wytwarzaniu nowych materiałów konstrukcyjnych. Egzergia. Związek między egzergia a ekonomią. Optymalizacja termoekonomiczna procesów konwersji energii. Egzergia promieniowania słonecznego. Zastosowania egzergii w analizie złożonych układów związanych z energetyką konwencjonalną i opartą na wykorzystaniu odnawialnych źródeł energii oraz w chłodnictwie. Przejścia fazowe II rzędu, w których przemiana fazowa odbywa się bez efektów cieplnych. Opis matematyczny. Przykłady: powstanie dwóch faz poniżej punktu krytycznego w przemianach ciecz-gaz, nadciekłość helu-4 poniżej punktu lambda, spontaniczna magnetyzacja ferromagnetyków, spontaniczne rozdzielenie składników mieszaniny dwóch płynów powyżej pewnej temperatury lub w stopach dwuskładnikowych rozdzielenie faz poniżej temperatury "order-disorder transition". Zasady termodynamiki w polach elektrycznym i magnetycznym. Zjawiska termoelektryczne i ich zastosowanie przy generacji energii elektrycznej, pompach ciepła i chłodnictwie Rozkłady Boltzmanna, Maxwella-Boltzmanna i Fermi-Diraca. Zastosowania w ogniwach fotowoltaicznych. Równania Boltzmanna. Metoda gazu sieciowego Boltzmanna w symulacji numerycznej procesów. W – godz 6 W – godz 6 C – godz 2 W – godz 4 W – godz 4 W – godz C – godz 6 18 24 12 12 24 2 7. Narzędzia dydaktyczne Prezentacje elektroniczne, w Internecie. zestawy problemów do samodzielnego rozwiązania, materiały 8.Punkty ECTS - 6 9. Spis literatury podstawowej i uzupełniającej (a) Podręczniki i monografie [1] Ralph Baierlein, “Thermal Physics”, 1999, Cambridge University Press ,Chapter 7, 10, 11, 12, 16 [2] Adrian Bejan, “Advanced Engineering Thermodynamics”, 1988, John Wiley & Sons [3] Hans-Jürgen Butt, Karlheinz Graf, Michael Kappl, „Physics and Chemistry of Interfaces”, 2003, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KgaA,: Chapter 3: Thermodynamics of Interfaces. [4] Jan Szargut, David R. Morris, Frank R. Steward, “Exergy analysis of thermal, chemical, and metallurgical processes”, 1988, Hemisphere. [5] David V. Ragone, “Thermodynamics of Materials”, 1995, John Wiley & Sons. [6] Robert De Hoff, “Thermodynamics in Material Science”, Second Edition, 2006, CRC Press. [7] Amir Faghri, Yuwen Zhang, “Transport Phenomena in Multiphase Systems”, Second Edition, 2006, Elsevier. 20 (b) Czasopisma naukowe [1] [2] [3] [4] [5] Journal of Heat Transfer, Transactions of ASME International Journal of Heat and Mass Transfer Journal of Heat and Mass Transfer, Springer Journal of Thermophysics and Heat Transfer International Journal of Thermodynamics 21 MODELOWANIE MATEMATYCZNE I SYMULACJA KOMPUTEROWA SYSTEMÓW ENERGETYKI ROZPROSZONEJ 1. Osoba odpowiedzialna za przedmiot Prof. dr hab. inż. Krzysztof Badyda 2. Dyscyplina naukowa: Energetyka, Inżynieria Środowiska 3. Wymagania wstępne Zaawansowana znajomość aplikacji komputerowych i przetwarzania danych Podstawowe informacje dotyczące modelowania urządzeń i procesów przemysłowych (kurs magisterski) Podstawowe informacje dotyczące zagadnień automatyki i sterowania (kur magisterski) Podstawowe informacje dotyczące zagadnień wytwarzania energii 4. Cele przedmiotu 1. Zapoznanie doktoranta / doktoranta z nowoczesnymi tendencjami systemów energetycznych dotyczącymi wykorzystania energetyki rozporoszonej , rynku energii i smart grid 2. Przedstawienie zaawansowanych możliwości modelowania procesów 3. Przedstawienie zagadnień i problemów pracy urządzeń energetyki rozproszonej , w tym także działanie w systemie elektroenergetycznym 4. Zapoznanie doktoranta z możliwościami komputerowego modelowania i symulacji urządzeń 5. Zapoznanie słuchaczy z nowym sposobem działania wirtualnych elektrowni 5. Efekty kształcenia (a) Wiedza [W1] Doktorant posiada wiedzę na temat nowoczesnych systemów elektroenergetycznych, uwarunkowań systemowych i prawnych oraz specyfiki pracy urządzeń energetyki rozproszonej. [W2] Doktorant rozumie specyfikę pracy i ograniczenia działania urządzeń energetyki rozproszonej. [W3] Doktorant zna metody modelowania poszczególnych urządzeń energetyki rozproszonej. (b) Umiejętności [U1] Doktorant posiada umiejętności związane z pracą układów energetyki rozproszonej, ich regulacją i sterowaniem, optymalizacją i zintegrowaniem z pracą systemu energetycznego. [U2] Doktorant umie wykonać zadania identyfikacji procesu, modelowania urządzeń i symulacji wykorzystując zaawansowane aplikacje komputerowe. 6. Szczegółowe treści programowe Forma zajęć – wykłady i symulacje na wykładach Liczba godzin W1 – [KB] Energetyka rozproszona i system energetyczny W2 – [JM, KB] Modele matematyczne – zagadnienia zaawansowanego modelowania matematycznego urządzeń 2 2 W3 – [KB] Podstawowe urządzenia i układy energetyki rozproszonej, charakterystyki pracy (I) turbiny gazowe małej mocy, mikroturbiny, tłokowe silniki gazowe, silniki wysokoprężne, silniki Stirlinga, układy ORC, siłownie 2 22 Forma zajęć - projekt Liczba godzin wiatrowe, małe elektrownie wodne W4 – [JM] Podstawowe urządzenia i układy energetyki rozproszonej, charakterystyki pracy (II) – ogniwa paliwowe i ich układy 2 W5 – [KS, JM] Podstawowe urządzenia i układy energetyki rozproszonej, charakterystyki pracy (III) – modele elektrowni wiatrowych i słonecznych W6 – [KB] Podstawowe urządzenia i układy energetyki rozproszonej, charakterystyki pracy (IV) – układy poligeneracji i magazynowanie energii W7 –[KS] zagadnienia pracy układów ER w warunkach rynku energii i ograniczenia systemu energetycznego , bilansowanie, smart grid W8 – [KB] Modelowanie i symulacja układów rozproszonych z turbinami gazowymi W9 – [JM] Modelowanie i symulacja ogniw paliwowych i ich układów W10– [KB]zagadnienia pracy, modelowanie i symulacja układów z zasobnikami energii W11– [KS] zagadnienia pracy, sterowania, modelowanie i symulacja układów elektrowni słonecznej i wiatrowej 2 W12- 13 – [JM, KS] Układy energetyki rozproszonej – wirtualna elektrownia W14 – [KS, JM] Modelowanie układów ER z wykorzystaniem modeli empirycznych W15 – [KB] kolokwium Suma godzin 2 P5 – [KS] projekt: prognozowanie pracy farmy wiatrowej 5 P8 – [KB] projekt: symulacja mikroturbiny 5 P11– [KS] projekt: układ regulacji elektrowni solarnej P12 – [JM] projekt: Wirtualna elektrownia 5 2 2 2 2 5 2 2 30 20 7. Narzędzia dydaktyczne Wykłady - Prezentacje w formacie Power Point System informatyczny (e-learningowy) gromadzący wszelkie materiały dodatkowe i linki do materiałów zewnętrznych Wykorzystanie pakietów naukowych: R, Octave, Matlab i Excel do projektowania i identyfikacji modeli w czasie wykładu , w tym praca własna doktoranta Oprogramowanie do bilansowania układów energetycznych – HySys , GateCycle Oprogramowanie do prognozowania pracy farm wiatrowych Przykłady rzeczywistych układów sterowania układów rozproszonych Rzeczywiste dane pomiarowe opisujące pracy urządzeń energetyki rozproszonej Dane wejściowe pozwalające doktorantom na projektowanie i identyfikowanie modeli w domu z wykorzystaniem darmowych pakietów inżynierskich R i Octave System informatyczny umożliwiający workflow i pracę grupową 8. Punkty ECTS – 5 9. Spis literatury podstawowej i uzupełniającej (a) Podręczniki i monografie Badyda K.: „Zagadnienia modelowania matematycznego instalacji energetycznych". Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej, s. Mechanika z.189 Warszawa 2001. Badyda K., Miller A.: Energetyczne turbiny gazowe oraz układy z ich wykorzystaniem. Kaprint 2011 23 1. „Wybrane modele matematyczne w diagnostyce i symulacji procesów cieplno – przepływowych w instalacjach energetycznych”. WN ITE – PIB Warszawa/Radom 2008 (Monografia pod redakcją J. Lewandowskiego oraz R. Laskowskiego - Biblioteka Problemów Eksploatacji). Advanced methods of solid oxide fuel cell modeling, J Milewski, K Świrski, M Santarelli, P Leone, Springer-Verlag London Fuel cell handbook, Appleby, A John, 1988, New York, NY; Van Nostrand Reinhold Co. Inc. Gas Turbines in Unconventional Applications, J Milewski, K Badyda, A Miller, in book “Efficiency, Performance and Robustness of Gas Turbines” (b) Czasopisma naukowe Applied Energy Energetyka Energy Conversion and Management Journal of Power Technologies Rynek Energii (c) Materiały dydaktyczne do przedmiotu dostępne na stronach Instytutu Techniki Cieplnej. 24 WSPÓŁCZESNE METODY POMIAROWE I TECHNIKI EKSPERYMENTALNE W TERMOMECHANICE 1. Osoba odpowiedzialna za przedmiot Dr hab. inż. Tomasz Wiśniewski, prof. nzw. PW 2. Dyscyplina naukowa: Mechanika, Budowa i Eksploatacja Maszyn, Energetyka. 3. Wymagania wstępne w zakresie wiedzy, umiejętności i innych kompetencji (a) Wiedza doktorant ma gruntowną wiedzę z zakresu mechaniki, mechaniki płynów i termodynamiki, doktorant ma dość dobrą wiedze z zakresu matematyki, wymiany ciepła, wytrzymałości materiałów, fizyki (fale elektromagnetyczne, optyka), chemii, doktorant zna podstawowe metody pomiarowe wielkości cieplnych, mechanicznych i przepływowych. (b) Umiejętności doktorant potrafi zastosować wiedzę interdyscyplinarną przy rozwiązywaniu zadań inżynierskich, doktorant potrafi zaplanować prosty eksperyment naukowy, interpretować wyniki, wyciągnąć wnioski, doktorant potrafi oszacować dokładność pomiarów podstawowych wielkości fizycznych i przeprowadzić rachunek błędów, doktorant potrafi posługiwać się podstawowym oprogramowaniem inżynierskim. 4. Cele kształcenia: Przekazanie wiedzy z zakresu współczesnych metod pomiarowych i technik eksperymentu w szeroko pojętej termodynamice, mechanice płynów i mechanice, w zakresie odpowiednim dla osoby ubiegającej się o stopień naukowy doktora nauk technicznych. Przekazanie wiedzy o zaawansowanych metodach jednoczesnego pomiaru różnych wielkości. Przekazanie wiedzy o planowaniu eksperymentu, doborze metod eksperymentalnych, dokładności metod pomiarowych. Przekazanie wiedzy o obróbce sygnału pomiarowego, analizie statystycznej wyników i wspomagającym oprogramowaniu inżynierskim 5. Efekty kształcenia (a)Wiedza [W1] Doktorant ma wiedzę ogólną z zakresu pomiarów temperatury. Zna metody pomiaru gęstości strumienia ciepła i konstrukcje czujników. Ma wiedzę na temat dokładności metod pomiarowych oraz pomiarów szybkozmiennych temperatur i gęstości strumieni ciepła. Zna metody wyznaczania współczynników przejmowania ciepła. Ma wiedzę na temat metod pomiaru termicznego oporu kontaktowego. [W2] Doktorant rozumienie postawy termografii w podczerwieni, termografii ciekłokrystalicznej oraz fosforowej oraz zna badawcze aplikacje tych technik. Ma podstawową wiedzę na temat konstrukcji kamer termowizyjnych i możliwości pomiarowych w podczerwieni. Zna metody wyznaczania współczynników przejmowania ciepła przy pomocy termografii w podczerwieni. Zna metody badań nieniszczących z wykorzystaniem podczerwieni. Ma wiedzę na temat zastosowania ciekłych kryształów do jednoczesnego pomiaru pola prędkości i temperatury. Ma podstawową wiedzę na temat 25 możliwości zastosowanie termografii w podczerwieni do badań naprężeń i odkształceń w ciałach stałych. [W3] Doktorant ma wiedzę na temat współczesnych metod pomiarów właściwości cieplnych ciał stałych, cieczy i gazów (ciepło właściwe, dyfuzyjność cieplna, współczynnik przewodzenia ciepła, współczynnika rozszerzalności termicznej ciał stałych). Zna dokładności metod pomiarowych i ich ograniczeń. [W4] Doktorant rozumie podstawy metod PIV i LDA. Zna ich zalet i ograniczeń. Ma wiedzę na temat zaawansowanych zastosowań tych metod w aerodynamice. Zna algorytmy wykorzystywane w PIV oraz metod analizy wyników i obróbki danych. Ma podstawową wiedzę na temat zastosowań LDA w pomiarach turbulencji. Zna metody pomiarów ciśnienia w badaniach lotniczych, w tym techniki pomiarów szybkozmiennych. [W5] Doktorant ma podstawową wiedzę na temat akwizycji danych analogowych. Ma wiedzę na temat możliwości obróbki sygnału i danych doświadczalnych oraz analizy statystycznej za pomocą oprogramowania LabView. [W6] Doktorant ma wiedzę ogólną z zakresu podstaw fizyki i chemii spalania i detonacji. Zna zjawiska optycznych i aerodynamicznych towarzyszących procesom spalania i detonacji. Ma podstawową wiedzę z zakresu oddziaływania promieniowania laserowego z gazami, kroplami i cząstkami stałymi. Zna tradycyjne metody optyczne stosowane w badaniach procesów spalania. Ma podstawową wiedzę na temat metod diagnostyki laserowej w spalaniu (PIV, LDA, LIF). Ma ogólną wiedzę na temat metod tomograficznych stosowanych w badaniach procesów spalania. [W7] Doktorant zna metody badania silników spalinowych tłokowych i turbinowych. Ma podstawową wiedzę na temat metod pomiaru składu produktów spalania. Zna metody elektrochemiczne i optyczne. Rozumie zasady działania analizatorów spalin. Ma podstawową wiedzę na temat konstrukcji hamowni oraz metod pomiaru ciągu, mocy i momentu obrotowego. [W8] Doktorant zna podstawowe definicje wielkości mechanicznych charakteryzujących powierzchnię, przemieszczenie, odkształcenie, siłę, naprężenie oraz związki między tymi wielkościami. Ma podstawową wiedzę z zakresu optyki. Zna metody pomiaru mikrogeometrii powierzchni. Ma podstawową wiedzę na temat metod pomiarów przemieszczeń i odkształceń. Zna znormalizowane metody pomiarów właściwości mechanicznych materiałów i konstrukcji. (b) Umiejętności [U1] Doktorant potrafi dobrać odpowiednią metodę i czujnik do pomiaru temperatury oraz gęstości strumienia ciepła, w tym wielkości szybkozmiennych. Umie wykonać pomiary minimalizując błędy pomiarowe. Potrafi zmierzyć/wyznaczyć współczynnik przejmowania ciepła. [U2] Doktorant potrafi poprawnie wykonać pomiar pola temperatury z wykorzystaniem kamery termowizyjnej. [U3] Doktorant potrafi dobrać odpowiednią metodę do pomiaru właściwości cieplnych. [U4] Doktorant potrafi zaplanować eksperyment z wykorzystaniem metod PIV i LDA. Potrafi poprawnie dokonać pomiarów ciśnień w badaniach aerodynamicznych i lotniczych. [U5] Doktorant umie dobrać metody akwizycji danych do planowanego eksperymentu. Potrafi wykorzystać oprogramowanie LabView do obróbki sygnału i danych doświadczalnych oraz analizy statystycznej wyników. [U6] Doktorant potrafi zaplanować badania z wykorzystaniem metod PIV, LDA i LIF w odniesieniu do spalania. Jest w stanie dokonać poprawnej analizy spalin. [U7] Doktorant potrafi dobrać odpowiednie metody do badań silników w hamowniach i pomiaru ciągu, mocy i momentu obrotowego. [U8] Doktorant potrafi poprawnie wykonać/zaplanować pomiary wielkości mechanicznych charakteryzujących powierzchnię, przemieszczenie, odkształcenie, siłę, naprężenie. 26 6. Szczegółowe treści programowe 1. POMIARY CIEPLNE (TEMPERATURA, GĘSTOŚĆ STRUMIENIA CIEPŁA, WŁAŚCIWOŚCI SUBSTANCJI, TERMOGRAFIA) – (9 h) 1.1. Pomiary temperatury i gęstości strumienia ciepła. (2 h) 1.1.1. Nowoczesne czujniki temperatury. 1.1.2. Czujniki strumienia ciepła. Pomiar małych gęstości strumieni ciepła. Pomiar dużych gęstości strumieni ciepła. 1.1.3. Kalibracja termometrów i czujników strumieni ciepła. Dokładność pomiarów. 1.1.4. Pomiary wielkości szybkozmiennych 1.1.5. Metody wyznaczania współczynników przejmowania ciepła 1.1.6. Metody pomiaru termicznego oporu kontaktowego 1.2. Termografia w podczerwieni. (3 h) 1.2.1. Podstawy termografii w podczerwieni. 1.2.2. Budowa kamer termowizyjnych. 1.2.3. Metoda cienkiej ogrzewanej folii 1.2.4. Wyznaczanie rozkładu współczynnika przejmowania ciepła 1.2.5. Zastosowanie termografii w podczerwieni do badań nieniszczących 1.2.5.1. Termografia impulsowa 1.2.5.2. Metoda Lock-in 1.3. Termografia ciekłokrystaliczna (1h) 1.3.1. Podstawy 1.3.2. Termografia ciekłokrystaliczna. Jednoczesny pomiar pola prędkości i temperatury za pomocą ciekłych kryształów. 1.3.3. Zastosowanie termografii w podczerwieni do badań naprężeń i odkształceń w ciałach stałych. 1.4. Termografia fosforowa. (0,5 h) 1.5. Współczesne metody pomiaru właściwości cieplnych ciał stałych, cieczy i gazów. (2,5 h) 1.5.1. Pomiary dyfuzyjności cieplnej. 1.5.2. Pomiary ciepła właściwego. 1.5.3. Pomiary dyfuzyjności cieplnej. 1.5.4. Pomiary współczynnika rozszerzalności cieplnej. 2. POMIARY W AERODYNAMICE (5 h) 2.1. PIV (2 h) 2.1.1. Ogolna zasada działania. 2.1.2. Żródła światła, zasada działania lasera, optyka lasera. 2.1.3. Zaawansowane konfiguracje, Stereo-PIV, Tomo-PIV 2.1.4. Metody posiewu w różnych ośrodkach. 2.1.5. Algorytmy wykorzystywane do PIV. 2.1.6. Analiza wyników i obróbka danych z PIV w aerodynamice w zastosowaniu do programu DaVis. (0,5 h) 2.1.7. Zalety i ograniczenia PIV w badaniach tunelowych, przykłady zastosowań. 2.2. LDA (0,5 h) 2.2.1. Ogólna zasada działania. 2.2.2. Zaawansowane konfiguracje w pomiarach turbulencji. 2.3. Pomiary ciśnień (0,5 h) 2.3.1. Wielokanałowe skanery ciśnienia stosowane w badaniach lotniczych. 2.3.2. Czujniki ciśnienia szybkozmiennego. 2.4. Obróbka danych doświadczalnych (2 h) 2.4.1. Porównanie metod optycznych z tradycyjnymi metodami pomiarowymi w aerodynamice, dobór metod pomiarowych do planowanego eksperymentu. 2.4.2. Akwizycja danych analogowych. 2.4.3. Obróbka sygnału i danych doświadczalnych za pośrednictwem systemów opartych o LabView. 27 2.4.4. Rozbudowane systemy pomiaru i analiza statystyczna oparta o LabView. 3. BADANIA PROCESÓW SPALANIA I DETONACJI. (6 h) 3.1. Przypomnienie podstaw fizyki i chemii spalania (1 h) 3.1.1. Zakresy wielkości fizycznych i skal czasowych występujących w spalaniu i detonacji oraz zjawiska optyczne i aerodynamiczne towarzyszące spalaniu i detonacji. 3.1.2. Oddziaływanie promieniowania laserowego z gazami, kroplami i cząstkami stałymi 3.2. Tradycyjne metody optyczne w spalaniu (1 h) 3.2.1. Metoda cieniowa i smugowa 3.2.2. Metody Interferometryczne 3.3. Metody diagnostyki laserowej w spalaniu (3 h) 3.3.1. PIV i LDA w spalaniu (1 h) 3.3.2. LIF (2 h) 3.3.2.1. Zasada działania 3.3.2.2. Rodzaje LIF (PLIF, OH LIF) 3.3.2.3. Przykłady zastosowań spalaniu 3.4. Metody tomograficzne (1 h) 3.4.1. Tomografia pojemnościowa w spalaniu 4. BADANIA SILNIKÓW SPALINOWYCH I TURBINOWYCH (2h) 4.1. Pomiar składu produktów spalania (1 h) 4.1.1. Metody elektrochemiczne 4.1.2. Metody optyczne 4.1.3. Analizatory spalin 4.2. Pomiary ciągu mocy i momentu obrotowego (1h) 4.2.1. Hamownie i hamulce pomiarowe 4.2.2. Konstrukcja hamowni silników lotniczych 4.2.3. Hamownie typu „engine in the loop” 5. POMIARY WIELKOŚCI MECHANICZNYCH (8 h) 5.1. Wprowadzenie do pomiarów wielkości mechanicznych (1 h) 5.1.1. Przypomnienie definicji podstawowych wielkości mechanicznych (wielkości geometryczne w tym charakteryzujące powierzchnię, przemieszczenie, odkształcenie, siła, naprężenie, itp.). Powiązania pomiędzy wielkościami. 5.1.2. Omówienie różnic pomiędzy pomiarami punktowymi a polowymi, bezpośrednimi a pośrednimi, itp. 5.1.3. Rodzaje i obróbka sygnałów, wymagania dla przetworników A/C. 5.2. Omówienie własności światła, wstęp do optyki falowej, otrzymywanie i własności światła spójnego, fala płaska i sferyczna (1 h) 5.3. Pomiary kształtu powierzchni (1,5 h) 5.3.1. Pomiar chropowatości profilometrem – omówienie mierzonych wielkości, interpretacja wyników. 5.3.2. Pomiar polowy chropowatości – interferometria immersyjna, interferometria światła białego 5.3.3. Polowy pomiar kształtu powierzchni – skanery 3D 5.4. Pomiary przemieszczeń i odkształceń (naprężeń) (3,5 h) 5.4.1. Metody mechaniczne 5.4.2. Tensometria oporowa 5.4.3. Ekstensometry piezoelektryczne 5.4.4. Ekstensometry światłowodowe – siatki Bragga 5.4.5. Elastooptyka 5.4.6. Metody Mory 5.4.7. Metody interferencyjne 5.4.8. Metody plamkowe 5.5. Pomiary parametrów materiałów i konstrukcji wg norm (1 h) 5.5.1. Próba quasi statycznego rozciągania 5.5.2. Badania zmęczeniowe 28 5.5.3. 5.5.4. Badanie udarności Badanie twardości 7. Narzędzia dydaktyczne prezentacje elektroniczne, materiały w Internecie, pakiety oprogramowania autorskie i komercyjne, demonstracje laboratoryjne. 8. PunktyECTS – 6 9. Spis literatury podstawowej i uzupełniającej 1. Michalski L., Eckersdorf K.: Pomiary temperatury. wyd. 3 zm. WNT, Warszawa 1986. 2. Michalski L., Eckersdorf K., Kucharski T.: Termometria. Przyrządy i metody. Politechnika Łódzka, Łódź 1998. 3. Wiśniewski S.: Pomiary temperatury w badaniach silników i urządzeń cieplnych. WNT, Warszawa 1983. 4. Fodemski T. (red.): Pomiary cieplne cz. 1. Podstawowe pomiary cieplne. WNT, Warszawa 2001. 5. Fodemski T. (red.): Pomiary cieplne cz. 2. Badania cieplne maszyn i urządzeń. WNT, Warszawa 2001. 6. Minkina W.: Pomiary termowizyjne - przyrządy i metody. Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa, 2004. 7. Więcek B., De Mey G.: Termowizja w podczerwieni. Podstawy i zastosowania. Wydawnictwo PAK, Warszawa, 2011. 8. Holst G.C.: Common sense approach to thermal imaging 9. M.F.White, Fluid Mechanics, University of Rhole Island, IV ed., 2006. 10. Tropea C., Yarin A., Foss J., (Eds.), Springer Handbook of Experimental Fluid Mechanics, Springer, 2007. 11. Smitts A.J., Lim T.T.: Flow visualization - Techniques and Examples, Imperial College Press, 2010. 12. Adrian R.J., Westerweel J.: Particle Image Velocimetry, Cambridge University Press, 2011. 13. Naik, S.V., et al., Pressure, Temperature and Velocity Measurements in Underexpanded Free Jets using Laser-Induced Fluorescence Imaging. AIAA Journal, 2009. 47(4): p. 839-849. 14. Hanson, R.K., Applications of quantitative laser sensors to kinetics, propulsion and practical energy systems. Proceedings of the Combustion Institute. 33(1): p. 1-40. 15. Adrian, R.J., et al., eds. Laser Techniques for Fluid Mechanics. 2002, Springer. 16. Warnatz, J., U. Maas, and R.W. Dibble, Combustion. 2006: Springer. 17. Walsh, P.P. and P. Fletcher, Gas Turbine Performance. 2004, Oxford: Blackwell Science Ltd. 18. Mercer, C., ed. Optical Metrology for Fluids, Combustion and Solids. 2003, Springer. 19. Balicki, W.J., Lotnicze silniki turbinowe : konstrukcja - eksploatacja - diagnostyka. 2010, Warszawa: Wydawnictwa Naukowe Instytutu Lotnictwa. 20. Szczeciński, S., Lotnicze zespoły napędowe. 2009, Warszawa: Wydawnictwo WAT. 21. Wyrażanie miepewności pomiaru - przewodnik – Główny Urząd Miar, Warszawa, 1999 (Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement, International Organization for Standardization, 1993). 22. Dunn P.F.: Fundamentals of Sensors for Engineering and Science – CRC Press, 2011. 23. Dunn. P.F.: Measurement and Data Analysis for Engineering and Science – CRC Press, 2010 24. Wheeler A.J, Ganji A.R.: Introduction to Engineering Experimentation. Pearson Education, 2010. 25. Cloud G.: Optical Methods of Engineering Analysis. Cambridge University Press, 1995. 26. Meyer-Arendt J.R.: Wstęp do optyki. PWN, 1977. 27. Erf R.K.: Holographic Nondestructive Testing. Academic Press, 1974. 28. Szala J. (red.) Metody doświadczalne w badaniach materiałów stosowanych na poszycia samolotów i połączeń nitowych. Wyd. ITE, 2010. 29 29. 30. 31. 32. Dietrich M. (red.): Podstawy Konstrukcji Maszyn. WNT, 2003. Petykiewicz J.: Optyka falowa. PWN, 1986. Bodaszewski W.: Wytrzymałość materiałów. Badania doświadczalne. BEL Studio, 2011. PN-EN ISO 14556:2003. Stal. Próba udarności Charpy-V oprzyrządowanym młotem wahadłowym. Metoda badania 33. PN-EN ISO 14577-1:2003. Metale. Aparaturowe badania twardości i parametrów materiału metodą wciskania wgłębnika. Część 1: Metoda badania (oryg.) 34. PN-EN 10002-1:2004. Metale. Próba rozciągania. Część 1: Metoda badania w temperaturze otoczenia. 30 NIELINIOWA MECHANIKA KONSTRUKCJI 1. Osoba odpowiedzialna za przedmiot Prof. dr hab. inż. Tomasz Zagrajek Dr inż. Adam Dacko 2. Dyscyplina naukowa: Mechanika, Konstrukcja Maszyn, Transport, Budownictwo, Metody Komputerowe w Nauce 3. Wymagania wstępne w zakresie wiedzy, umiejętności i innych kompetencji:\ Wykład zakłada wcześniejsze zaliczenie przez doktoranta wykładów z Mechaniki Ośrodków Ciągłych (MOC) czy Mechaniki Ciał Odkształcalnych (MCO), lub opanowanie równoważnej wiedzy podstawowej. Zakłada się znajomość tematyki MCO, w tym podstawowych narzędzi jej opisu i analizy. 4. Cele kształcenia Przedmiot umożliwi słuchaczom przyswojenie wiedzy i umiejętności w zakresie: ruchu i deformacji ciał odkształcalnych, interpretacji tensora naprężenia w różnych sformułowaniach, praw reologicznych (konstytutywnych), dyskretyzacji modelu obliczeniowego i powstających nieliniowych układów równań, interpretacji punktów charakterystycznych ścieżek równowagi, nieliniowych zagadnień stateczności, rozwiązywania problemów nieliniowej dynamiki konstrukcji, modelowania tłumienia w MES. 5. Efekty kształcenia (a) Wiedza [W1] Utrwalenie i uzupełnienie wiedzy dotyczącej formalizmów i narzędzi analizy mechaniki ciał odkształcalnych. [W2] Zdobycie i rozbudowanie wiedzy o zapisie ruchu i deformacji ciała stałego w różnych ramach opisu oraz definicji różnych tensorów odkształcenia. [W3] Zdobycie wiedzy o budowie różnorodnych praw konstytutywnych, w tym materiałów o naturalnie dopuszczalnych dużych i skończonych odkształceniach. [W4] Nabycie wiedzy o zapisie analitycznym (ciągłym) równań nieliniowej mechaniki konstrukcji oraz zapisie dyskretnym, w formalizmie Metody Elementów Skończonych. [W5] Nabycie i rozszerzenie wiedzy o metodach rozwiązywania nieliniowych układów równań specyficznych dla MES. [W6] Zdobycie wiedzy o typowej strukturze ścieżki równowagi i o jej punktach charakterystycznych. [W7] Zdobycie wiedzy o konsekwencjach numerycznych związanych z istnieniem takich punktów i o metodach ich analizy. [W8] Zdobycie wiedzy o nieliniowym sformułowaniu zadań stateczności i o różnicach w stosunku do metod liniowych oraz lokalnie zlinearyzowanych. [W9] Uzupełnienie i zdobycie dodatkowej wiedzy o zadaniach dynamicznych i ich podziale. Zdobycie wiedzy o opisie dyskretnym i stosowanych schematach różnicowych oraz ich cechach charakterystycznych. [W10] Zdobycie wiedzy o metodach opisu dyssypacji energii stosowanych w MES. Zdobycie wiedzy o modelach tłumienia i metodach ich implementacji w programach MES. 31 (b) Umiejętności [U1] Umiejętność odtwarzania, śledzenia i samodzielnego zapisu przekształceń i wniosków w mechanice ciał odkształcalnych. [U2] Umiejętność wyboru oraz stosowania różnych tensorów naprężenia. Umiejętność określenia konsekwencji liczbowych różnego opisu. [U3] Umiejętność odczytu, zapisu oraz interpretacji praw dla materiałów hypo- oraz hiperelastycznych, plastycznych oraz lepkich. [U4] Umiejętność określenia modelu dyskretnego MES, określenia części liniowej macierzy sztywności. Umiejętność budowy składników nieliniowych MS – macierzy geometrycznej i macierzy dużych przemieszczeń. [U5] Umiejętność oceny oraz wyboru algorytmu rozwiązywania nieliniowego układu równań MES. Umiejętność zastosowania metod Newtonowskich lub siecznych. [U6] Umiejętność oceny punktu krytycznego w trakcie rozwiązywania zadania nieliniowego oraz umiejętność doboru metody przejścia przez taki punkt krytyczny. [U7] Umiejętność określenia stateczności fizycznej konstrukcji. Umiejętność interpretacji opisu i wyników analizy liniowej i nieliniowej, jak również zrozumienia lokalnej sztywności (stycznej) struktury. [U8] Umiejętność oceny zadania dynamicznego pod kątem występujących efektów bezwładnościowych i/lub falowych. Umiejętność stosowania kryterium CFL i oceny stabilności numerycznej rozwiązania. [U9] Umiejętność określenia potencjalnej konieczności i konsekwencji zastosowania tłumienia w analizie zadania dynamicznego. Umiejętność określenia modelu oraz określenia współczynników liczbowych w tym modelu. 6. Szczegółowe treści programowe Jednostki wykładowe – 10 wykładów 3-godzinnych (+ praca własna ok. 30 godzin): 1. Mechanika Ciał Odkształcalnych – skrótowo przypomniane używane formalizmy, zapisy tensorowe, wskaźnikowe i macierzowe, układy odniesienia. Niezbędne elementy rachunku tensorowego. 2. Opis ruchu i deformacji. Prędkość deformacji. Sformułowanie Total Lagrangian i Updated Lagrangian. Tensor gradientu deformacji (Right Cauchy-Green). Tensor odkształcenia Lagrange’a, Greena i Almansiego. Analityczne przykłady liczbowe wyznaczania składowych różnych sformułowań tensorów odkształcenia dla przykładowych rodzajów ruchu. Porównanie różnic w sformułowaniach i różnic w wynikach liczbowych. 3. Tensory naprężenia w Mechanice Konstrukcji. Interpretacja fizyczna. Tensor Lagrange’a, Cauchy (True-Stress) i Pioli-Kirchoffa II rodzaju (PK2). Sformułowania i opisy. Zakresy stosowalności, przykłady liczbowe prostych i złożonych stanów obciążenia elementów konstrukcji. 4. Nieliniowe prawa konstytutywne w mechanice ciała stałego. Bazy energetyczne. Sformułowania bazujące na tensorach naprężenia i odkształcenia, lub na ich niezmiennikach. Materiały hypoelastyczne. Specyfika materiałów hiperelastycznych, duże i skończone przemieszczenia i obroty. Modele przykładowe: Mooney-Rivlin, Ogden, Arruda-Boyce. Podstawy doświadczalnego wyznaczania wartości współczynników do hiperelastycznych modeli konstytutywnych. Modele plastyczne oraz lepko-sprężyste. 5. Sformułowanie ciągłe oraz dyskretne (MES) zagadnień nieliniowej mechaniki konstrukcji. Ujęcie w modelu przemieszczeniowym. Macierz sztywności styczna oraz sieczna. Implikacje w metodach rozwiązania. Rozkład na macierz liniową, macierz geometryczną (naprężeń początkowych) oraz macierz dużych przemieszczeń. Specyfika dużych i skończonych obrotów w MES. 6. Wynikowe układy równań MES w zadaniach nieliniowych. Metody rozwiązywania układów nieliniowych. Metody Newtonowskie oraz Quasi-Newtonowskie. Metody akceleracji zbieżności. Metody długości łuku. 32 7. Typowe charakterystyki sztywnościowe (siłowo-przemieszczeniowe) silnie nieliniowych zadań mechaniki konstrukcji. Punkty krytyczne i zwrotne na ścieżkach równowagi. Metody postępowania w punktach osobliwych. Warianty metody długości łuku (Crisfield/Riks/Ramm). Przykłady liczbowe (analityczne oraz MES). 8. Nieliniowe zadania stateczności konstrukcji. Porównanie z metodami liniowymi i lokalnie zlinearyzowanymi. Rozwiązanie przez funkcje własne a rozwiązanie pełne. 9. Nieliniowa mechanika ciała stałego w zadaniach niestacjonarnych. Dynamika „standardowa” a zadania udarowe oraz falowe. Schematy różnicowe, specyfika metod typu „explicit”. Całkowanie równań ruchu, kryterium Couranta-Friedrichsa-Lewy’ego (CFL). Stabilność rozwiązań. Przykłady liczbowe. 10. Zagadnienia tłumienia w dynamice strukturalnej. Modele i implementacja w MES. Podejście Rayleigha oraz podejście modalne. Przykłady. Laboratoria komputerowe – 5 zajęć 3-godzinnych (+ praca własna ok. 15 godzin) 1. Duże i skończone odkształcenia sprężyste. Przykłady dla continuum 2-D i 3-D (materiały hiperelastyczne, elastomery). 2. Duże i skończone odkształcenia materiałów sprężysto-plastycznych. Przykłady obróbki plastycznej materiałów. 3. Duże i skończone przemieszczenia i obroty. Przykłady ramowe (np. „rama Lee”) oraz powłokowe (np. „Scordelis-Lo roof”). 4. Stateczność początkowa, zlinearyzowana lokalnie oraz nieliniowa. Przykład powłokowy. 5. Nieliniowa dynamika strukturalna. Badanie stabilności procesu obliczeniowego. Metody jawne i niejawne całkowania równań ruchu. 7. Narzędzia dydaktyczne Część audytoryjna: (c) prezentacje elektroniczne (PowerPoint), (d) liczbowe przykłady merytoryczne ilustrujące zagadnienia wykładu, (e) liczbowe zadania problemowe do samodzielnego rozwiązania przez słuchaczy. Część praktyczna – laboratorium komputerowe: (a) pięć niezależnych ćwiczeń komputerowych, (b) użycie komercyjnego oprogramowania MES (dostępnego na PW), (c) możliwość realizacji ćwiczeń różnymi programami – docelowo – wybieranymi przez słuchacza (przewidywane systemy: Abaqus, Ansys, MSC.Nastran, MSC.Marc) 8. Punkty ECTS - 6 9. Spis literatury podstawowej i uzupełniającej [1] Andrzej Sawicki, Mechanika kontinuum. Wprowadzenie, Wydawnictwo IBW PAN, 1994. [2] Lawrence E. Malvern, Introduction to the Mechanics of Continuous Medium, Prentice-Hall, Inc., 1969. [3] Romesh C. Batra, Elements of Continuum Mechanics, AIAA, 2006. [4] Gerhard A. Holzapfel, Nonlinear Solid Mechanics, John Wiley & Sons, Ltd., 2000. [5] Ahmed A. Shabana, Computational Continuum Mechanics, Cambridge University Press, 2008. [6] M.A. Crisfield, Non-linear Finite Element Analysis of Solids and Structures, Vol 1, John Wiley & Sons, Ltd., 2003. [7] Klaus-Jürgen Bathe, Finite Element Procedures, Prentice-Hall, Inc., 1996. [8] Michał Kleiber, Metoda elementów skończonych w nieliniowej mechanice kontinuum, PWN, Warszawa, 1985. 33 METODY OPTYMALIZACJI I STEROWANIA OPTYMALNEGO W ZAGADNIENIACH TECHNICZNYCH 1. Osoba odpowiedzialna za przedmiot: dr hab. inż. ELŻBIETA JARZĘBOWSKA, prof. nzw. PW 2. Dyscyplina naukowa: Mechanika, Matematyka, Metody Komputerowe w Nauce 3. Wymagania wstępne w zakresie wiedzy, umiejętności i innych kompetencji: Zakłada się, że doktorant posiada podstawową wiedzę i umiejętności wyniesione z kursów mechaniki ogólnej, mechaniki analityczej, analizy matematycznej, równań różniczkowych zwyczajnych i podstaw sterowania liniowego. 4. Cele kształcenia: Podstawowe cele kształcenia postawione dla słuchaczy przedmiotu METODY OPTYMALIZACJI I STEROWANIA OPTYMALNEGO W ZAGADNIENIACH TECHNICZNYCH, to: zapoznanie doktoranta z podstawowymi metodami optymalizacji i sterowania optymalnego w zagadnieniach technicznych i badawczych, przekazanie wiedzy z zakresu metod, technik, algorytmów sterowania optymalnego, przekazanie wiedzy na temat budowy nieliniowych modeli sterowania, metod ich linearyzacji i przygotowania zadania do rozwiązania za pomocą algorytmów sterowania optymalnego. 5. Efekty kształcenia: (a) Wiedza [W1] Doktorant posiada wiedzę z zakresu rozwoju metod optymalizacji i sterowania optymalnego w kontekście postępu technicznego i technologicznego. [W2] Doktorant orientuje się we współczesnym stanie rozwoju metod optymalizacji i metod sterowania optymalnego dla modeli liniowych. [W3] Doktorant posiada wiedzę z zakresu budowy nieliniowych modeli sterowania i metod ich linearyzacji. Zdobycie wiedzy z zakresu stosowanych oraz badanych i rozwijanych obecnie tzw. zaawansowanych algorytmów sterowania. [W4] Doktorant ma wiedzę nt. budowy nieliniowych modeli sterowania i metod ich linearyzacji. Orientuje się w stosowanych oraz badanych i rozwijanych obecnie tzw. zaawansowanych algorytmach sterowania. [W5] Doktorant posiada pogłębioną wiedzę na temat sformułowania metod i algorytmów sterowania optymalnego opartych o metody mechaniki analitycznej. [W6] Doktorant ma wiedzę z zakresu współczesnych metod sterowania optymalnego, głównie w zakresie sterowania dla modeli nieliniowych. [W7] Doktorant ma wiedzę nt. współcześnie rozwijanych kierunków badań w zakresie optymalizacji i sterowania optymalnego. (b) Umiejętności [U1] Doktorant potrafi formułować zagadnienia optymalizacji: model systemu, funkcja celu, ograniczenia, zmienne decyzyjne oraz warunków istnienia i jednoznaczności rozwiązania. [U2] Doktorant potrafi budować liniowe modele układu sterowania, doboru funkcji celu i algorytmów sterowania. [U3] Doktorant potrafi formułować zadania optymalizacji do badania metodą NLP oraz oceny przydatności i możliwości zastosowania metod optymalizacji NLP i metod klasycznej teorii strowania do konkretnych zadań technicznych. [U4] Doktorant posiada umiejętność budowy nieliniowego modelu sterowania dla układów mechanicznych; rozróżnienie modeli kinematycznych i dynamicznych. 34 [U5] Doktorant posiada umiejętność sprawdzenia możliwości linearyzacji i doboru metody linearyzacji oraz doboru algorytmów do rozwiązywania zagadnień technicznych i wykorzystania środowiska MatLab. [U6] Doktorant potrafi zastosować metody mechaniki analitycznej w teorii sterowania optymalnego. (c) Kompetencje społeczne [K1] Doktorant ma świadomość poziomu swojej wiedzy, umiejętności i potrzeby dalszego kształcenia. [K2] Doktorant potrafi zaplanować dalszy proces kształcenia pod kątem potrzeb własnej pracy naukowej. [K3] Doktorant potrafi wykorzystać zdobytą wiedzę w obszarach swojej działalności naukowej nawet, jeśli nie będzie ona ściśle związana z problematyką sterowania optymalnego. [K4] Doktorant potrafi formułować problemy badawcze, analizować krytycznie możliwe metody rozwiązania i twórczo je stosować. 6. Szczegółowe treści programowe 1.Wprowadzenie – od zadania brachistochrony do programu Apollo – narodziny i rozwój optymalizacji i sterowania optymalnego w zadaniach technicznych. 1.1 Korzenie optymalizacji i sterowania optymalnego w rachunku wariacyjnym, w klasycznej teorii sterowania i teorii procesów stochastycznych, programowaniu liniowym i nieliniowym (NLP). 1.2 Nastanie ery obliczeń cyfrowych – narodziny współczesnego sterowania optymalnego w zadaniach technicznych. Przykłady sformułowań zadań optymalizacji. Spis literatury, przewodnik po literaturze. 2. Metody badania jakości sterowania w klasycznej teorii sterowania. 2.1 Kryteria jakościowe i ilościowe sterowania dla modeli liniowych stacjonarnych o jednym wejściu i jednym wyjściu (SISO) – kryteria Nyquista, Bodego i Nicholsa. 2.2 Teoria Kalmana w zastosowaniu do modeli liniowych niestacjonarnych o wielu wejściach i wielu wyjściach (MIMO). Sformalizowanie pojęcia „optymalności” w teorii sterowania. 2.3 Przykład obliczeniowy optymalizacji z wykorzystaniem metody LQR. Praca domowa - samodzielne uzupełnienie wiedzy z zakresu klasycznej teorii sterowania. Spis literatury, przewodnik po literaturze. 3.Metody programowania liniowego i nieliniowego – optymalizacja parametrów w obecności więzów równościowych i nierównościowych. 3.1 Warunki Khuna-Tuckera. 3.2 Zadanie optymalizacji trajektorii z wykorzystaniem metody NLP. 3.3 Zalety, wady i ograniczenia metod optymalizacji klasycznej teorii sterowania i NLP. 4.Współczesne metody i algorytmy sterowania nieliniowego. 4.1 Kinematyczne i dynamiczne modele sterowania układów nieliniowych. 4.2 Warunki linearyzacji w pętli sprzężenia zwrotnego nieliniowych modeli sterowania. 4.3 Przykłady projektowania nieliniowych układów sterowania, wyboru metod i algorytmów sterowania optymalnego; co można optymalizować? Projekt domowy – zbudować, dla zadanego przykładu układu technicznego, nieliniowy model sterowania, zaprojektować, dla danego celu sterowania, metodę i algorytm sterowania. Sformułować zadania optymalizacji. Spis literatury, przewodnik po literaturze. 5. Klasyczne zagadnienia sterowania optymalnego. 5.1 Metoda Pontriagina badania procesów optymalnych. 5.2 Teoria Hamiltona – Jacobiego. 5.3 Metoda programowania dynamicznego Bellmana. 5.4 Sformułowanie zadania sterowania optymalnego dla nieliniowych niestacjonarnych modeli układów dynamicznych – przykłady. 5.5 Zakresy zastosowań i rozwinięcia metod Pontriagina i Bellmana. 35 Spis literatury, przewodnik po literaturze. 6.Współczesne metody sterowania optymalnego. 6.1 Optymalne sterowanie nieliniowe w pętli sprzężenia zwrotnego. 6.2 Odwrotne sterowanie optymalne dla modeli nieliniowych afinicznych. 6.3 Badanie stateczności nieliniowych metod i algorytmów sterowania optymalnego i odwrotnego sterowania optymalnego. 6.4 Współczesne rozwinięcia prac Lyapunova i Popova, i ich zastosowania w sterowaniu optymalnym procesami nieliniowymi, ruchem statków powietrznych i pojazdów mobilnych. 6.5 Osobliwości numeryczne rozwiązań zadań sterowania optymalnego i metody ich pokonywania. Projekt domowy - zbudować, dla danego przykładu układu technicznego, nieliniowy model sterowania, dla zadanego celu sterowania zaprojektować strategię i algorytm sterowania optymalnego. Przeprowadzić symulacje numeryczne. Spis literatury, przewodnik po literaturze. 7.Przegląd aktualnych kierunków badań w zakresie sterowania optymalnego do rozwiązania zagadnień współczesnej techniki. 7. Narzędzia dydaktyczne Zajęcia audytoryjne (30 godzin): Wykład w formie prezentacji elektronicznych wraz z przykładami ilustrującymi zastosowanie teorii. Seminarium poświęcone przygotowanym przez słuchaczy prezentacjom. Praca własna (szacowana na ok. 30 godzin): a) Przygotowanie (w zespole) prezentacji typu konferencyjnego na wybrany temat. b) Praca indywidulana nad projektami domowymi. c) Przygotowanie do kolokwium zaliczającego. 8. Punkty ECTS - 5 9. Zalecana literatura a) podstawowa: 1. Agrachev, A. 2001. Introduction to optimal control theory. Lecture notes, Summer school on mathematical control theory, Trieste, Sept. 2001. 2. Anderson, B.D. and J.B. Moore. 1989. Optimal control. Linear quadratic methods. New York: Prentice Hall. 3. Athans, M. 2004. Kalman filtering. Ch. 13 in Control system advanced methods. Boca Raton: CRC Press. 4. Chong, E.K. and S. Żak. 2001. An introduction to optimization. New York: John Wiley & Sons. 5. Gutowski, R. 1972. Mechanika analityczna. Warszawa: PWN. 6. Kucera, V. 2004. Riccati equations and their solutions. Ch.14 in in Control system advanced methods. Boca Raton: CRC Press. 7. Kwatny, H.G. and G.L. Blankenship. 2000. Nonlinear control and analytical mechanics. A computational approach. Boston: Birkhauser. 8. Layton, R.A. 1998. Principles of analytical system dynamics. New York: Springer-Verlag. 9. Lew, A. and H. Mauch. 2007. Dynamic programming. A computational approach. Berlin: Springer. 10. Lewis, F.L., C.T. Abdallah and D.M. Dawson. 2004. Control of robot manipulators. New York: Macmillan Publ. Comp. 11. Murray, R.M. Z.X. Li and S.S. Sastry. 1994. A mathematical introduction to robotic manipulation. Boca Raton: CRC Press. 12. Slotine, J. and W. Li. 1996. Applied nonlinear control. Englewood Cliffs, New York: Prentice Hall. 13. Stevens, B.L. and F. Lewis. 1992. Aircraft control and simulation. John Willey and Sons. 36 b) uzupełniająca: 1. Bloch, A.M. 2003. Nonholonomic mechanics and control. New York: Springer-Verlag. 2. Cortes, J. Monforte. 2002. Geometric, control and numerical aspects of nonholonomic systems. Lecture Notes in Mathematics. Springer. 3. De Luca, A., G. Oriolo and C. Samson. 1998. Feedback control of a nonholonomic car-like robot. In Robot Motion Planning and Control, ed. J-P. Laumond, 171-253. London: Springer. 4. De Vit, C.C., H. Khennouf, C. Samson and O.J. Sordalen. 1993. Nonlinear control design for mobile robots. In Advanced Mobile Robots-Theory and Applications, ed. Y.F. Zheng, World Scientific Publ. 5. Khalil, H. Nonlinear systems. 2001. Englewood Cliffs, New York: Prentice Hall. 6. Kokotovic, P.V. and H. Sussmann. 1989. A positive real condition for global stabilization of nonlinear systems. Syst. Contr. Letters 19:177-185. 7. Kolmanovsky, I. and N.H. McClamroch. 1995. Developments in nonholonomic control problems. IEEE Control Systems Magazine 15:20–36. 8. Nijmeijer, H. and A. van der Schaft. 1990. Nonlinear dynamical control systems. New York: Springer Verlag. 9. Samson, C. and K. Ait-Abderrahim. 1991. Feedback control of a nonholonomic wheeled cart in cartesian space. In Proc. IEEE Conf. Robot. Automat., 1136-1141. Sacramento: CA. 10. Isidori, A. and M.D. Di Benedetto. 2004. Feedback linearization of nonlinear systems. Ch. 46 in Control system advanced methods. Boca Raton: CRC Press. 11. Keviczky, T. et al. 2007. Coordinated Autonomous Vehicle Formations: Decentralization, Control Synthesis and Optimization. Raport Defense Advanced Research Projects, USAF/AFMC F3361599-C-1497. 12. Yanuszevsky, R. 2011. Guidance of unmanned aerial vehicles. Boca Raton: CRC Press. 13. Yasuda, T. and K. Ohkura. 2011. Multi-robot systems, trends and development. Rijeka: InTech. 37 MODELOWANIE SPALANIA TURBULENTNEGO 1. Osoba odpowiedzialna za przedmiot: Prof.dr hab.inż. Andrzej Teodorczyk 2. Dyscyplina naukowa: Mechanika, Budowa i eksploatacja maszyn, Energetyka, Metody Komputerowe w Nauce 3. Wymagania wstępne w zakresie wiedzy, umiejętności i innych kompetencji: Wstępny poziom wiedzy uczestnika kursu powinien obejmować podstawowy kurs termodynamiki, spalania, mechaniki płynów, metod numerycznych. 4. Cele kształcenia: a. Przekazanie najnowszych osiągnięć w modelowaniu i numerycznych badaniach spalania turbulentnego. b. Przekazanie podstaw wiedzy i umiejętności niezbędnych do samodzielnego prowadzenia symulacji numerycznych spalania turbulentnego 5. Efekty kształcenia (a) Wiedza [W1] Doktorant zna równania zachowania dla wieloskładnikowych przepływów ze spalaniem i ich uproszczenia [W2] Doktorant ma wiedzę w zakresie metody numerycznych laminarnego spalania kinetycznego [W3] Doktorant zna metody numeryczne stosowane w modelowaniu laminarnego spalania dyfuzyjnego [W4] Doktorant posiada wiedzę w zakresie modelowania spalania turbulentnego [W5] Doktorant zna podstawowe modele turbulentnych płomieni kinetycznych i płomieni dyfuzyjnych [W6] Doktorant zna modele oddziaływania płomieni ze ściankami [W7] Doktorant na wiedzę nt. modeli sprzężeń spalania z akustyką [W8] Doktorant zna sformułowania warunków brzegowych dla lepkich przepływów ze spalaniem (b) Umiejętności [U1] Doktorant potrafi formułować modele matematyczne procesów spalania [U2[ Doktorant umie wykorzystać symulacje numeryczne do analizy procesu spalania [U3] Doktorant potrafi interpretować wyniki symulacji numerycznych spalania 6. Szczegółowe treści programowe: c. Wstęp – 1h d. Podstawy przepływu turbulentnego – 3h 2.1. Definicja turbulencji 2.2. Powstawanie turbulencji 2.3. Koncepcje statystyczne turbulencji 2.4. Trójwymiarowe spektrum energii 2.5. Dynamika wirowości i kaskada energii 2.6. Wpływ zmian gęstości na wirowość i turbulencję 2.7. Procesy transportu w przepływie turbulentnym e. Równania zachowania dla przepływów ze spalaniem – 2h 3.1. Równania ogólne 38 3.2. Równania uproszczone Laminarne płomienie kinetyczne – 3 h 4.1. Równania zachowania i rozwiązania numeryczne 4.2. Płomienie ustalone 1D 4.3. Rozwiązania teoretyczne 4.4. Grubość płomienia 4.5. Rozciąganie płomienia 4.6. Prędkość płomienia 4.7. Niestabilności frontu płomienia g. Laminarne płomienie dyfuzyjne – 3h 5.1. Narzędzia teoretyczne 5.2. Struktura płomienia dla nieskończenie szybkiej chemii 5.3. Pełne rozwiązania dla płomieni o nieskończenie szybkiej chemii 5.4. Rzeczywiste płomienie dyfuzyjne h. Wprowadzenie do spalania turbulentnego – 4h 6.1. Wpływ turbulencji na spalanie 6.2. Podejścia obliczeniowe do spalania turbulentnego 6.3. Symulacje RANS 6.4. Symulacje DNS 6.5. Symulacje LES 6.6. Chemia dla spalania turbulentnego i. Turbulentne spalanie kinetyczne – 4h 7.1. Reżimy kinetycznego spalania turbulentnego 7.2. Metoda RANS dla kinetycznych płomieni turbulentnych 7.3. Metoda LES dla turbulentnego spalania kinetycznego. 7.4. Metoda DNS dla turbulentnego spalania kinetycznego. Turbulentne spalanie dyfuzyjne – 4h 8.1. Reżimy dyfuzyjnego spalania turbulentnego 8.2. Metoda RANS dla kinetycznych płomieni turbulentnych 8.3. Metoda LES dla turbulentnego spalania dyfuzyjnego. 8.4. Metoda DNS dla turbulentnego spalania dyfuzyjnego. j. Oddziaływania płomieni ze ściankami – 2h k. Oddziaływania płomieni z falami akustycznymi -2h l. Warunki brzegowe – 2h f. Podział czasu: wykłady – 30h, praca własna – 30h 7. Narzędzia dydaktyczne prezentacje elektroniczne ppt materiały w Internecie problemy do samodzielnego rozwiązania 8. Punkty ECTS - 5 9. Spis literatury podstawowej i uzupełniającej [1] T.Poinsot, D.Veynante: Theoretical and Numerical Combustion, Third Edition by authors, 2011 [2] Turbulent Combustion Modeling, Advances, New Trends and Perspectives, T.Echekki and E.Mastorakos Eds., Springer 2011 [3] R.O.Fox: Computational Models for Turbulent Reacting Flows, Cambridge University Press, Cambridge, UK (2003) [4] R.S.Cant, E.Mastorakos: An Introduction to Turbulent Reacting Flows, Imperial College Press, London, UK (2008) [5] N.Peters: Turbulent Combustion, Cambridge University Press, 2001 39 [6] E.S.Oran, J.P.Boris: Numerical simulation of reactive flow, Cambridge University Press, 2001 [7] R.Borghi: Turbulent combustion modeling, Prog. Energy Comb. Sci., 14(4) 1998 [8] J.Janicka, A.Sadiki: Large Eddy simulation for turbulent combustion, Proc. Combust. Inst. 30: 537-547, 2004 [9] H.Pitsch: Large eddy simulation of turbulent combustion, Ann.Rev.Fluid Mech., 38:453-482, 2006 [10] S.B.Pope: Pdf methods for reactive flows, Prog.Energy Combust.Sci., 19(11), 1985 [11] D.Veynante, L.Vervisch: Turbulent combustiom modeling, Prog.Energy Combust. Sci. 28:196266, 2002 Czasopisma: [1] Combustion and Flame [2] Combustion Science and Technology [3] Proceedings of the Combustion Institute [4] Progress in Energy and Combustion Science [5] AIAA Journal [6] Journal of Fluid Mechanics [7] Combustion Theory and Modelling [8] Archivum Combustionis 40 ZAAWANSOWANE METODY CFD 1. Osoba odpowiedzialna za przedmiot: Prof. dr hab. inż. JACEK ROKICKI 2. Dyscyplina naukowa: Mechanika, Matematyka, Metody Komputerowe w Nauce 3. Wymagania wstępne w zakresie wiedzy, umiejętności i innych kompetencji: Zakłada się, że doktorant posiada podstawową wiedzę i umiejętności wyniesione z kursów algebry, geometrii, analizy numerycznej i analizy matematycznej (w tym analizy pól skalarnych i wektorowych) oraz równań różniczkowych zwyczajnych i cząstkowych prowadzonych na 1-ym i 2-gim stopniu studiów technicznych. Zakłada się, że doktorant posiada także ugruntowaną wiedzę dotyczącą podstaw mechaniki w tym szczególnie mechaniki płynów oraz metod numerycznych wykorzystywanych do rozwiązywania równań różniczkowych cząstkowych. 4. Cele kształcenia: Celem kursu jest przedstawienie podstaw pojęciowych, formalizmu matematycznego i wybranych metod szczegółowych używanych przy współczesnych symulacjach zjawisk przepływowych także przy wykorzystaniu współczesnych podręczników, monografii i literatury naukowej. W kursie kładziony jest nacisk na zrozumienie zasad działania metod numerycznych wykorzystywanych w tej dziedzinie wiedzy, co pozwolić powinno na samodzielne wykorzystywanie tych metod w praktyce programistycznej. 5. Efekty kształcenia Wiedza: [W1] Doktorant posiada usystematyzowaną i pogłębioną wiedzę z algebry i analizy matematycznej w zakresie niezbędnym do zrozumienia podstaw opisu formalnego stosowanego w zaawansowanych metodach obliczeniowych mechaniki płynów [W2] Doktorant ma pogłębiona i usystematyzowaną wiedzę na temat metod numerycznych w zakresie niezbędnym do zrozumienia metod wykorzystywanych w zaawansowanych metodach obliczeniowych mechaniki płynów [W3] Doktorant zna podstawy fizyczne niezbędne do zrozumienia zjawisk mechaniki płynów (szczególnie w zakresie przepływów ściśliwych) [W4] Doktorant ma poszerzoną wiedzę nt. budowy metod dyskretyzacyjnych dla równań mechaniki płynów [W5] Doktorant zna podstawowe wymagania stawiane metodom numerycznym wykorzystywanym w mechanice płynów, w tym zna metody szacowania i analizy różnego rodzaju błędów symulacji numerycznych. Umiejętności [U1] Doktorant potrafi posługiwać się podstawowymi metodami numerycznymi jako elementami składowymi bardziej złożonych algorytmów. [U2] Doktorant potrafi implementować poznane algorytmy i metody w językach programowania wysokiego rzędu (C, C++, Fortran). [U3] Doktorant potrafi wykorzystać pakiety operacji symbolicznych (MATLAB, MAPLE, …) do analizy i syntezy metod numerycznych. [U4] Doktorant potrafi wykorzystać poznane fakty teoretyczne do budowy nowych algorytmów 41 [U5] Doktorant potrafi przeprowadzić eksperymenty numeryczne pozwalające oszacować i zanalizować błędy powstające przy symulacjach numerycznych. Kompetencje społeczne: EK1. Doktorant ma świadomość konieczności nieustannego samokształcenia 6. Szczegółowe treści programowe: A. Matematyczne podstawy mechaniki płynów Kinematyka ruchu płynu Zasady zachowania i ich reprezentacja matematyczna Równania konstytutywne Równania Naviera-Stokesa i Eulera w wersji zachowawczej Tensory strumieni nielepkich i lepkich B. Fizykalne podstawy modelowania ruchu płynu Klasyczne modele turbulencji Metoda symulacji wielkich wirów Uogólnione momenty centralne i ich znaczenie w modelowaniu turbulencji Hybrydyzacja klasycznych modeli turbulencji i metody symulacji wielkich wirów C. Dyskretyzacja równań ruchu płynu Metoda różnic skończonych i metody kompaktowe Zachowawczość dyskretyzacji Metoda objętości skończonych Metoda elementów skończonych. Metoda Galerkina o nieciągłych elementach Metody bezsiatkowe. Metody nakładających się siatek D. Strumienie wielkości zachowawczych Stabilność schematów. Solwery Riemanna. Przypadek wielowymiarowy E. Metody generacji siatek Wprowadzenie i przegląd metod generacji siatek Elementy algebry liniowej Triangulacja Delaunaya Elementy geometrii różniczkowej Opis geometrii obszaru obliczeniowego Metody generacji siatek strukturalnych Metody generacji siatek niestrukturalnych (na bazie triangulacji Delaunaya) Generacja siatek powierzchniowych. F. Metoda Galerkina o nieciągłych elementach podstawy metody strumienie lepkie i nielepkie całkowanie po elementach trójkątnych i czworokątnych metody przyspieszania zbieżności G. Optymalizacja dla zagadnień przepływowych metody gradientowe i bezgradientowe metoda operatora sprzężonego automatyczne różniczkowanie kodu 7. Narzędzia dydaktyczne 42 Część audytoryjna: (a) Wykład z wykorzystaniem prezentacji elektronicznych (ok. 20 godzin lekcyjnych) (b) Ćwiczenia laboratoryjne (ok. 10 godzin lekcyjnych) (c) Praca samodzielna: implementacja wybranej metody numerycznej dla prostego problemu przepływowego, prezentacja (ok. 25-30 godzin). 8. Punkty ECTS - 5 9. Literatura pomocnicza 1. Charles Hirsch, Numerical Computation of Internal and External Flows: The Fundamentals of Computational Fluid Dynamics, 2007 2. Randall J. LeVeque, Finite Volume Methods for Hyperbolic Problems (Cambridge Texts in Applied Mathematics), 2002 3. Rainald Löhner, Applied Computational Fluid Dynamics Techniques: An Introduction Based on Finite Element Methods, 2008 4. Pieter Wesseling, Principles of Computational Fluid Dynamics (Springer Series in Computational Mathematics), 2009 5. Z. J. Wang, Adaptive High-order Methods in Computational Fluid Dynamics (Advances in Computational Fluid Dynamics), 2011 6. Z.U.A. Warsi, Fluid Dynamics: Theoretical and Computational Approaches, 2005 7. Jan S. Hesthaven, Tim Warburton, Nodal Discontinuous Galerkin Methods: Algorithms, Analysis, and Applications (Springer Texts in Applied Mathematics), 2010 43 MODELOWANIE MATEMATYCZNE I IDENTYFIKACJA PROCESÓW W ENERGETYCE 1. Osoba odpowiedzialna za przedmiot: Prof. dr hab. inż. Janusz Lewandowski prof. nzw dr hab. inż. Konrad Świrski prof. nzw. dr hab. inż. Jarosław Milewski dr inż. Konrad Wojdan 2. Dyscyplina naukowa: Energetyka 3. Wymagania wstępne w zakresie wiedzy, umiejętności i innych kompetencji: Zaawansowana znajomość aplikacji komputerowych i przetwarzania danych Podstawowe informacje dotyczące modelowania urządzeń i procesów przemysłowych (kurs magisterski) Podstawowe informacje dotyczące zagadnień automatyki i sterowania (kurs magisterski) 4. Cele kształcenia: Zapoznanie studenta/doktoranta z możliwościami wykorzystania modeli matematycznych w inżynierii, w szczególności w energetyce Przedstawienie typowych klas modeli matematycznych Przedstawienie metod projektowania i identyfikacji liniowych i nieliniowych modeli procesów przemysłowych Zapozna nie studenta z typowymi i zaawansowanymi sposobami wykorzystania modeli empirycznych w sterowaniu i optymalizacji procesów energetycznych Zapoznanie studenta z dedykowanymi modelami podstawowych urządzeń energetycznych i układów energetycznych Przedstawienie możliwości wykorzystani a zaawansowanych programów komputerowych dla identyfikacji, modelowania i symulacji 5. Efekty kształcenia Doktorant rozumie praktyczne znaczenie tworzenia modeli matematycznych procesów i urządzeń energetycznych Doktorant ma wiedzę na temat typowych i zaawansowanych klas modeli matematycznych przydatnych z punktu widzenia rozwiązania rzeczywistego problemu Doktorant posiada wiedzę i umiejętności związane z projektowaniem i identyfikacją liniowych i nieliniowych modeli procesów przemysłowych Doktorant posiada wiedzę na temat wykorzystania modeli w sterowaniu i optymalizacji procesów energetycznych Doktorant posiada wiedzę związaną z zaawansowanym modelowaniem typowych procesów i urządzeń energetycznych Doktorant umie wykonać zadania identyfikacji procesu i modelowania urządzeń wykorzystując zaawansowane aplikacje komputerowe 44 6. Szczegółowe treści programowe: Forma zajęć - wykłady i symulacje na wykładach Forma zajęć - projekt Liczba godzin W1 - [KW,JL,JM] Modele matematyczne - cele i klasyfikacja modeli 2 W2 - [KW] Projektowanie i identyfikacja statycznych modeli liniowych 2 W3 - [KW,KS] Projektowanie i identyfikacja statycznych modeli nieliniowych, w tym modeli rozmytych i Sztucznych Sieci Neuronowych 2 W4 - [KW] Wykorzystanie modeli empirycznych w sterowaniu i optymalizacji procesów energetycznych cz. l (strojenie regulatorów PID, układy feed-forward, człony linearyzujące, regulatory nadrzędne, człony rozmywające) 2 W5 - [KW] Wykorzystanie modeli empirycznych w sterowaniu i optymalizacji procesów energetycznych cz.2 (strojenie regulatorów PID, układy feed-forward, człony linearyzujące, regulatory nadrzędne, człony rozmywające) 2 W6-7 [JL] Dedykowane modele urządzeń energetycznych cz. 1zagadnienia identyfikacji i modelowania turbozespołu parowego 2 W8-9 [KS] Dedykowane modele urządzeń energetycznych cz. 2 zagadnienia identyfikacji i modelowania kotłów energetycznych Liczba godzin P4 - [KW] projekt: identyfikacja i badanie modelu dynamicznego na podstawie danych pomiarowych 5 2 P8 - [KW] projekt: projektowanie i testowanie Sztucznej Sieci Neuronowej 10 W10-11 - [JM] Dedykowane modele urządzeń energetycznych cz. 3 zagadnienia identyfikacji i modelowania układów energetycznych 2 P10 - [JM] analiza ekonomiczno-projekt: Projektowanie i testowanie układu energetycznego 5 W12 - [JM] Dedykowane modele urządzeń energetycznych cz. 4 zagadnienia identyfikacji i modelowania ogniw paliwowych 2 W13 - [WB] Praktyczna optymalizacja procesów energetycznych 2 P12 - [KS] projekt: Optymalizacja układu energetycznego 5 W14 - [KS] Praktyczne wykorzystanie zagadnień modelowania i identyfikacji w 2 45 zagadnieniach przemysłowych W15 - [JL] Kolokwium 2 Suma godzin 30 25 7. Narzędzia dydaktyczne Wykłady - Prezentacje w formacie Power Point System informatyczny (e-learningowy) gromadzący wszelkie materiały dodatkowe i linki do materiałów zewnętrznych Wykorzystani e pakietów naukowych: R, Octave, Matlab i Excel do projektowania i identyfikacji modeli w czasie wykładu O w tym praca własna studenta: Wykorzystanie pakietu R do identyfikacji modelu liniowego, statycznego Wykorzystanie programu Excel do identyfikacji modelu nieliniowego, statycznego Wykorzystanie programu Octave do identyfikacji nieliniowego modelu statycznego Wykorzystanie pakietu Matlab do identyfikacji liniowego modelu dynamicznego Wykorzystanie interaktywnego ćwiczenia mającego na celu optymalny dobór wartości wag sieci neuronowej Wykorzystanie oprogramowania Matlab -Simulink do graficznego projektowania, porównywania i testowania modeli zapisanych w postaci transmitancji ciągłych i dyskretnych Maszyna wirtualna z oprogramowaniem do optymalizacji statycznej punktu pracy procesu spalania w kotle energetycznym, wykorzystująca identyfikowany trybie on-line statyczny model procesu spalania Oprogramowanie do bilansowania układów energetycznych - HiSYS, GateCycle ,GPC. Przykłady rzeczywistych układów sterowani a elektrownią wykorzystujące modele matematyczne (układy feed-forward, człony linearyzujące, regulatory nadrzędne, człony rozmywające) Rzeczywiste dane pomiarowe opisujące proces spalania w kotle energetycznym i działanie układu regulacji temperatury pary wykorzystywane do wykonywanej "na żywo" identyfikacji modelu Dane wejściowe pozwalające studentom na projektowanie i identyfikowanie modeli w domu z wykorzystaniem darmowych pakietów inżynierskich R i Octave System informatyczny umożliwiający workflow i prace grupową 8. Punkty ECTS - 5 9. Literatura podstawowa i uzupełniająca: Materiały dydaktyczne do przedmiotu dostępne na stronach Instytutu Techniki Cieplnej "System optymalizacji bieżącej punktu pracy procesów technologicznych inspirowany działaniem układu immunologicznego", K. Wojda n, rozprawa doktorska, Politechnika Warszawska, Warszawa, 2008 "Sterowanie zaawansowane obiektów przemysłowych, Struktury i algorytmy", P. Tatjewski, Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT, Warszawa, 2002. "Podstawy teorii sterowania", T. Kaczorek, A. Dzieliński, W. Dąbrowski, R. Łopatka, WNT, Warszawa, 2005 "Diagnostyka Procesów: Modele, Metody Sztucznej Inteligencji, Zastosowania", J. Korbicz, J. Kościelny, Z. Kowalczuk,W. Cholewa, WNT, Warszawa,2002 46 ZAAWANSOWANE TECHNOLOGIE WODOROWE 1. Osoba odpowiedzialna za przedmiot: prof. dr hab. inż. Andrzej Miller prof. dr hab. inż. Andrzej Teodorczyk prof. nzw. dr hab. inż. Konrad Świrski prof. nzw. dr hab. inż. Jarosław Milewski 2. Dyscyplina naukowa: Energetyka 3. Wymagania wstępne w zakresie wiedzy, umiejętności i innych kompetencji: Zaawansowana znajomość aplikacji komputerowych i przetwarzania danych Podstawowe informacje dotyczące modelowania urządzeń i procesów przemysłowych (kurs magisterski) Podstawowe informacje dotyczące zagadnień automatyki i sterowania (kurs magisterski) Podstawowe informacje dotyczące zagadnień wytwarzania energii 4. Cele kształcenia: Zapoznanie studenta/doktoranta z nowoczesnymi tendencjami systemów energetycznych dotyczącymi wykorzystania wodoru jako nośnika energii Przedstawienie zaawansowanych możliwości modelowania procesów produkcji, dystrybucji i utylizacji wodoru Przedstawienie zagadnień i problemów pracy urządzeń technologii wodorowych, w tym także działanie w systemie elektroenergetycznym Zapoznanie doktoranta z możliwościami komputerowego modelowania i symulacji urządzeń Zapoznanie słuchaczy z ideą i sposobem działania elektrowni wodorowych 5. Efekty kształcenia: Doktorant posiada wiedzę na temat nowoczesnych systemów elektroenergetycznych, dotyczących wykorzystania wodoru jako nośnika energii Student/doktorant rozumie specyfikę pracy i ograniczenia technologii wodorowych Słuchacz ma wiedzę na temat modelowania poszczególnych urządzeń technologii wodorowych Słuchacz pozyskuje wiedzę i umiejętności związane z pracą układów opartych o wykorzystanie wodoru, ich regulacją i sterowaniem, optymalizacją i zintegrowaniem z pracą systemu energetycznego Doktorant umie wykonać zadania identyfikacji procesu, modelowania urządzeń i symulacji wykorzystując zaawansowane aplikacje komputerowe 47 6. Szczegółowe treści programowe: Forma zajęć - wykłady i symulacje na wykładach Forma zajęć - projekt Liczba godzin Liczba godzin W1 - [AM] Wprowadzenie do technologii 2 W2 - [AT] Wodór jako paliwo i nośnik energii 2 W3 - [AM] Technologie produkcji wodoru - podstawy teoretyczne, stan obecny, ograniczenia i perspektyw 2 W4 - [AM] Technologie magazynowania i dystrybucji wodoru - podstawy teoretyczne, stan obecny, ograniczenia i perspektywy 2 W5 - [AM] Technologie transportu miejskiego oparte o wodór jako paliwo 2 W6 - [AM] Współczesne technologie wykorzystania wodoru do celów energetycznych - przegląd 2 W7 - [JM] Technologie energetycznego wykorzystania wodoru za pomocą ogniw paliwowych 2 W8 - [AM] Technologie wykorzystania wodoru do celów energetycznych oparte o turbiny parowe 2 W9 - [KS] Zagadnienia legislacyjne i systemowe wykorzystania i wdrożenia technologii wodorowych 2 W10 - [WB] Zagadnienia ekonomicznotechniczne zastosowania technologii w energetyce 2 W11 - [AM] Perspektywy wdrożenia zaawansowanych technologii wodorowych na świecie 2 W12-14 - [JM] Zagadnienia modelowania matematycznego zawansowanych technologii wodorowych 6 P12 - [JM] projekty: elektrolizer, separacja membranowa, metody kriogeniczne 5 W15 - [AM] Podsumowanie i kolokwium zaliczeniowe 2 P15 - [KŚ] projekt: symulacja źródła zasilanego wodorem 5 Suma godzin 30 P8 - [JM] projekt: symulacja układu parowego mocy 500 MW zasilanego 5 P10 - [WB] analiza ekonomicznotechniczna źródła zasilanego wodorem z własnym magazynem 5 5 20 48 7. Narzędzia dydaktyczne Wykłady - Prezentacje w formacie PDF i Power Point Wykorzystanie pakietów naukowych do projektowania i identyfikacji modeli podczas wykładu, w tym praca własna studenta Programy komputerowe do bilansowania układów energetycznych Aspen HYSYS, GateCycle. Rzeczywiste dane pomiarowe opisujące pracę technologii wodorowych Dane wejściowe pozwalające studentom na projektowanie i identyfikowanie procesów oraz budowę odpowiednich modeli w domu z wykorzystaniem dostępnych pakietów inżynierskich 8. Punkty ECTS - 5 9. Literatura podstawowa i uzupełniająca: Materiały dydaktyczne do przedmiotu dostępne na stronach Instytutu Techniki Cieplnej Strony internetowe światowych programów rozwoju technologii wodorowych (np.WE-Net) 49 WSPÓŁCZESNE ZAGADNIENIA BADAWCZE W PROCESACH MAGAZYNOWANIA ENERGII 1. Osoby odpowiedzialne za przedmiot: Prof. dr hab. inż. Roman Domański Dr inż. Maciej Jaworski Dr inż. Małgorzata Leszczyńska-Domańska Mgr inż. Adam Rajewski 2. Dyscyplina naukowa: Energetyka, Mechanika, Elektrotechnika, Budowa i Eksploatacja Maszyn 3. Wymagania wstępne w zakresie wiedzy, umiejętności i innych kompetencji: Wymagana jest wiedza na poziomie podstawowym z termodynamiki, wymiany ciepła oraz elektrotechniki. Wskazana byłby również wiedza na temat charakterystyk źródeł energii i podstawowych metod jej konwersji w systemach energetycznych. 4. Cele kształcenia Przekazanie aktualnej wiedzy na temat technik magazynowania energii. Omówienie metod badawczych stosowanych w odniesieniu do systemów i prostych układów akumulacji energii (w tym szczególnie akumulacji ciepła). Omówienie metod badania właściwości fizycznych substancji akumulujących ciepło. Uczestnik kuru będzie miał świadomość złożoności systemów konwersji energii, w szczególności roli układów akumulacji energii we współczesnych systemach energetycznych różnej skali. Będzie potrafił dobrać odpowiednią do danego systemu energetycznego odpowiednią technologię magazynowania energii jak, również przeprowadzić obliczenia ilościowe dla tego systemu. Będzie również przygotowany do pojęcia prac o charakterze naukowo-badawczym w obszarze akumulacji energii. 5. Efekty kształcenia (a) Wiedza [W1] Doktorant ma świadomość konieczności wprowadzana do systemów elektroenergetycznych akumulatorów energii, szczególnie w związku z rosnącym udziałem źródeł energii odnawialnej, [W2] Doktorant zna podstawowe i perspektywiczne technologie konwersji energii oraz ich charakterystyki ilościowe (np. sprawności) [W3] Doktorant zna metody akumulacji energii adresowane do dużych systemów energetycznych, [W4] Doktorant ma wiedzę na temat złożonych systemów akumulacji energii opartych obejmujących produkcje paliw (wodór, biomasa), [W5] Doktorant posiada wszechstronną wiedzę na temat różnorodnych technik akumulacji ciepła [W6] Doktorant zna nowoczesne techniki akumulacji energii elektrycznej, [W7] Doktorant ma wiedzę na temat wykorzystania układów akumulacji energii w zastosowaniach pozasystemowych (b) Umiejętności [U1] Doktorant potrafi przeprowadzić bilans energii systemów energetycznych o różnej skali w celu doboru wielkości układu akumulującego energię, [U2] Doktorant posiada podstawowe umiejętności posługiwania się zaawansowanymi narzędziami obliczeniowymi do analizy ilościowej procesów cieplno-przepływowych, [U3] Doktorant potrafi sformułować zagadnienie obliczeniowe przy ocenie parametrów pracy wybranych akumulatorów ciepła, 50 [U4] Doktorant potrafi przeprowadzić krytyczną ocenę wyników badań eksperymentalnych układów akumulacji ciepła, [U5] Doktorant potrafi przeprowadzić analizę obliczeniową (bilansową) układu akumulacji energii obejmującego wytwarzanie wodoru, jego przechowywanie i wykorzystanie w ogniwach paliwowych. (c) Kompetencje społeczne [K1] Doktorant rozumie potrzebę nieustannego samokształcenia w zakresie nowoczesnych technologii energetycznych, [K2] Doktorant potrafi pracować w zespole nad rozwiązaniem zagadnienia naukowego. 6. Szczegółowe treści programowe 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Zasoby energetyczne Świata i Polski, prognozy zużycia energii z uwzględnieniem różnych wariantów rozwoju. Miejsce magazynowania energii w procesach konwersji energii, podstawowe metody i możliwości akumulacji energii w różnych formach. Sprawność procesów konwersji energii. Aktualny stan umiejętności i pożądane kierunki rozwoju praktycznej realizacji przemian energetycznych. Bariery fizyczne i technologiczne. Podstawy teoretyczne procesów akumulacji energii. Podstawowe parametry charakteryzujące procesy akumulacji energii. Zasób energii akumulowanej, czasy ładowania i rozładowania, moce oraz sprawność procesów akumulacji energii. Zaawansowane modele transportu energii. Metody i możliwości akumulacji energii w różnych formach uwzględnieniem kierunków badawczych i stosowanych najnowszych narzędzi: akumulacja energii na sposób ciepła, akumulacja energii elektrycznej, akumulacja energii mechanicznej, akumulacja energii przez produkcję biomasy, akumulacja energii przez produkcję paliw. Akumulacja ciepła w strukturach podziemnych (w gruncie, ciekach wodnych, w naturalnych i sztucznych podziemnych zbiornikach wody). Charakterystyka istniejących układów. Akumulacja w gruncie – modele matematyczne i symulacje numeryczne procesów transportu ciepła w czasie ładowania i rozładowania. Rola wilgoci, procesy przemarzania. Modelowanie pól temperatury w złożu z uwzględnieniem transportu wody. Metody badawcze dotyczące właściwości cieplnych gruntu, nowoczesne metody sondowania. Kierunki badawcze w rozwoju pomp ciepła i złożonych układów z ich wykorzystaniem. Akumulacja ciepła z wykorzystaniem materiałów zmiennofazowych (PCM). Podstawy teoretyczne przemian fazowych, modelownie pól temperatur w zasobnikach ciepła z uwzględnieniem procesów przemian fazowych. Charakterystyki materiałów PCM – zakresy temperatur pracy, entalpia topnienia, przewodności cieplne, stabilność. Badania właściwości cieplnych materiałów pod kątem ich wykorzystania w magazynach energii (kalorymetry DSC, DTA). Badania stabilności i stopnia przechłodzenia materiałów. Badania charakterystyk pracy zasobników ciepła. Przykłady rozwiązań konstrukcyjnych zasobników ciepła z PCM. Wykorzystanie materiałów PCM do stabilizacji temperatury i chłodzenia układów elektronicznych. Akumulacja ciepła w systemach ciepłowniczych. Techniczne metody realizacji. Skutki ekonomiczne zastosowania – podwyższanie sprawności konwersji energii w kogeneracji, podnoszenie rentowności pracy instalacji kogeneracyjnych. Wpływ stosowania akumulacji ciepła na elastyczność instalacji kogeneracyjnych i wynikowy wzrost stabilności systemu energetycznego. Narzędzia do analizy i planowania pracy układów ciepłowniczych z zasobnikami. Możliwości rozwoju technologii oraz narzędzi analitycznych. 51 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. Magazynowanie energii mechanicznej w kołach zamachowych. Konstrukcja kół zamachowych. Materiały używane do ich wykonania. Modelowanie obciążeń kół zamachowych w różnych strukturach. Naprężenia graniczne. Charakterystyka istniejących układów. Akumulacja energii z wykorzystaniem procesów elektrochemicznych. Baterie I i II rodzaju. Podstawy teoretyczne, parametry pracy, sprawności, liczba cykli ładowania i rozładowania. Zakres zastosowań i metody modelowania obciążeń. Superkondensatory i kondensatory jako akumulatory energii. Podstawy teoretyczne, zakres i możliwości stosowania. Przykłady zastosowań w małych i dużych układach energetycznych (komputer, sieć elektroenergetyczna). Kierunki rozwoju, istniejące bariery i ograniczenia. Akumulacja energii w procesach wytwarzania i przechowywania wodoru. Metody wytwarzania wodoru. Przechowywanie wodoru. Magazynowanie w układach z nanowłóknami i w nanosferach. Wodorki metali. Analiza oszczędności w globalnej i lokalnej emisji zanieczyszczeń wynikających z zastosowania paliwa wodorowego w zależności od techniki wytwarzania wodoru. Koncepcja zastosowania wysokotemperaturowych reaktorów jądrowych do produkcji wodoru – kierunki badań, istniejące bariery. Ogniwo paliwowe jako element układu konwersji i akumulacji energii. Zasady działania ogniw paliwowych. Modele transportu energii dla różnych typów ogniw paliwowych. Modelowanie matematyczne pracy ogniw paliwowych przy generacji energii elektrycznej oraz energii elektrycznej i ciepła. Biomasa jako akumulator energii słonecznej. Procesy fotosyntezy. Plantacje energetyczne, biomasa odpadowa. Produkcja paliw stałych ciekłych i gazowych z biomasy. Perspektywy rozwoju biopaliw III generacji – niezbędne kierunki badań i wdrożeń. Akumulacja energii w układach ze sprężonym powietrzem (CAES) – metody modelowania, opis termodynamiczny. Układy ze stałym ciśnieniem i przy stałej objętości. Opis istniejących i budowanych instalacji z CAES. Broń pneumatyczna i inne zakresy stosowania sprężonego gazu. Hydro pompownie – wielkie akumulatory energii. Podstawy teoretyczne. Ograniczenia sprawności procesu i metody jej podnoszenia. Kierunki rozwoju stosowanych maszyn (turbiny, pompy, turbo-pompy). Magazynowanie energii dla zapewnienia mocy rezerwowej w systemie elektroenergetycznym. Magazynowanie pośrednie przy użyciu innych form energii jako sposób kompensowania braku zdolności do magazynowania energii elektrycznej (chemicznej – magazynowanie paliw, potencjalnej – elektrownie wodne, wewnętrznej – CAES). Metodyka obliczeń niezbędnych rezerw energii w systemie gotowych do natychmiastowego wykorzystania. Symulacja pracy układów energetycznych z instalacjami magazynowania energii. Przykłady akumulacji energii w systemach z rozproszonymi odnawialnymi źródłami energii. Modelowanie układu: źródło-akumulator-użytkownik. Symulacja numeryczna układów. Optymalizacja parametrów konstrukcyjnych oraz reżimu eksploatacji przy użyciu narzędzi informatycznych. Akumulacja energii w kosmosie. Techniki i cele. Wymagania stawiane układom magazynowania energii w kosmosie. Ograniczenia wynikające ze specyfiki zastosowania. Kierunki rozwoju. Akumulacja energii w transporcie. Układy hybrydowe do akumulacji energii (kinetycznej, elektrycznej). Magazyny o dużych gęstościach mocy i dopuszczalnej ilości cykli ładowania powyżej 100 000. Modele matematyczne współdziałania, zaawansowane modelowanie bilansu energii dla różnych warunków pracy. Możliwości perspektywicznego wykorzystania układów magazynowania energii w transporcie dla poprawy stabilności sieci elektroenergetycznych. Podsumowanie. Macierz konwersji energii, sprawności. Zakres i możliwości stosowania akumulatorów energii. Określenie głównych kierunków prowadzonych obecnie i perspektywicznych prac badawczych. Określenie stanu zaawansowania badań i stanu dojrzałości najbardziej zaawansowanych technologii. Przedstawienie obecnie prowadzonych w Politechnice Warszawskiej projektów badawczo-rozwojowych w dziedzinie magazynowania energii. 7. Narzędzia dydaktyczne Zajęcia audytoryjne (45 godzin): 52 Wykład w formie prezentacji elektronicznych – 30 godz. Zajęcia praktyczne: ćwiczenia rachunkowe, zadania z wykorzystaniem zaawansowanych narzędzi obliczeniowych – 10 godz. Seminarium poświęcone przygotowanym prezentacjom, dyskusja – 5 godz. Praca własna (ok. 30 godzin): Przygotowanie prezentacji typu konferencyjnego na wybrany temat. Rozwiązywanie zadań domowych. Przygotowanie do kolokwium zaliczającego. 8. Punkty ECTS - 5 9. Zalecana literatura Publikacje książkowe: 1. 2. 3. 4. R. Domański, Magazynowanie energii cieplnej. PWN, Warszawa, 1990. L. Cabeza (ed.), Advances in Thermal Energy Storage Systems. Methods and Applications. Elsevier, 2015 (dostęp przez www.bg.pw.edu.pl) R.A. Huggins, Energy Storage, Springer, 2010 Michael Hirscher, Handbook of Hydrogen Storage: New Materials for Future Energy Storage, John Wiley & Sons, 2010 Publikacje w czasopismach naukowych (przykłady z roku 2015; dostęp przez www.bg.pw.edu.pl): 1. T. Mahto, V. Mukherjee, Energy storage systems for mitigating the variability of isolated hybrid power system, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 51, 2015, 1564-1577 2. J. Cho, S. Jeong, Y. Kim, Commercial and research battery technologies for electrical energy storage applications, Progress in Energy and Combustion Science, 48, 2015, 84-101 3. S. Rehman, L. M. Al-Hadhrami, Md. M. Alam, Pumped hydro energy storage system: A technological review, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 44, 2015, 586-598 4. M. Genovese, K. Lian, Polyoxometalate modified inorganic–organic nanocomposite materials for energy storage applications: A review, Current Opinion in Solid State and Materials Science, 19, 2, 2015, 126-137 5. A. Hesaraki, S. Holmberg, F. Haghighat, Seasonal thermal energy storage with heat pumps and low temperatures in building projects – A comparative review, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 43, 2015, 1199-1213 6. Z. Zhou, Z. Zhang, J. Zuo, Ke Huang, L. Zhang, Phase change materials for solar thermal energy storage in residential buildings in cold climate, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 48, 2015, 692-703 7. S. Pintaldi, C. Perfumo, S. Sethuvenkatraman, S. White, G. Rosengarten, A review of thermal energy storage technologies and control approaches for solar cooling, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 41, 2015, 975-995 8. L. Zhang, Z. Liu, G. Cui, L. Chen, Biomass-derived materials for electrochemical energy storages, Progress in Polymer Science, 43, 2015, 136-164 9. B. Zakeri, S. Syri, Electrical energy storage systems: A comparative life cycle cost analysis, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 42, 2015, 569-596 10. G. Ren, G. Ma, N. Cong, Review of electrical energy storage system for vehicular applications, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 41, 2015, 225-236 53 ZAAWANSOWANE ZAGADNIENIA BADAWCZE W NAPĘDACH LOTNICZYCH I KOSMICZNYCH 1. Osoby odpowiedzialne za przedmiot: Prof. dr hab. inż. Piotr Wolański Dr inż. Jan Kindracki 2. Dyscyplina naukowa: Mechanika, Budowa i Eksploatacja Maszyn, Transport 3. Wymagania wstępne w zakresie wiedzy, umiejętności i innych kompetencji: Ukończenie studiów magisterskich z zakresu Lotnictwa i Kosmonautyki; Podstawowa wiedza o napędach lotniczych i kosmicznych. 4. Cele kształcenia: Poznanie możliwości i metod podwyższania sprawności napędów lotniczych i kosmicznych Najnowsze tendencje rozwojowe napędów lotniczych i kosmicznych Poznanie możliwości i metod poprawy ekologicznych aspektów pracy silników lotniczych i kosmicznych Nowe rozwiązana napędów lotniczych i kosmicznych Zapoznanie się z nowoczesnymi metodami obliczeń i projektowania nowych napędów Poznanie nowoczesnych metod badania i rozwoju silników lotniczych i kosmicznych 5. Efekty kształcenia (a) Wiedza W_01: Student wie, jakie są metody podnoszenia sprawności typowego napędu lotniczego i kosmicznego W_02: Student zna wpływ działania silnika lotniczego i zna metody zmniejszenia ich szkodliwego działania W_03: Student zna metodykę badawczą silników lotniczych i kosmicznych (b) Umiejętności: U_01: Student umie wykonać analizę wpływu zastosowania nowoczesnego rozwiązania w silniku lotniczym na poprawę jego sprawności U_02: Student umie dobrać odpowiedni napęd do danego statku powietrznego bądź kosmicznego U_03: Student umie wykonać analizę parametrów statku kosmicznego i na jej podstawie dobrać odpowiedni silnik 6. Szczegółowe treści programowe: 1. Wprowadzenie Przegląd najnowszych rozwiązań silników lotniczych, turbinowych, strumieniowych i rakietowych. Przegląd niekonwencjonalnych rozwiązań. Analiza prac nad możliwością podwyższenia sprawności ogólnej silnika, uczynienie silników bardziej przyjaznych dla środowiska poprzez obniżenia poziomu hałasu generowanego przez silnik i obniżenia emisji toksycznych składników spalin oraz opracowania silników zespolonych do napędu naddźwiękowych i hipersonicznych samolotów. 54 2. Silniki turbinowe Analiza możliwości podwyższenia stopnia dwuprzepływowości. Silniki wentylatorowe i propfany, analiza możliwości wykorzystania wymienników ciepła. Możliwości podwyższenia sprężu i temperatury przed turbiną. Wektorowanie ciągu. Metody obniżenia hałasu, emisji CO2, tlenków azotu i obniżenia zużycia paliwa. Paliwa alternatywne. 3. Silniki Strumieniowe Analiza obecnego stanu rozwoju silników strumieniowych. Silniki strumieniowe z naddźwiękową komorą spalania. Silniki zespolone turbinowo strumieniowe. Analiza osiągów i możliwe zastosowania do napędów samolotów naddźwiękowych i hipersonicznych oraz boosterów rakiet kosmicznych. 4. Silniki rakietowe Analiza obecnego stanu rozwoju silników rakietowych. Silniki na stały i ciekły materiał pędny. Silniki hybrydowe. Ekologiczne rakietowe materiały pędne. Silniki nuklearne i termonuklearne, mass drivery, żagle słoneczne do bezzałogowych misji międzyplanetarnych oraz do usuwania z orbity ostatnich stopni rakiet i satelitów po zakończeniu ich okresu eksploatacji. Możliwe osiągi i zakresy stosowania. 5. Możliwości wykorzystania spalania detonacyjnego do silników strumieniowych, turbinowych i rakietowych Krótkie omówienie spalania detonacyjnego, wad i zalet w porównaniu ze spalaniem deflagracyjnym; rodzaje napędów wykorzystujących detonację, wady i zalety; przykładowe rozwiązania konstrukcyjne; problemy związane z możliwością ich budowy (materiały, technologie). 6. Lotnicze napędy elektryczne Wykorzystanie silników elektrycznych do napędów bezpilotowych samolotów i śmigłowców oraz motoszybowców i małych samolotów załogowych oraz potencjalnych źródeł ich zasilania; analiza parametrów pracy i osiągów; zakres zastosowania; przykłady wykorzystania silników elektrycznych w napędach lotniczych; potencjalne możliwości oraz problemy wykorzystania wodoru w napędach lotniczych; 7. Kosmiczne napędy elektryczne Podstawy fizyczne napędów elektrycznych; napędy elektrotermiczne, napędy elektrostatyczne; napędy plazmowe i hydroelekrodynamiczne, zagadnienia konstrukcyjne napędów elektro-termicznych; rezystojety; silniki łukowe; inne napędy elektro-termiczne. Zasady doboru napędów satelitarnych. Parametry napędów kosmicznych. Podejście systemowe do doboru napędu satelity. Optymalizacja napędów satelitów 8.Pojemnościowa Tomografia Komputerowa: Zasada działania. Metody pomiarowe. Metody rekonstrukcji. Zastosowania w procesie spalania. Laboratorium Pojemnościowej Tomografii Komputerowej: rekonstrukcja płomieni kinetyczno-dyfuzyjnych; rekonstrukcja procesu spalania w komorze spalania silnika GTD350; rekonstrukcja procesu spalania w palnikach przemysłowych. 7. Narzędzia dydaktyczne W trakcie zajęć wykorzystane zostaną materiały w formacie PDF lub PPS. Zaliczenie przedmiotu odbędzie się poprzez kolokwium zaliczające końcowe, którego szczegółowa forma zostanie przekazana słuchaczom na pierwszych zajęciach. 8. Punkty ECTS - 5 55 9. Spis literatury podstawowej i uzupełniającej (podręczniki, monografie, tytułu czasopism naukowych wykorzystanych podczas kursu) [1] Seria Napędy Lotnicze Wydawnictw Komunikacji i Łączności; [2] Mattingly, J.D., W.H. Heiser, and D.T. Pratt, Aircraft Engine Design. (AIAA education series), ed. AIAA. 2002, Reston: AIAA. [3] Mattingly, J.D. „Elements of Propulsion: Gas Turbines and Rockets” [4] G.C. Oates „Aerothermodynamics of Aircraft Engine Components” [5] R. Stone „Introduction to Internal Combustion Engines” [6] S. Wójcicki,: „Spalanie”, PWN, Warszawa; [7] S. Wójcicki,: „Silniki pulsacyjne, strumieniowe, rakietowe”, MON, Warszawa, 1962; [8] P. Wolański,: „Spalanie naddźwiękowe i jego zastosowanie w hipersonicznych silnikach strumieniowych” część I, Technika Lotnicza i Astronautyczna, 1966, 10-11; [9] P. Wolański,: „Spalanie naddźwiękowe i jego zastosowanie w hipersonicznych silnikach strumieniowych” część II, Technika Lotnicza i Astronautyczna, 1966, 12; [10] P. Wolanski,: „Air-breathing Space Boosters”, Annales Universitatis Maria CurieSklodowska, Lublin, Vol. XLIII/XLIV, 32, 1988/1989, pp. 355-364. ; [11] P. Wolanski,.: „Alternatywne paliwa lotnicze do silników turbinowych”, Technika Lotnicza i Astronautyczna, Nr 2, 1987, str. 6-8.; [12] P. Wolański,: “Silniki turbinowe dla samolotów komunikacyjnych”, Seminarium Eksploatacja Silników CF6-80C2 w PLL “LOT” S.A. lata 1989-1994, Referaty, Warszawa, 1994, str. 3-19 [13] P. Dzierżanowski i in. „ Turbinowe silniki odrzutowe” [14] P. Dzierżanowski i in. „Silniki odrzutowe” [15] Kuo.K.K. Principles of Combustion, Wiley, 2005 [16] Roy G.D. Combustion Processes in Propulsion Control, noise and pulse detonation, Elsevier Butterworth-Heinemann, 2006 [17] Lee. J.H.S. The detonation phenomenen, Cambridge University Press, 2008 [18] Wolanski, P., Kindracki, J., Fujiwara, T.: An experimental study of small rotating detonation engine. In: Roy, G., Frolov, S., Sinibaldi, J. (eds.) Pulsed and Continuous Detonations. Torus Press, Moscow (2006) pp. 332–338 [19] Chao T.W., Wintenberger E., Shepherd J.E., (2001) “On the Design of Pulse Detonation Engines”, GALCIT Report FM 00-7 [20] Nikolaev Yu. A., Vasil'ev A. A., Ul'yanitskii B. Yu., (2003) “Gas Detonation and its Application in Engineering and Technologies (Review)”, Combustion, Explosion, and Shock Waves, Vol. 39, No. 4, p.382-410 [21] Roy G.D., Frolov S.M., Borisov A.A., Netzer D.W., (2004) “Pulse detonation propulsion: challenges, current status, and future perspective” Progress in Energy and Combustion Science 30 p.545-672 [22] Wintenberger E., Shepard J.E., “Detonation Wave and Pulse Detonation Engine”, presentation, Explosion Dynamics Laboratory, California Institute of Technology, Electronic version at: http://www.galcit.caltech.edu/EDL/projects/pde/ [23] Micci, M.M. and A.D. Ketsdever, Micropropulsion for Small Spacecraft. Progress in Astronautics and Aeronautics, ed. P. Zarchan. 2000, Reston: AIAA. [24] Jahn, R.G., Physics of electric propulsion. 2006, Mineola, New York: Dover Publication Inc. [25] Goebel, D.M. and I. Katz, Fundamentals of Electric Propulsion: Ion and Hall Thrusters. 2008: Willey. 56