Modelowanie procesów energetycznych

Nazwa przedmiotu:
MODELOWANIE PROCESÓW ENERGETYCZNYCH
Modeling of energy conversion processes
Kierunek:
Kod przedmiotu:
ENERGETYKA
Forma studiów:
Stacjonarne
Rodzaj przedmiotu:
Poziom przedmiotu:
specjalności obieralny
I stopnia
E_mso_3B
Rok: III
Semestr: VI
Rodzaj zajęć:
Liczba godzin/tydzień:
Liczba punktów:
E
wykład, laboratorium
2W , 2L
6 ECTS
PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE
I KARTA PRZEDMIOTU
CEL PRZEDMIOTU
C1. Zapoznanie studentów z podstawami metod numerycznych stosowanych w wymianie ciepła i
mechanice płynów oraz z podstawami modelowania obiegów termodynamicznych
C2. Nabycie przez studentów praktycznych umiejętności w opracowaniu programów
komputerowych implementujących metody numeryczne w przypadku prostych zagadnień
przewodzenia ciepła oraz wykorzystania programów użytkowych do analizy numerycznej
procesów cieplno-przepływowych .
WYMAGANIA WSTĘPNE W ZAKRESIE WIEDZY, UMIEJĘTNOŚCI I INNYCH KOMPETENCJI
1.
2.
3.
4.
Wiedza z zakresu analizy matematycznej.
Podstawowe umiejętności w zakresie programowania-standard C lub FORTRAN 90 .
Umiejętność wykonywania działań matematycznych do rozwiązywania postawionych zadań.
Umiejętność korzystania z różnych źródeł informacji w tym z instrukcji do ćwiczeń, opisów
języków programowania, opisów kompilatorów języków programowania oraz dokumentacji
programów użytkowych .
5. Umiejętności pracy samodzielnej i w grupie.
6. Umiejętności prawidłowej interpretacji i prezentacji własnych działań.
EFEKTY KSZTAŁCENIA
EK 1 – podstawowa wiedza w zakresie równań różniczkowych w wymianie ciepła i mechanice
płynów,
EK 2 – zna podstawowe metody dyskretyzacji równań różniczkowych,
EK 3 – potrafi przeprowadzić dyskretyzację równań różniczkowych przewodzenia ciepła metodą
całkowania w objętości kontrolnej, zna własności schematu jawnego i niejawnego,
EK 4 – zna podstawowe metody algebry liniowej,
EK 5 – potrafi przeprowadzić dyskretyzację równania różniczkowego konwekcji-dyfuzji, rozumie
rolę stosowania schematów „upwind”, zna schematy „upwind” wyższego rzędu
EK 6 – potrafi sformułować warunki brzegowe w zagadnieniach wymiany ciepła i mechaniki
płynów,
EK 7 – potrafi przeprowadzić dyskretyzację równań Naviera-Stokesa metodą całkowania w
objętości kontrolnej na siatkach strukturalnych i niestrukturalnych, zna podstawowe
metody określania pola ciśnienia
EK8 -
zna rolę metod numerycznego modelowania w projektowaniu i optymalizacji maszyn i
urządzeń cieplno-przepływowych, ich wpływ na oszczędności materiałów i energii
EK 9 – potrafi przygotować program komputerowy implementujący metodę całkowania w
objętości kontrolnej dla zagadnień jedno- oraz dwuwymiarowego ustalonego i
nieustalonego przewodzenia ciepła,
EK 10 – potrafi zdefiniować geometrię, wygenerować siatkę numeryczną oraz sformułować
parametry programu użytkowego oraz wykonań obliczenia w przypadku prostych
zagadnień przepływowych
EK 11 – potrafi przygotować sprawozdanie z przebiegu realizacji ćwiczeń.
EK 12 – zna podstawy budowy oprogramowania do symulacji systemów energetycznych
EK 13 – zna metody modelowania obiegów cieplnych
EK 14 – zna metody podstawową bibliotekę oprogramowania do symulacji systemów
energetycznych oraz sposoby jej modyfikacji
EK 15 – potrafi skonstruować proste i złożone modele obiegów cieplnych w oprogramowaniu do
symulacji systemów energetycznych oraz wykorzystać je do przeprowadzenia obliczeń
TREŚCI PROGRAMOWE
Forma zajęć – WYKŁADY
W 1 – Równania różniczkowe mechaniki płynów i wymiany ciepła – ogólna postać
równań różniczkowych opisujących procesy cieplno-przepływowe. Charakterystyka
układów współrzędnych i ich wpływu na metody analizy równań..
W 2 – Podstawowe metody dyskretyzacji równań różniczkowych cząstkowych. Metoda
całkowania w objętości kontrolnej na przykładzie równania ustalonego
przewodzenia ciepła, sformułowanie różnych typów warunków brzegowych
W 3 – Podstawowe metody rozwiązywania układów liniowych równań algebraicznych,
metody bezpośrednie i iteracyjne, źródła nieliniowości, metody linearyzacji członu
źródłowego
W 4 – Zagadnienia nieustalonego przewodzenia ciepła: schemat jawny, niejawny,
Cranka-Nicolsona
W 5 – Zagadnienie dwu- i trójwymiarowego przewodzenia ciepła, siatki strukturalne i
niestrukturalne
W 6,7 – Zastosowanie metody całkowania w objętości kontrolnej do dyskretyzacji
równań Naviera-Stokesa na siatkach strukturalnych i niestrukturalnych. Przykłady
zastosowań numerycznej analizy w rozwiązywaniu złożonych zagadnień fizycznych
z uwzględnieniem przemian fazowych, przepływów wielofazowych oraz
przepływów z reakcjami chemicznymi
W 8 – Podstawy modelowania obiegów termodynamicznych. Przykłady modeli siłowni
kondensacyjnych
W 9 - Wprowadzenie do programu IPSEpro. Struktura i rozszerzenia.
W 10 - Podstawowa biblioteka IPSEpro do modelowania obiegów siłowni
kondensacyjnych. Przykłady użycia elementów.
W11 - Modelowanie prostych obiegów cieplnych. Metodyka budowania modelu.
W12 - Modelowanie złożonych obiegów cieplnych na przykładzie siłowni kondensacyjnej
z przegrzewem pary i regeneracją wody zasilającej.
W13 - Wprowadzenie do Model Development Kit. Budowanie własnych komponentów.
W14 - Przykłady obliczeń złożonych obiegów cieplnych z wykorzystaniem
zmodyfikowanych komponentów podstawowych bibliotek.
Razem
Liczba
godzin
2
2
2
2
2
5
2
2
2
2
3
2
2
30
2
Forma zajęć – LABORATORIUM
L 1 – Podstawy języka programowania.
L 2 – Opracowanie programu do analizy jednowymiarowego ustalonego przewodzenia
ciepła
L 3,4 – Opracowanie programu do analizy jednowymiarowego nieustalonego
przewodzenia ciepła: schemat jawny, niejawny, Cranka-Nicolsona
L 5,6 – Zastosowanie programu komercyjnego do analizy dwuwymiarowego przepływu w
kwadratowym zagłębieniu z ruchomą ścianą. Analiza wpływu: rzędu aproksymacji,
zagęszczenia siatki, rzędu schematu „upwind”
L 7,8 –Analiza przepływów dwufazowych oraz z reakcjami chemicznymi
L 9 - Zapoznanie się z obsługą środowiska IPSEpro.
L 10 - Modelowanie i obliczenia prostych obiegów cieplnych.
L 11 - Modelowanie i obliczenia układów siłowni kondensacyjnych.
L12,13 - Zapoznanie się z obsługą Model Development Kit. Budowa własnych
komponentów.
L 14-15 - Modyfikowanie komponentów podstawowych bibliotek. Obliczenia złożonych
obiegów cieplnych.
Razem
Liczba
godzin
2
2
4
4
4
2
2
4
2
4
30
NARZĘDZIA DYDAKTYCZNE
1. – wykład z wykorzystaniem prezentacji multimedialnych
2. – ćwiczenia laboratoryjne, opracowanie sprawozdań z realizacji przebiegu ćwiczeń
3. – dokumentacja programów komercyjnych do analizy zjawisk cieplno-przepływowych i obiegów
termodynamicznych
4. – instrukcje do wykonania ćwiczeń laboratoryjnych
SPOSOBY OCENY ( F – FORMUJĄCA, P – PODSUMOWUJĄCA)
F1. – ocena przygotowania do ćwiczeń laboratoryjnych
F2. – ocena umiejętności stosowania zdobytej wiedzy podczas wykonywania ćwiczeń
F3. – ocena sprawozdań z realizacji ćwiczeń objętych programem nauczania
F4. – ocena aktywności podczas zajęć
P1. – ocena umiejętności rozwiązywania postawionych problemów oraz sposobu prezentacji
uzyskanych wyników – zaliczenie na ocenę*
P2. – ocena opanowania materiału nauczania będącego przedmiotem wykładu - egzamin
*) warunkiem uzyskania zaliczenia jest otrzymanie pozytywnych ocen ze wszystkich ćwiczeń laboratoryjnych,
3
OBCIĄŻENIE PRACĄ STUDENTA
Forma aktywności
Średnia liczba godzin na
zrealizowanie aktywności
30W 30L → 60 h
5h
27 h
15 h
10 h
Godziny kontaktowe z prowadzącym
Konsultacje
Zapoznanie się ze wskazaną literaturą
Przygotowanie do ćwiczeń laboratoryjnych
Wykonanie sprawozdań z realizacji ćwiczeń laboratoryjnych
(czas poza zajęciami laboratoryjnymi)
Przygotowanie do egzaminu
Egzamin
Suma
∑
SUMARYCZNA LICZBA PUNKTÓW ECTS
DLA PRZEDMIOTU
Liczba punktów ECTS, którą student uzyskuje na zajęciach
wymagających bezpośredniego udziału prowadzącego
Liczba punktów ECTS, którą student uzyskuje w ramach zajęć o
charakterze praktycznym, w tym zajęć laboratoryjnych i
projektowych
30 h
3h
150 h
6 ECTS
2,72 ECTS
2,20 ECTS
LITERATURA PODSTAWOWA I UZUPEŁNIAJĄCA
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Ansys-CFD- dokumentacja program
Ferziger J.H.: Computational Methods for Fluid Dynamics, Springer, 1996
Fletcher C.A.J. : Computational Techniques for Fluid Dynamics, Springer-Verlag, 1991
C. Hirsch: Numerical Computation of Internal and External Flows, John Wiley & Sons, 2001
Patankar S. V. : Numerical Heat Transfer and Fluid Flow.McGraw-Hill Book Company, 1980.
Wendt F.W.: Computational Fluid Dynamics, Springer-Verlag, 1992
P. Wesseling: Principles of Computational Fluid Dynamics
IPSEpro, PSE – podręcznik użytkownika. SimTech, 2012
IPSEpro, MDK – podręcznik użytkownika. SimTech, 2012
PROWADZĄCY PRZEDMIOT ( IMIĘ, NAZWISKO, ADRES E-MAIL)
1. dr hab inż. Andrzej Bogusławski, prof. PCz
2. dr inż. Artur Tyliszczak
3. dr. Inż. Maciej Marek
[email protected],
[email protected]
[email protected]
4
MACIERZ REALIZACJI EFEKTÓW KSZTAŁCENIA
Efekt
kształcenia
EK1
EK2
EK3
EK4
EK5
EK6
EK7
EK8
EK 9
EK10
EK11
Odniesienie
danego efektu do
efektów
zdefiniowanych
dla całego
programu (PEK)
K_W01
K_W02
K_W01
K_W26
K_W01
K_W26
K_W01
K_W26
K_W01
K_W26
K_W01
K_W26
K_W01
K_W13
K_W26
K_W26
K_U01
K_U05
K_U36
K_K01
K_K02
K_K07
K_W38
K_U05
K_U16
K_U35
K_U36
K_W12
K_W13
K_W26
K_W38
K_U05
K_U01
K_U02
K_U03
K_U04
Cele
przedmiotu
Treści
programowe
Narzędzia
dydaktyczne
Sposób
oceny
C1
W1
1
P2
C1
W2
1
P2
C1
W2,W4,W5
1
P2
1
P2
C1
W3
C1
W6
1
P2
C2
W6,W7
1
P2
C1
W6_W7
1
P2
C1
W13-15
1
P2
C2
C2
L1-L7
L8-L15
1,2,4
1,2,3,4
F1
F2
F3
F4
P1
F1
F2
F3
F4
P1
C2
L1-15
2,4
F3
P1
EK12
K_W26
K_W38
C1
W8, W9
1,3
P2
EK13
K_W12
K_W26
C1
W8, W11-12,
W14
1
P2
C1
W10, W13
1,3
P2
C2
L9-15
1,2,3,4
F1
EK14
EK15
K_W12
K_W26
K_U16
5
K_U27
K_U35
K_U36
F2
F3
II. FORMY OCENY - SZCZEGÓŁY
Efekty
kształcenia
Uwaga! Ocenie
powinny podlegać
wszystkie efekty
zdefiniowane dla
przedmiotu
EK1-9, EK12-14
Student opanował
wiedzę z zakresu
numerycznego
modelowania
procesów cieplnoprzepływowych, zna
podstawowe metody
dyskretyzacji równań
wymiany ciepła i
mechaniki płynów
EK9-10, EK15
Student posiada
umiejętności
programowania
prostych metod
numerycznych w
zakresie wymiany
ciepła oraz
wykorzystania
programów
komercyjnych do
analizy zagadnień
cieplnoprzepływowych
Na ocenę 2
Na ocenę 3
Na ocenę 4
Na ocenę 5
Student nie
opanował wiedzy z
zakresu
numerycznego
modelowania
procesów cieplnoprzepływowych
Student częściowo
opanował wiedzę z
zakresu
numerycznego
modelowania
procesów cieplnoprzepływowych
Student opanował
wiedzę z zakresu
numerycznego
modelowania
procesów cieplnoprzepływowych w
zakresie
samodzielnego
rozwiązywania
prostych zagadnień
wymiany ciepła i
mechaniki płynów
Student bardzo
dobrze opanował
wiedzę z zakresu
materiału objętego
programem
nauczania,
samodzielnie
zdobywa i poszerza
wiedzę przy użyciu
różnych źródeł, może
rozwijać
samodzielnie
umiejętności i
podejmować próby
analizy złożonych
zagadnień wymiany
ciepła i mechaniki
płynów
Student nie
opanował
umiejętności
programowania oraz
wykorzystania
programu
komercyjnego
Student nie potrafi
wykorzystać zdobytej
wiedzy, zadania
wynikające z
realizacji ćwiczeń
wykonuje z pomocą
prowadzącego
Student poprawnie
wykorzystuje wiedzę
oraz samodzielnie
rozwiązuje problemy
wynikające w trakcie
realizacji ćwiczeń
Student opanował
podstawy
programowania w
zakresie prostych
metod
numerycznych w
wymianie ciepła,
potrafi wykorzystać
program komercyjny
oraz samodzielnie
poznawać możliwości
oprogramowania w
zakresie analizy
złożonych zagadnień
cieplnoprzepływowych
6
EK11
Student potrafi
efektywnie
prezentować
i dyskutować wyniki
własnych działań
Student nie
opracował
sprawozdania/
Student nie potrafi
zaprezentować
wyników swoich
badań
Student wykonał
sprawozdanie
z wykonanego
ćwiczenia, ale nie
potrafi dokonać
interpretacji oraz
analizy wyników
własnych badań
Student wykonał
sprawozdanie
z wykonanego
ćwiczenia, potrafi
prezentować wyniki
swojej pracy oraz
dokonuje ich analizy
Student wykonał
sprawozdanie
z wykonanego
ćwiczenia, potrafi
w sposób zrozumiały
prezentować,
oraz dyskutować
osiągnięte wyniki
III. INNE PRZYDATNE INFORMACJE O PRZEDMIOCIE
Wszelkie informacje dla studentów kierunku ENERGETYKA dotyczące przedmiotu, jego zaliczenia,
konsultacji są przekazywane podczas pierwszych zajęć oraz umieszczone są na tablicach
informacyjnych Instytutu Maszyn Cieplnych.
7