Моделювання гідромеханічних процесів

Спеціальність: Хімічні технології та інженерія (освітньо-наукова програма)
Код дисципліни: 7.161.10.E.133
Кількість кредитів: 5.00
Кафедра: Хімічна інженерія
Лектор: к.т.н., доцент Гаврилів Р.І.
Семестр: 2 семестр
Форма навчання: денна
Мета вивчення дисципліни: Метою викладання даної дисципліни є ознайомлення з новими підходами комп’ютерного моделювання хіміко-технологічних процесів, поглибленого вивчення та удосконалення професійної підготовки в області проведення теоретичних досліджень та розширення практичних навиків роботи з сучасними програмними комплексами системи автоматизованого проектування – ANSYS, SOLIDWORKS. Особлива увага приділена урахуванням специфічних вимог хімічного виробництва, побудові комп’ютерних моделей основних процесів хімічної технології, їх верифікації з експериментальними даними.
Завдання: Вивчення навчальної дисципліни передбачає формування у здобувачів освіти компетентностей: Інтегральна компетентність (ІНТ): Здатність розв’язувати складні спеціалізовані задачі та проблеми хімічних технологій та інженерії під час професійної діяльності або у процесі навчання, що передбачає проведення досліджень та/або здійснення інновацій і характеризуються комплексністю та невизначеністю умов і вимог. загальні компетентності: ЗК3. Здатність до пошуку, оброблення та аналізу інформації з різних джерел. фахові компетентності: ФК1. Здатність досліджувати, класифікувати і аналізувати показники якості хімічної продукції, технологічних процесів і обладнання хімічних виробництв. ФК4. Здатність використовувати сучасне спеціальне наукове обладнання та програмне забезпечення при проведенні експериментальних досліджень і здійсненні дослідно-конструкторських розробок у сфері хімічних технологій та інженерії. Фахові компетентності професійного спрямування: ФКС 10.1. Здатність використовувати професійно-профільні знання і практичні навички в галузі обчислювальної математики (математичної статистики) для статистичної обробки експериментальних даних і математичного моделювання хімічних і хіміко-технологічних процесів та проектування обладнання хімічних технологій, зокрема з використанням САПР. ФКС 10.2. Здатність виконувати комп’ютерне моделювання та симуляцію роботи технологічного обладнання для розробки і проектування хімічного обладнання, а також моделювання основних процесів хімічної технології, їх аналізу та оптимізації.
Результати навчання: У результаті вивчення навчальної дисципліни здобувач освіти повинен бути здатним продемонструвати такі програмні результати навчання: ПР 2. Здійснювати пошук необхідної інформації з хімічної технології, процесів і обладнання виробництв хімічних речовин та матеріалів на їх основі, систематизувати, аналізувати та оцінювати відповідну інформацію. ПР 4. Оцінювати технічні і економічні характеристики результатів наукових досліджень, дослідно-конструкторських розробок, технологій та обладнання хімічних виробництв. ПР 7. Здійснювати у науково-технічній літературі, патентах, базах даних, інших джерелах пошук необхідної інформації з хімічної технології, процесів і обладнання виробництв хімічних речовин та матеріалів на їх основі, систематизувати, і аналізувати та оцінювати відповідну інформацію. КОМ 1. Зрозуміле і недвозначне донесення власних знань, висновків та аргументації до фахівців і нефахівців, зокрема, до осіб, які навчаються. АіB 3. Здатність продовжувати навчання з високим ступенем автономії
Необхідні обов'язкові попередні та супутні навчальні дисципліни: Попередні навчальні дисципліни: Фізика Вища математика Фізична хімія Процеси та апарати хімічної технології Машини та апарати хімічних виробництв Супутні і наступні навчальні дисципліни: Чисельне моделювання процесів та апаратів хімічної технології, ч.1,2 Чисельне моделювання масообмінних процесів Методологія фізичного моделювання хіміко-технологічних процесів
Короткий зміст навчальної програми: -Вступ. Загальні поняття про комп’ютерне моделювання гідромеханічних процесів в хімічній технології. CFD аналіз на основі ПК ANSYS Fluent. -Теоретичні основи механіки суцільних середовищ. Сили, які діють в суцільному середовищі, основні рівняння механіки руху рідин і газів. -Фізичні аспекти турбулентності. Загальна характеристика турбулентних потоків. Сучасні підходи і області застосування різноманітних підходів до моделювання турбулентних потоків. -Напівемпірична теорія турбулентності. Рівняння Рейнольдса і методи їх вирішення. -Гіпотеза Буссінеска і моделі турбулентної в’язкості на її основі. -Алгебраїчні і напівдиференційні моделі турбулентності. -Моделі турбулентної в’язкості з одним диференційним рівнянням. Модель Спаларта-Аллмараса. -Моделі турбулентної в’язкості з двома диференційними рівняннями. k–? і k–? моделі турбулентності та їх види. -Інші моделі на основі турбулентної в’язкості. Моделі, які не використовують гіпотезу Буссінеска. Модель рейнольдсових напружень (RSM). -Сучасні методи прямого чисельного моделювання турбулентності. Метод моделювання макровихрових структур «LES-модель» і метод моделювання відщеплених вихорів «DES-модель». -Методика постановки задачі при моделюванні турбулентних потоків в ПК ANSYS Fluent, визначення граничних умов моделювання, підготовка розрахункової моделі. -Моделювання пограничного шару в турбулентному потоці та низькорейнольдсових потоків. -Основи моделювання стаціонарних і нестаціонарних гідромеханічних процесів. -Чисельне моделювання внутрішньої, зовнішньої і змішаної задач гідромеханіки в ПК ANSYS Fluent.. -Моделювання процесів перемішування -Моделювання руху багатофазових потоків: DPM (Discrete Phase Model) модель дис¬кретної фази і DEM (Discrete Element Method) метод дискретного елемента. Аналіз траєкторії руху твердої фази в газовому потоці. -Особливості моделювання руху ненютонівських рідин -Моделювання потоків навколо рухомих об’єктів, особливості використання динамічних сіток кінцевих елементів. -Моделювання з використанням функції користувача (UDF). -Обробка результатів моделювання турбулентних потоків.
Опис: Роль комп’ютерного моделювання в наукових дослідженнях. Основні поняття комп’ютерного моделювання процесів хімічної технології. Мета і завдання моделювання ХТП. Огляд програмних продуктів для чисельного моделювання. Принципи комп’ютерного моделювання хіміко-технологічних процесів. Етапи моделювання: побудова математичного опису процесу, розробка алгоритму, чисельний експеримент. Чисельні методи моделювання основних процесів в хімічній технології. Метод кінцевих елементів (МКЕ). Реалізація МКЕ в пакеті ANSYS. Види аналізів в ANSYS. Використання методу кінцевих елементів для вирішення задач гідро- і газодинаміки в ANSYS FLUENT. Огляд і класифікація задач гідро- і газодинаміки, які вирішуються в ANSYS FLUENT. Використання методу кінцевих елементів для аналізу теплових процесів в хімічній технології. Огляд моделей, які реалізовані в програмному комплексі ANSYS FLUENT. Використання методу кінцевих елементів для аналізу процесів за участю багатофазових потоків в ANSYS FLUENT. Використання методу кінцевих елементів для дослідження масообмінних та реакційних процесів в ANSYS FLUENT. Створення проекту чисельного експерименту в програмному модулі ANSYS. Основи роботи в ANSYS WORKBENCH. Робота з проектом в ANSYS Workbench. Створення геометричних моделей досліджуваного об’єкту в Design Modeler. Створення сітки кінцевих елементів. Структуровані і неструктуровані сітки. Робота в програмному модулі Mesher. Підготовка і налаштування чисельного експерименту в ANSYS FLUENT. Вибір фізичних моделей. Налаштування робочих умов, властивостей матеріалів, сполук та потоків. Налаштування початкових та граничних умов моделювання. Вибір і налаштування вирішувача у програмі Fluent, використання явних і неявних схем дискретизації. Обробка і візуалізація результатів моделювання.
Методи та критерії оцінювання: Екзаменаційний контроль, усне опитування, поточний контроль, виконання практичних, лабораторних робіт.
Критерії оцінювання результатів навчання: Поточний контроль 30 Екзаменаційний контроль 70 Разом за дисципліну 100
Порядок та критерії виставляння балів та оцінок: 100–88 балів – («відмінно») виставляється за високий рівень знань (допускаються деякі неточності) навчального матеріалу компонента, що міститься в основних і додаткових рекомендованих літературних джерелах, вміння аналізувати явища, які вивчаються, у їхньому взаємозв’язку і роз витку, чітко, лаконічно, логічно, послідовно відповідати на поставлені запитання, вміння застосовувати теоретичні положення під час розв’язання практичних задач; 87–71 бал – («добре») виставляється за загалом правильне розуміння навчального матеріалу компонента, включаючи розрахунки , аргументовані відповіді на поставлені запитання, які, однак, містять певні (неістотні) недоліки, за вміння застосовувати теоретичні положення під час розв’язання практичних задач; 70 – 50 балів – («задовільно») виставляється за слабкі знання навчального матеріалу компонента, неточні або мало аргументовані відповіді, з порушенням послідовності викладення, за слабке застосування теоретичних положень під час розв’язання практичних задач; 49–26 балів – («не атестований» з можливістю повторного складання семестрового контролю) виставляється за незнання значної частини навчального матеріалу компонента, істотні помилки у відповідях на запитання, невміння застосувати теоретичні положення під час розв’язання практичних задач; 25–00 балів – («незадовільно» з обов’язковим повторним вивченням) виставляється за незнання значної частини навчального матеріалу компонента, істотні помилки у відповідях на запитання, невміння орієнтуватися під час розв’язання практичних задач, незнання основних фундаментальних положень.
Рекомендована література: Рекомендована література Базова Література до теоретичного курсу: 1. ANSYS 15.0 Tutorials / University of Alberta, 2015. 2. CFD-моделювання процесів теплообміну і гідродинаміки засобами програмного комплексу : монографія / О. В. Баранюк, М. В. Воробйов, А. Ю. Рачинський. – Київ : КПІ ім. Ігоря Сікорського, Вид-во «Політехніка», 2023. – 164 с. 3. FLUENT 5.5 UDF User’s Guide. Fluent Inc. September 2000. 563 р. 4. Huang Zhang, Qian-feng Liu. Numerical investigation on performance of moisture separator by Lagrangian-Eulerian strategy: Physical mechanisms, theoretical models, and advanced algorithms. Physics, Environmental Science, 158 Engineering. Annals of Nuclear Energy. 2020. DOI: 10.1016/j.anucene. 2019.107081. 5. Rabha S. S., Buwa V. V. Volume of fluid (VOF) simulations of rise of single/multiple bubbles in sheared liquids. Chem Eng Sci. 2009. No 65 (1). P. 527–537. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ces.2009.06.061 23.
Уніфікований додаток: Національний університет «Львівська політехніка» забезпечує реалізацію права осіб з інвалідністю на здобуття вищої освіти. Інклюзивні освітні послуги надає Служба доступності до можливостей навчання «Без обмежень», метою діяльності якої є забезпечення постійного індивідуального супроводу навчального процесу студентів з інвалідністю та хронічними захворюваннями. Важливим інструментом імплементації інклюзивної освітньої політики в Університеті є Програма підвищення кваліфікації науково-педагогічних працівників та навчально-допоміжного персоналу у сфері соціальної інклюзії та інклюзивної освіти. Звертатися за адресою: вул. Карпінського, 2/4, І-й н.к., кімн. 112 E-mail: nolimits@lpnu.ua Websites: https://lpnu.ua/nolimits https://lpnu.ua/integration
Академічна доброчесність: Політика щодо академічної доброчесності учасників освітнього процесу формується на основі дотримання принципів академічної доброчесності з урахуванням норм «Положення про академічну доброчесність у Національному університеті «Львівська політехніка» (затверджене вченою радою університету від 20.06.2017 р., протокол № 35).