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 - атестований з оцінкою «відмінно» - Високий рівень: здобувач освіти демонструє поглиблене володіння поняттєвим та категорійним апаратом навчальної дисципліни, системні знання, вміння і навички їх практичного застосування. Освоєні знання, вміння і навички забезпечують можливість самостійного формулювання цілей та організації навчальної діяльності, пошуку та знаходження рішень у нестандартних, нетипових навчальних і професійних ситуаціях. Здобувач освіти демонструє здатність робити узагальнення на основі критичного аналізу фактичного матеріалу, ідей, теорій і концепцій, формулювати на їх основі висновки. Його діяльності ґрунтується на зацікавленості та мотивації до саморозвитку, неперервного професійного розвитку, самостійної науково-дослідної діяльності, що реалізується за підтримки та під керівництвом викладача. 87-71 балів - атестований з оцінкою «добре» - Достатній рівень: передбачає володіння поняттєвим та категорійним апаратом навчальної дисципліни на підвищеному рівні, усвідомлене використання знань, умінь і навичок з метою розкриття суті питання. Володіння частково-структурованим комплексом знань забезпечує можливість їх застосування у знайомих ситуаціях освітнього та професійного характеру. Усвідомлюючи специфіку задач та навчальних ситуацій, здобувач освіти демонструє здатність здійснювати пошук та вибір їх розв’язання за поданим зразком, аргументувати застосування певного способу розв’язання задачі. Його діяльності ґрунтується на зацікавленості та мотивації до саморозвитку, неперервного професійного розвитку. 70-50 балів - атестований з оцінкою «задовільно» - Задовільний рівень: окреслює володіння поняттєвим та категорійним апаратом навчальної дисципліни на середньому рівні, часткове усвідомлення навчальних і професійних задач, завдань і ситуацій, знання про способи розв’язання типових задач і завдань. Здобувач освіти демонструє середній рівень умінь і навичок застосування знань на практиці, а розв’язання задач потребує допомоги, опори на зразок. В основу навчальної діяльності покладено ситуативність та евристичність, домінування мотивів обов’язку, неусвідомлене застосування можливостей для саморозвитку. 49-00 балів - атестований з оцінкою «незадовільно» - Незадовільний рівень: свідчить про елементарне володіння поняттєвим та категорійним апаратом навчальної дисципліни, загальне уявлення про зміст навчального матеріалу, часткове використання знань, умінь і навичок. В основу навчальної діяльності покладено ситуативно-прагматичний інтерес.
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).