Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Казанский национальный исследовательский технологический университет»
(ФГБОУ ВО «КНИТУ»)
УТВЕРЖДАЮ
Ректор_______________ Дьяконов Г.С.
«____»__________2016 г.
м.п.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ПРОГРАММА ПОВЫШЕНИЯ КВАЛИФИКАЦИИ
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ И ТЕПЛОМАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОГРАММНОГО МОДУЛЯ ANSYS FLUENT
Разработчики программы:
|
к.т.н., доцент
|
Л.Р. Минибаева
|
Категория слушателей:
|
преподаватели и научно-педагогические работники вузов, ДПО и внутрифирменного обучения, аспиранты и лица, получающие высшее профессиональное образование
|
Трудоемкость программы:
|
72 часа (2 зачетные единицы)
|
Режим обучения:
|
12 недель по 9 часов в неделю (6 часов аудиторных занятий и 3 часа самостоятельной работы)
|
Форма обучения:
|
с частичным отрывом от работы
|
2016 г.
ВВЕДЕНИЕ
1. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ, ЕЕ МЕСТО В УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ
1.1. Цель преподавания дисциплины
1.1.1. Объект изучения дисциплины – компьютерные технологии моделирования гидродинамических и тепломассообменных процессов химической технологии.
Предмет изучения – программный модуль вычислительной гидрогазодинамики ANSYS FLUENT.
1.1.2. Целью преподавания дисциплины «Компьютерное моделирование гидродинамических и тепломассообменных процессов химической технологии с использованием программного модуля вычислительной гидрогазодинамики ANSYS FLUENT» является формирование общепрофессиональных и специальных компетенций слушателей в области компьютерного моделирования гидродинамических и тепломассообменных процессов химической технологии:
способность корректно ставить задачи в программном модуле вычислительной гидрогазодинамики ANSYS FLUENT;
приобретение навыков проведения вычислительного эксперимента с помощью современных CFD-программ для расчета процессов тепломассообмена и гидродинамики;
способность решения практических задач проектирования элементов оборудования химической технологии;
способность правильно выбирать методы решения поставленных задач, математических моделей аппаратов химической технологии при решении задач исследования и проектирования химико-технологических процессов;
способность правильно интерпретировать результаты вычислительного эксперимента.
1.1.3. Задачи изучения дисциплины
Для достижения поставленной цели в процессе преподавания курса «Компьютерное моделирование гидродинамических и тепломассообменных процессов химической технологии с использованием программного модуля ANSYS FLUENT» решаются следующие задачи:
формирование знаний о методах расчета гидродинамических и тепломассообменных процессов химической технологии на основе вычислительного эксперимента;
обучение технологии работы в программном модуле вычислительной гидрогазодинамики ANSYS FLUENT;
анализ полученных результатов для дальнейшего использования при проектировании оборудования химической технологии.
1.2. Результаты, достигаемые при обучении
В результате изучения дисциплины «Компьютерное моделирование гидродинамических и тепломассообменных процессов химической технологии с использованием программного модуля ANSYS FLUENT»:
1.2.1. Слушатель должен знать:
роль научной информации в развитии науки, вести поисковую работу с привлечением современных компьютерных и информационных технологий;
численные методы расчета вариантов разработки и построения адекватных математических моделей на основе вычислительного эксперимента при проектировании оборудования гидродинамических и тепломассообменных процессов химической технологии, с учётом особенностей протекающих в них физических процессов;
современные научно-технические проблемы применения комплексов вычислительно гидродинамики (CFD-комплексов);
этапы решения задач с привлечением CFD-комплексов;
возможности комплексов вычислительно гидродинамики (CFD комплексов) для решения задач гидрогазодинамики и тепломассообмена.
1.2.2. Слушатель должен уметь:
строить модель исследуемого или проектируемого аппарата средствами сеточного генератора GAMBIT;
корректно ставить задачи в программном модуле вычислительной гидрогазодинамики ANSYS FLUENT;
корректно настраивать решатель для решения поставленной задачи (выбирать корректные методы, адекватные модели и др.);
анализировать полученные результаты решения поставленных задач и представлять их в графическом и текстовом виде.
1.2.3. Слушатель должен владеть:
информацией и навыками пользования современными вычислительными комплексами и численными методами моделирования химико-технологических процессов;
терминологией в области вычислительного эксперимента;
навыками анализа полученных результатов с точки зрения адекватности рассматриваемому технологическому процессу и применения полученной информации для проектирования оборудования гидродинамических и тепломассообменных процессов химической технологии.
1.3. Перечень дисциплин, усвоение которых необходимо для изучения данной дисциплины
Для изучения данной дисциплины необходимы знания общей химической технологии, процессов и аппаратов химической технологии, математического моделирования и оптимизации химико-технологических процессов.
Знания и умения, полученные в результате изучения этой дисциплины, позволят провести расчет гидродинамических и тепломассообменных процессов химической технологии и их оптимизацию.
1.4. Перечень дисциплин, которые будут изучаться на базе данной дисциплины в будущем
Дисциплина «Компьютерное моделирование гидродинамических и тепломассообменных процессов химической технологии с использованием программного модуля вычислительной гидрогазодинамики ANSYS FLUENT» является самостоятельной программой повышения квалификации. Освоение дисциплины открывает возможность более глубокого понимания проблемы математического моделирования и оптимизации гидродинамических и тепломассообменных процессов химической технологии. С использованием знаний и умений, полученных в результате изучения дисциплины, выполняется выпускная квалификационная работа, предметом исследования которой является численное моделирование гидродинамических и тепломассообменных процессов химической технологии.
Работа предоставляется на электронном и бумажном носителях. В ней описываются цель работы, постановка задачи, компьютерная модель, основные этапы. Приводятся основные результаты и выводы по работе.
2. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
2.1. Распределение времени по видам учебной работы
Вид учебной нагрузки
|
Часы
|
Форма контроля
|
Лекции
|
12
|
|
Лабораторные работы
|
48
|
|
Входное и выходное тестирование
|
2
|
|
Выпускная работа
|
10
|
Защита
|
Всего аудиторных часов
|
72
|
|
2.2. Входной контроль
Анализ уровня знаний механики жидкости и газа, процессов и аппаратов химической технологии, математического моделирования и оптимизации химико-технологических процессов. Определение содержания и графика индивидуальной самостоятельной работы. – 1 час
2.4. Лекции
Тема 1. Объект и предмет, цели и задачи дисциплины. Место комплексов вычислительной гидродинамики в решении задач химической технологии. Введение в ANSYS FLUENT: основы расчетного модуля (Solver) и его настройки; начальные и граничные условия. – 2 часа.
Тема 2. Введение в препроцессор GAMBIT (сеточный генератор). Ознакомление с возможностями программы GAMBIT и овладение навыками подготовки геометрической модели и расчетной сетки (препроцессинг): создание двухмерных и трехмерных геометрий. – 2 часа.
Тема 3. Модели турбулентности. – 2 часа.
Тема 4. Моделирование аппаратов сложной геометрии (при наличии неподвижных и движущихся частей). – 2 часа.
Тема 5. Теплообмен. Конвективный и кондуктивный теплообмен. – 2 часа.
Тема 6. Многофазные потоки. Введение, основные определения и явления. Различные подходы к моделированию многофазных потоков: приближение Эйлера, модель Лагранжевых частиц, совмещенная модель Эйлера-Лагранжа. Гомогенные и гетерогенные многофазные потоки. Течения со свободной поверхностью. – 2 часа.
2.4. Лабораторные занятия
Введение в препроцессор GAMBIT (сеточный генератор). Создание двумерных геометрий, построение сетки. – 4 часа.
Создание трехмерных геометрий в GAMBIT, построение сетки. – 4 часа.
Введение в использование программного модуля вычислительной гидрогазодинамики ANSYS FLUENT.– 4 часа.
-
Моделирование периодических течений и теплопередачи. – 4 часа.
Использование одиночной вращающейся системы отсчёта. Использование различных моделей турбулентности. – 4 часа.
Моделирование аппаратов сложной геометрии (при наличии неподвижных и движущихся частей) на примере аппаратов с перемешивающими и неподвижными внутренними устройствами. – 4 часа.
Моделирование излучения и естественной конвекции. – 4 часа.
Функции пользователя (UDF). – 4 часа.
Использование многофазной модели Эйлера для сыпучих сред. – 4 часа.
Многофазное течение. Использование VOF модели. – 4 часа
-
Использование многофазных и многокомпонентных моделей. – 4 часа
Постпроцессинг. – 4 часа.
2.5. Выходной контроль
Контроль уровня теоретических знаний и практических навыков решения конкретных задач численного моделирования гидродинамических и тепломассообменных процессов химической технологии с использованием программного модуля вычислительной гидрогазодинамики ANSYS. – 1 час
3. Организация самостоятельной работы слушателей
3.1. Характеристика самостоятельной работы слушателей
Общая продолжительность СРС, предусмотренная рабочей программой направления повышения квалификации по дисциплине «Компьютерное моделирование гидродинамических и тепломассообменных процессов химической технологии с использованием программного модуля вычислительной гидрогазодинамики ANSYS FLUENT», составляет 36 часов (1 зач. ед.). Она включает работу с учебно-методической литературой для поиска ответов на вопросы для самостоятельной работы и выполнение заданий.
3.1.1. Вопросы для самостоятельной работы
Особенности расчета теплообменных задач.
Особенности расчетов с использованием различных моделей турбулентности.
Возможные способы улучшения точности решения.
Различные способы постановки начальных и граничных условий для задач с множественными системами отсчета.
Особенности расчета при течении вязких сред.
Сокращение расчетной области с использованием свойств симметрии и периодичности.
Особенности расчета стационарных и нестационарных процессов.
3.1.2. Задания для самостоятельной работы
Сравнение результатов расчета по гидродинамическим характеристикам для задач простой геометрии с различными моделями турбулентности.
Сравнение решения по полю скорости 2D и 3D – моделирования для аппаратов с перемешивающими и неподвижными устройствами.
Использование многофазной модели Эйлера для сыпучих сред с теплопередачей.
Моделирование статических смесителей.
Построение геометрии расчетной области различными способами: с использованием точек, граней, объемных фигур.
Создание новых материалов со свойствами, зависящими от температуры.
Моделирование барботажной колонны.
4. Информационно-методическое обеспечение дисциплины
4.1. Основная литература
ANSYS FLUENT 14.0 Theory Guide. Справочное пособие (на англ. яз.). Издательство ANSYS, Inc. Southpointe, 2011 г., 862 с.
http://www.mecheng.osu.edu/documentation/Fluent14.5/readme.html
Мазо, А.Б. Моделирование турбулентных течений несжимаемой жидкости / А.Б. Мазо - Казань.: Изд-во Казан. гос. ун-та, 2007. - 106с.
Handbook of industrial mixing: science and practice / editors E.L. Paul, V.A. Atiemo-Obeng, S.M. Kresta - John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2004. – 1432 p.
Мазо, А.Б. Гидродинамика / А.Б. Мазо, К.А. Поташев - Казань.: Изд-во Казан. гос. ун-та, 2008. - 126с.
Лыков, А.В. Теория теплопроводности / Лыков, А.В. - М.: Высшая школа, 1967. - 600с.
Мазо, А.Б. Основы теории и методы расчета теплопередачи: учебное пособие. – Казань: Изд-во Казанского университета, 2013. -144 с.
Гарбарук, А.В. Моделирование турбулентности в расчетах сложных течений: учебное пособие / А.В. Гарбарук, М.Х. Стрелец, М.Л. Шур – СПб: Изд-во Политехн. ун-та, 2012. – 88 с.
4.2. Дополнительная литература
Ranade, V.V. Computational flow modeling for chemical reactor engineering / V.V. Ranade - London. Academic Press, 2002. – 452 р.
Micale, G. CFD prediction of turbulent flow and mixing in stirred vessels: single- and two-phase flow / G. Micale, G. Montante, F. Grisafi, A. Brucato, M. Ciofalo - Italy. European thematic network "MIXNET", 2001. - 165 p.
Применение системы ANSYS к решению задач механики сплошной среды. Практическое руководство / под ред. А.К. Любимова. – Нижний Новгород: Изд-во Нижегородского университета, 2006. – 227 с.
4.3. Учебно-методическая литература
ANSYS FLUENT 14.0 Tutorial Guide. Учебное пособие по созданию различных моделей в ANSYS FLUENT. Издательство ANSYS, Inc. Southpointe, 2011 г., 1146 с.
http://www.cadfem-cis.ru/service/video/
http://www.cae-club.ru/category/programmnye-produkty/dinamika-zhidkosti-i-gaza/ansys-fluent
http://www.cae-club.ru/video
https://confluence.cornell.edu/display/SIMULATION/FLUENT+Learning+Modules
4.4.Программное и техническое обеспечение
Лекционные занятия проводятся в аудитории, оснащенной средствами мультимедийного сопровождения.
Лабораторные занятия проводятся в помещении компьютерного класса с использованием персональных компьютеров с установленным программным модулем вычислительной гидрогазодинамики ANSYS FLUENT (www.ansys.com) и сеточным генератором GAMBIT, который служит препроцессором.
|
