Моделювання фізичних процесів

Викладає: ас. Димитрієва Наталія Федорівна

Навчальна дисципліна «Моделювання фізичних процесів» викладається у сьомому-восьмому семестрах студентам, які навчаються за спеціальністю 105 «Прикладна фізика та наноматеріали». Дисципліна включає наступні базові структурні елементи: вступ, сучасний стан і можливості комп’ютерного моделювання, методи та етапи моделювання, особливості моделювання нестаціонарних та стаціонарних задач, стисливого та нестисливого середовища при ламінарному та турбулентному режимах, а також процесів тепломасопереносу. Вона включає лекції, комп’ютерний практикум, дві модульні контрольні роботи та курсову роботу.

Навчальна дисципліна містить три кредитні модулі:

Моделювання фізичних процесів – 1 частина (МФП-1) — залік;
Моделювання фізичних процесів – 2 частина (МФП-2) — залік;
Курсова робота з Моделювання фізичних процесів — залік.

Метою навчальної дисципліни є формування у студентів практичних навичок математичного моделювання фізичних процесів та сучасних методів чисельного розв’язку.

В результаті вивчення навчальної дисципліни у студентів формуються наступні компетентності:

моделювати та розв’язувати стаціонарні та нестаціонарні задачі промислової гідрогазодинаміки, процесів тепло- та масообміну;
розв’язувати задачі визначення просторово-часових полів фізичних величин суцільних середовищ при заданих крайових умовах.
будувати комп’ютерні моделі, використовуючи відкриті пакети прикладних програм, зокрема, SALOME, OpenFOAM, Paraview;
будувати розрахункові сітки різними методами;
володіння різними методами обробки і візуалізації результатів чисельних розрахунків;
критично аналізувати отримані результати з точки зору точності, достовірності, відповідності фізичним особливостям досліджуваних процесів;
на основі побудованих комп’ютерних моделей та отриманих результатів розрахунків оптимізувати геометричні та режимні параметри задачі з метою вдосконалення конструкцій об’єктів нової техніки та лабораторних установок для фізичних досліджень.
ЗК5 Навички використання інформаційних і комунікаційних технологій
ЗК6 Здатність проведення досліджень на відповідному рівні
ЗК7 Здатність до пошуку, оброблення та аналізу інформації з різних джерел
ФК5 Здатність до постійного розвитку компетентностей у сфері прикладної фізики, інженерії та комп’ютерних технологій
ФК7 Здатність використовувати методи і засоби теоретичного дослідження та математичного моделювання в професійній діяльності

Навчальна дисципліна належить до циклу професійної підготовки.
Статус навчальної дисципліни – вибіркова.
Обсяг навчальної дисципліни 8,5 кредитів ЄКТС.

Методичне забезпечення

Комп’ютерне моделювання процесів переносу в суцільному середовищі [Електронний ресурс] : методичні вказівки до виконання курсової роботи з навчальної дисципліни «Моделювання фізичних процесів» для студентів, які навчаються за спеціальністю 105 «Прикладна фізика та наноматеріали» / КПІ ім. Ігоря Сікорського ; уклад. Н. Ф. Димитрієва. – Електронні текстові дані (1 файл: 1,21 Мбайт). – Київ : КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2020. – 25 с.
Моделювання фізичних процесів: Комп’ютерний практикум Методичні вказівки до виконання комп’ютерного практикуму для студентів, які навчаються за спеціальністю 105 «Прикладна фізика та наноматеріали»
Лекції :

Семестровий (кредитний) модуль МФП-1.

Розділ 1. Вступ.

Тема 1.1. Поняття і етапи моделювання. (02.09.2020)

Розділ 2. Сучасний стан і можливості комп’ютерного моделювання .

Тема 2.1.    Можливості, переваги та недоліки існуючих пакетів прикладних програм. (09.09.2020)
Тема 2.2.    Високопродуктивні обчислення. Світовий рейтинг ТОР500. (16.09.2020)
Тема 2.3.    Методи чисельного моделювання. (23.09.2020)

Розділ 3. Постановка задачі.

Тема 3.1.    Теоретичне обґрунтування, ціль та завдання. (30.09.2020)
Тема 3.2.    Математичне моделювання. Система визначальних рівнянь, початкові та граничні умови. (07.10.2020)
Тема 3.3.    Масштаби задачі. Критерії подібності. (21.10.2020)

Розділ 4. Підготовка вихідних даних (Preprocessing).

Тема 4.1. Геометрія. Визначення складових розрахункової області, методи побудови. (28.10.2020)
Тема 4.2. Розрахункова сітка, різновиди й алгоритм дискретизації. Перевірка якості. (04.11.2020)

Розділ 5. Чисельна модель.

Тема 5.1.    Дискретизація системи визначальних рівнянь.
Тема 5.2.    Апроксимація конвективних, дифузійних та джерельних членів.
Тема 5.3.    Дискретизація граничних умов. Пристінкові модельні функції.    (11.11.2020)
Тема 5.4.    Методи розв’язку системи лінійних алгебраїчних рівнянь.
Тема 5.5.    Процедура сумісної корекції полів швидкості та тиску. (18.11.2020)

Розділ 6. Розрахунковий експеримент.

Тема 6.1. Запуск задачі в інтерактивному та пакетному режимі. Контроль збіжності. (25.11.2020)
Тема 6.2. Паралельні розрахунки. Декомпозиція розрахункової області. (02.12.2020)

Розділ 7. Обробка результатів розрахунку (Postprocessing).

Тема 7.1. Обчислення додаткових фізичних змінних, що не входять в чисельну модель, та інтегральних характеристик. (09.12.2020)
Тема 7.2. Візуалізація результатів розрахунку в графічних пакетах. (16.12.2020)

Розділ 8. Аналіз результатів розрахунку.

Тема 8.1. Порівняння результатів експериментальних, аналітичних та чисельних досліджень фізичних процесів.
Тема 8.2. Критерії адекватності чисельної моделі та достовірності отриманих результатів розрахунку.

Семестровий (кредитний) модуль МФП-2.

Розділ 1. Моделювання процесу встановлення течій, число Струхаля.

Тема 1.1. Стаціонарні течії. Визначення фіктивного часу.
Тема 1.2. Нестаціонарні течії. (04.02.2021)

Розділ 2. Режими течій, число Рейнольдса.

Тема 2.1. Моделювання ламінарних течій. Рівняння Нав’є-Стокса. (11.02.2021)
Тема 2.2. Моделювання турбулентних течій. Рівняння Рейнольдса (RANS – Reynolds Averaged Navier-Stokes equations).

Розділ 3. Класифікація моделей турбулентності.

Тема 3.1.    Алгебраїчні моделі.
Тема 3.2.    Диференціальні моделі. (18.02.2021)
Тема 3.3.    Метод великих вихорів (LES – Large Eddies Simulation).
Тема 3.4.    Пряме чисельне моделювання (Direct numerical simulation – DNS).
Тема 3.5.    Порівняння моделей турбулентності. (25.02.2021)

Розділ 4. Моделювання стисливості середовища.

Тема 4.1.    Число Маха
Тема 4.2.    Нестислива рідина.
Тема 4.3.    Стисливий газ. (04.03.2021)

Розділ 5. Моделювання тепломасопереносу.

Тема 5.1.    Рівняння теплопровідності.
Тема 5.2.    Рівняння дифузії.
Тема 5.3.    Моделювання багатофазних течій.

3. Комп’ютерний практикум