Propojení matematiky, fyziky a počítačů



Podobné dokumenty
INOVACE ODBORNÉHO VZDĚLÁVÁNÍ NA STŘEDNÍCH ŠKOLÁCH ZAMĚŘENÉ NA VYUŽÍVÁNÍ ENERGETICKÝCH ZDROJŮ PRO 21. STOLETÍ A NA JEJICH DOPAD NA ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ

Počítačová dynamika tekutin (CFD) Základní rovnice. - laminární tok -

FLUENT přednášky. Metoda konečných objemů (MKO)

Objektově orientovaná implementace škálovatelných algoritmů pro řešení kontaktních úloh

Počítačová dynamika tekutin (CFD) - úvod -

Simulace (nejen) fyzikálních jevů na počítači

Počítačová dynamika tekutin (CFD) Řešení rovnic. - metoda konečných objemů -

PBS Velká Bíteš. Profil společnosti

Mechanika tekutin. Tekutiny = plyny a kapaliny

Hydromechanické procesy Obtékání těles

Software pro modelování chování systému tlakové kanalizační sítě Popis metodiky a ukázka aplikace

Martin NESLÁDEK. 14. listopadu 2017

ÚVOD DO MODELOVÁNÍ V MECHANICE

Modelování zdravotně významných částic v ovzduší v podmínkách městské zástavby

Úvod do předmětu, úvod do problematiky CAE a MKP (přehled nástrojů a obecné postupy CAD/CAE, vazby součástí CAE)

Počítačová simulace tepelných procesů s využitím výpočetních MKP systémů

Studentská tvůrčí činnost 2009

Počítačová dynamika tekutin užitečný nástroj pro inženýry

CFD výpočtový model bazénu pro skladování použitého paliva na JE Temelín a jeho validace

Matematické modely a způsoby jejich řešení. Kateřina Růžičková

Numerické modelování interakce proudění a pružného tělesa v lidském vokálním traktu

Příspěvek do konference STČ 2008: Numerické modelování obtékání profilu NACA 0012 dvěma nemísitelnými tekutinami

Výpočtové nadstavby pro CAD

OPTIMALIZACE A MULTIKRITERIÁLNÍ HODNOCENÍ FUNKČNÍ ZPŮSOBILOSTI POZEMNÍCH STAVEB D24FZS

Hydromechanické procesy Počítačová dynamika tekutin (CFD) - úvod -

Počítačová dynamika tekutin (CFD) Turbulence

Obsah PŘEDMLUVA 11 ÚVOD 13 1 Základní pojmy a zákony teorie elektromagnetického pole 23

Dnešní látka: Literatura: Kapitoly 3 a 4 ze skript Karel Rektorys: Matematika 43, ČVUT, Praha, Text přednášky na webové stránce přednášejícího.

Co jsme udělali: Au = f, u D(A)

Globální matice konstrukce

Nelineární analýza materiálů a konstrukcí (V-132YNAK) Přednáška 2 Princip metody konečných prvků

MODELOVÁNÍ SHALLOW WATER

Aplikace metody konečných prvků

Studentská tvůrčí činnost D modelování vírových struktur v rozváděcí turbínové lopatkové mříži. David Jícha

Proudění viskózní tekutiny. Renata Holubova Viskózní tok, turbulentní proudění, Poiseuillův zákon, Reynoldsovo číslo.

Řešení 1D vedení tepla metodou sítí a metodou

Colloquium FLUID DYNAMICS 2007 Institute of Thermomechanics AS CR, v. v. i., Prague, October 24-26, 2007 p.1

Výpočet stlačitelného proudění metodou konečných objemů

Výsledný tvar obecné B rce je ve žlutém rámečku

BIOMECHANIKA. Studijní program, obor: Tělesná výchovy a sport Vyučující: PhDr. Martin Škopek, Ph.D.

Modelování a simulace Lukáš Otte

Přednášky z předmětu Aplikovaná matematika, rok 2012

Mechanika tekutin je nauka o rovnováze a makroskopickém pohybu tekutin a o jejich působení na tělesa do ní ponořená či jí obtékaná.

Modelování systémů a procesů (11MSP) Bohumil Kovář, Jan Přikryl, Miroslav Vlček. 8. přednáška 11MSP pondělí 20. dubna 2015

Wolfram Alpha. v podobě html stránky, samotný výsledek je často doplněn o další informace (např. graf, jiné možné zobrazení výsledku a

Transformujte diferenciální výraz x f x + y f do polárních souřadnic r a ϕ, které jsou definovány vztahy x = r cos ϕ a y = r sin ϕ.

Numerická matematika 1

Mechanika s Inventorem

Parciální diferenciální rovnice

Nelineární úlohy při výpočtu konstrukcí s využitím MKP

Co je obsahem numerických metod?

Diferenciální rovnice kolem nás

ČVUT v Praze Fakulta stavební Katedra Technických zařízení budov. Modelování termohydraulických jevů 3.hodina. Hydraulika. Ing. Michal Kabrhel, Ph.D.

Matematika II, úroveň A ukázkový test č. 1 (2017) 1. a) Napište postačující podmínku pro diferencovatelnost funkce n-proměnných v otevřené

Dynamika tekutin popisuje kinematiku (pohyb částice v času a prostoru) a silové působení v tekutině.

Matematika II, úroveň A ukázkový test č. 1 (2018) 1. a) Napište postačující podmínku pro diferencovatelnost funkce n-proměnných v otevřené

FLUENT přednášky. Turbulentní proudění

Potenciální proudění

Numerické metody. Numerické modelování v aplikované geologii. David Mašín. Ústav hydrogeologie, inženýrské geologie a užité geofyziky

Státní závěrečná zkouška z oboru Matematika a její použití v přírodních vědách

APLIKACE SIMULAČNÍHO PROGRAMU ANSYS PRO VÝUKU MIKROELEKTROTECHNICKÝCH TECHNOLOGIÍ

Rozvoj tepla v betonových konstrukcích

Stacionární 2D výpočet účinnosti turbínového jeden a půl stupně

Nelineární problémy a MKP

Návrh a simulace zkušební stolice olejového čerpadla. Martin Krajíček

Návod k použití programu pro výpočet dynamické odezvy spojitého nosníku

Základy letadlové techniky Ivan Jeřábek

Numerická matematika Písemky

Šíření tepla. Obecnéprincipy

Základy algoritmizace

Rozdíly mezi MKP a MHP, oblasti jejich využití.

( LEVEL 2 něco málo o matematickém popisu, tvorbě simulačního modelu a práci s ním. )

Stabilizace Galerkin Least Squares pro

Aplikovaná numerická matematika

Metoda konečných prvků Charakteristika metody (výuková prezentace pro 1. ročník navazujícího studijního oboru Geotechnika)

SOUSTAVY LINEÁRNÍCH ALGEBRAICKÝCH ROVNIC

Maturitní otázky z předmětu MATEMATIKA

TENSOR NAPĚTÍ A DEFORMACE. Obrázek 1: Volba souřadnicového systému

OBHAJOBA DIPLOMOVÉ PRÁCE

NUMERICKÝ MODEL NESTACIONÁRNÍHO PŘENOSU TEPLA V PALIVOVÉ TYČI JADERNÉHO REAKTORU VVER 1000 SVOČ FST 2014

mezinárodní konference 60 LET PRO JADERNOU ENERGETIKU 60 let jaderného průmyslu a 65 let vysokého technického školství v Plzni

MECHANIKA KAPALIN A PLYNŮ. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Mechanika - 1. ročník

Numerické řešení 2D stlačitelného proudění s kondenzací. Michal Seifert

Numerická simulace sdílení tepla v kanálu mezikruhového průřezu

CFD simulace obtékání studie studentské formule FS.03

Požadavky k opravným zkouškám z matematiky školní rok

Gymnázium Jana Blahoslava, Ivančice, Lány 2. Školní vzdělávací program. Příloha č.1. Volitelné předměty

AVDAT Nelineární regresní model

MATEMATIKA II - vybrané úlohy ze zkoušek v letech

TERMOMECHANIKA 1. Základní pojmy

NUMERICKÉ MODELOVÁNÍ ÚČINKŮ ZATÍŽENÍ KONSTRUKCÍ

Katedra geotechniky a podzemního stavitelství

Katedra geotechniky a podzemního stavitelství

Rekonstrukce portálního řečiště v rámci chirurgického řešení pokročilého karcinomu pankreatu experiment na velkém zvířeti (biomechanická část)

POŽADAVKY K SOUBORNÉ ZKOUŠCE Z MATEMATIKY

Lítáme v 3D tisku? Ing. Jaroslav Vtípil, Ph.D. Ing. Andrej Chrzanowski

Tematický plán Obor: Informační technologie. Vyučující: Ing. Joanna Paździorová

Počítačová dynamika tekutin (CFD) Okrajové podmínky

SIMULACE V KONFEKČNÍ VÝROBĚ S VYUŽITÍM METODY KONEČNÝCH PRVKŮ (MKP, FEM)

Středoškolská technika SCI-Lab

Transkript:

Propojení matematiky, fyziky a počítačů Název projektu: Věda pro život, život pro vědu Registrační číslo: CZ..7/.3./45.9 V Ústí n. L., únor 5 Ing. Radek Honzátko, Ph.D.

Propojení matematiky, fyziky a počítačů Kde? Počítačové simulace

Počítačové simulace Proč? Rozvoj výpočetní techniky rostoucí výkon, velikost pamětí, klesající cena Vývoj nových efektivních algoritmů zlepšování vypovídací hodnoty výsledků simulačních programů CENA počítačové modelování umožňuje snížení počtu užití experimentálních metod

Počítačové simulace Proudění CFD (Ansys Fluent, Star-CCM) Simulace odlévání (ProCast, Magmasoft) Pevnostní a tuhostní výpočty (Ansys, Nastran) a další

Oblasti využití Průmysl letecký, automobilový, energetický CFD (Computational Fluid Dynamics): Aerodynamika: letadla, křídla letadla, automobilu, větrné elektrárny, Rázové vlny v okolí letounu při transonickém proudění Klimatizace/topení v kabině letounu, automobilu CSD (Computational Structural Dynamics): Statická analýza: trupu letadla, nosných ploch, karoserie automobilu Modální analýza (výpočty vlastních frekvencí a tvarů kmitání konstrukce) Dynamické simulace nárazových zkoušek (Crash Simulation)

Oblasti využití Průmysl letecký, automobilový, energetický Slévání: Prognóza plnění, tuhnutí, vzniku pórovitosti Predikce napjatostníchstavů v odlitcích, deformace, makrosegregace(rozdíly v chemickém složení mezi částmi odlitku) Speciální slévárenské technologie (např. kontinuální odlévání)

Oblasti využití Předpověď počasí i rosničky mluví o numerických modelech ALADIN počítán v ČR, střední Evropa Propojen s ARPÉGE F, globální model Německý model DWD LM, skandinávský HIRLAM, polský ULPM

Modely Fyzikální model Matematický model Numerický model Vstupní data Simulace Výsledky

Fyzikální model Popis reality O čem víme a co umíme Jak komplexně chceme/potřebujeme Např. proudění: Stlačitelné (plyny) X nestlačitelné (kapaliny) Vazké (v realitě vždy) X nevazké (při velkých rychlostech proudění se efekty viskozity projeví pouze v blízkosti stěn těles) Laminární X turbulentní

Fyzikální model Golfový míček turbulentní vs. laminární proudění V počátcích míčky s hladkým povrchem Později míčky se strukturou na povrchu

Matematický model Analytické řešení neumíme nalézt, mnohdy se jedná a složitý systém nelineárních parciálních diferenciálních rovnic, proto používáme numerické metody umožňují převést matematický model na řešení soustav lineárních algebraických rovnic Někdy tušíme i jen velmi málo o existenci či jednoznačnosti řešení, aniž bychom jej uměli nalézt

Matematický model Příklad stlačitelné nevazké proudění ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) z p w E y p E v x p E u t E z vw y p v x uv t v z vw y p v x uv t v z uw y uv x p u t u z w y v x u t Rovnice kontinuity zákon zachování hmotnosti Navierovy-Stokesovy rovnice zákon zachování hybnosti Zákon zachování energie hustota kg/m p tlak Pa E totální energie J u,v,w složky vektoru rychlosti m/s x,y,z prostorové souřadnice m

Matematický model Příklad stlačitelné nevazké proudění Předpoklady pro uvedený model: Ideální plyn stavová rovnice Stlačitelnost úroveň změny hustoty v proudu Nulová viskozita zjednodušení analýzy bez výrazné ztráty přesnosti v oblastech mimo stěny apod.

Numerický model Počítač neví, co to je integrál, derivace apod. Počítač v podstatě umí pouze sčítat, odčítat, násobit a dělit : Procesor pracuje s daty prostřednictvím instrukcí (kódovaný příkaz pro provedení elementární operace procesoru) Procesor zvládá omezenou množinu jednoduchých (elementárních) instrukcí (instrukční sada procesoru) Složité operace jsou pomocí matematického aparátu rozloženy na jednodušší, tzv. elementární operace, které již procesor zvládne pomocí své instrukční sady zpracovat

Numerické metody Výpočet na kalkulačce S využitím aylorova vzorce:! Na kalkulačce se tudíž počítá:, 6

Numerický model Numerické metody Cílem je převést matematický model na systém lineárních algebraických rovnic ento systém rovnic je následně potřeba vyřešit přímé metody, iterační metody, algebraický multigrid, metody pro řídké matice, Velikost systému řádově 3,, 6 a více neznámých Nutné zvažovat paměťovou náročnost, časovou náročnost, dnes standardní paralelní výpočty

Numerické metody Laplaceova rovnice D na ekvidistantní síti Matematický model spojitý: Numerický model - diskrétní: na na Diskrétní problém vede na systém lineárních algebraických rovnic :,,

Rovnice vedení tepla: Numerické metody D příklad z praxe teplota koeficient teplené vodivosti (předpokládáme konst.) hustota tepelných zdrojů Uvažujme stěnu tloušťky d: Předpokládejme nulové zdroje: Okrajové podmínky:

Nalezení analytického řešení: Numerické metody D příklad z praxe d dx d k dx k ( x) dx ( x) C dx d k ( x) dx C dx k ( x) C x C dx x : x d : k k C C C d C Analytické řešení:

Numerické metody D příklad z praxe Nalezení numerického řešení: ( ) h x dx d i i i ( ) 3,,, i h k x dx d k i i i ( ) ( ) ( ) 4 3 3 h k h k h k 4 3 3 d τ τ 3 d τ τ 3 3

Numerické metody V průmyslové sféře běžně používané metody: Metoda konečných diferencí MKD Metoda konečných objemů MKO (CFD) Metoda konečných prvků MKP (pevnost, tuhost) Metody aplikované v komerčních SW: Ansys MKP, strukturální výpočty, CFD StarCCM MKO, CFD

Numerické metody Aplikace sítě(cfd)

Numerické metody Aplikace sítě(pevnostní výpočty)

Numerické metody Aplikace sítě(pevnostní výpočty)

Numerické metody Aplikace - flutter Nestabilita objevující se u elastických těles vystavených aerodynamickým silám Dochází k resonanci frekvence odtrhujících se vírů je blízká vlastní frekvenci tělesa ýká se staveb, letadel,

Numerické metody Flutter- video