EMVE3700 Numerisk varme- og strømningsteknikk Emneplan

Emnet tar sikte på å gi studentene en innføring i numerisk simulering av varme- og strømningstekniske problemer som vi finner i industrielle og bygningstekniske prosesser, samt i naturen forøvrig. Vha. MATLAB og det kommersielle simuleringsprogrammet STAR CCM+ settes studentene i stand til å løse kompliserte 3-dimensjonale, transiente problemer knyttet til for eksempel varme- og ventilasjonsforhold i bygninger.

Praktiske anvendelser kan forøvrig være dimensjonering av komponenter i varme- og kjøleanlegg (for eksempel varmevekslere), beregning av bygningers varmebehov samt analyse av termisk komfort for personer.

Valgemnet igangsettes forutsatt at det er et tilstrekkelig antall studenter som velger emnet.

Emnet bygger på kunnskaper tilsvarende emnene EMTS2200 Strømningsteknikk og EMTS2300 Varmetransport.

For å kunne framstille seg til eksamen må studenten ha følgende godkjente arbeidskrav:

• Arbeidskrav 1: Alle studentene skal i løpet av kurset to ganger gjennomføre og lede gruppediskusjoner. I etterkant av disse skal studentene levere et kort referat på 500-1000 ord hver.

Formålet med arbeidskravet er at studentene skal oppnå gode kunnskaper og ferdigheter i tråd med læringsutbytte i emnet.

Arbeidskravet må være gjennomført og godkjent innen fastlagt frist for at studenten skal kunne framstille seg til eksamen. Dersom arbeidskravet ikke blir godkjent, gis det anledning til å kunne levere et alternativt arbeidskrav innen angitt frist.

Etter å ha gjennomført dette emnet har studenten følgende læringsutbytte, definert som kunnskap, ferdigheter og generell kompetanse:

Kunnskap:

Studenten skal:

• forstå prinsippene ved programmering av tekniske problemer
• kjenne til datamaskiners nøyaktighet
• kjenne til programmeringsspråket MATLAB
• ha kjennskap til konstruksjon av løkker og betingelser
• beherske enkel MATLAB-programmering for implementering av regnemodeller
• kjenne konserveringsligningene for strømning, varme- og massetransport
• kjenne prinsippene for å løse et varme- og strømningsteknisk problem numerisk
• kjenne til og forstå metoden, Finite Volume, som benyttes ved diskretisering av ligninger som beskriver diffusjon og adveksjon
• kjenne til bruk av forskjøvet (staggered) og ikke-forskjøvet (non-staggered) nettverk (grid/mesh)
• kjenne til kobling av kontinuitets- og hastighetsligninger for å oppnå en trykkligning (SIMPLE og SIMPLER algoritmene)
• kjenne til behandling av kildeledd for beregning av strømnings- og temperaturfelt
• kjenne til prinsippene for beregning av termisk stråling mellom faste flater
• kjenne ulike algoritmer for løsning av ligningssystemer, samt tilhørende stabilitets- og konvergenskrav
• bli kjent med og kunne bruke det kommersielle simuleringsprogrammet STAR CCM+

Ferdigheter:

Studentene

• kan utføre nødvendige numeriske beregninger for ingeniørmessig analyse av problemer knyttet til strømningsteknikk og varmetransport i praktiske konstruksjoner, deriblant bygninger og varmevekslere, og i naturen for øvrig
• kan definere et tilstrekkelig beregningsområde og sette opp nødvendige grensebetingelser og initialbetingelse for varme- og strømningstekniske problemer
• kan benytte CFD-verktøyet (Computational Fluid Dynamics) STAR-CCM+
• kan utvikle egne, enkle regnemodeller for implementering i MATLAB
• kan benytte Numeriske metoder for varmeledningsberegninger (1-, 2- eller 3-dimensjonalt, transient), v.h.a. Finite Volume (kontrollvolum) metoden. Eksplisitt og implisitt formulering av transient problem skal beherskes
• kan gjøre beregninger av ekstern og intern tvungen og naturlig konveksjon, behandle grensesjikt og tegne hastighets- og temperaturprofil.
• kan analysere Varmevekslere arrangert i medstrøm og motstrøm, ved å benytte logaritmisk midlere temperaturdifferanse
• gi en effektiv og lett forståelig presentasjon av beregningene
• kan vurdere kvaliteten ved resultatene, dvs. vurdere rimeligheten av dataresultater og program

Generell kompetanse:

Studenten

• kan bidra i arbeidet med å utvikle ny teknologi med bakgrunn i en forståelse for matematisk modellering og løsning av fysiske problemer
• kan løse koblede problemer knyttet til både varmetransport, termodynamikk og fluidmekanikk (strømningslære). Dette vil være et grunnlag for beregning av for eksempel et byggs effekt- og energibehov
• kan vurdere om beregningsresultater er rimelige
• sikre ferdigheter i en for fremtidens ingeniører aktuell arbeidsmåte

Forelesninger, arbeid med dataøvinger individuelt og i grupper.

Alle hjelpemidler er tillatt så lenge regler for kildehenvisning følges.

Gradert skala A - F

Det benyttes intern og ekstern sensor til sensurering av besvarelsene.

Et uttrekk på minst 25 % av besvarelsene sensureres av to sensorer. Karakterene på disse samsensurerte besvarelsene skal danne grunnlag for å fastsette nivå på resten av besvarelsene.

Arild Wæraas (arildwae@oslomet.no)

Emnet er et typisk integrasjonsemne som søker å se tidligere emner og fag i teoretisk og praktisk sammenheng. Emnet krever ingen spesielle forkunnskaper, men bygger på at studentene har en viss samfunnsfaglig bakgrunn innen tidligere studier i metode, økonomi, organisasjon og ledelse.