Modelação Numérica de Sistemas Térmicos

Código:

EM0118

Sigla:

MNST

Áreas Científicas
Classificação	Área Científica
OFICIAL	Fluidos e Calor

Ocorrência: 2019/2020 - 1S

Ativa?	Sim
Unidade Responsável:	Secção de Fluidos e Energia
Curso/CE Responsável:	Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica

Ciclos de Estudo/Cursos

Sigla	Nº de Estudantes	Plano de Estudos	Anos Curriculares	Créditos UCN	Créditos ECTS	Horas de Contacto	Horas Totais
MIEM	29	Plano de estudos oficial a partir de 2006/07	5	-	6	45,5	162

Língua de trabalho

Inglês

Objetivos

Esta disciplina pretende fornecer aos alunos os conhecimentos necessários à modelação numérica de sistemas e processos térmicos, incluindo a representação matemática das suas componentes e a resolução das equações resultantes, com recurso a algoritmos de computação. São discutidos métodos e algoritmos, com vista à optimização de sistemas térmicos. É feita uma introdução aos métodos das diferenças finitas e volumes finitos, para aplicação a problemas apresentados por equações diferenciais parciais, em particular para problemas de transferência de calor.

Resultados de aprendizagem e competências

Capacidade de identificar hipóteses simplificativas na elaboração de um modelo matemático de um sistema térmico / energético. Percepção do tipo de modelo mais adequado a um dado sistema. Capacidade de análise de sistemas térmicos / energéticos e resultados. Conhecer várias ferramentas alternativas para resolver estes problemas com as correspondentes vantagens e desvantagens e ter a capacidade de escolher a “solução ótima” para um determinado caso. Capacidade de utilização de ferramentas computacionais com algum software específico. Conhecimentos de optimização de sistemas ergéticos.

Modo de trabalho

Presencial

Pré-requisitos (conhecimentos prévios) e co-requisitos (conhecimentos simultâneos)

É recomendado a conclusão prévio (não obrigatório) e checimentos de disciplinas básicas de Termodinâmica, Mecânica dos Fluidos e Transferência de Calor.

Programa

1) INTRODUÇÃO: o papel da simulação no projeto de sistemas térmicos; tipos de modelos matemáticos; enquadramento da cadeira.
2) APROXIMAÇÃO DE FUNÇÕES: interpolação numérica (Newton e Lagrange) uni e multi-variável; regressão uni e multi-variável simples, aplicação a equipamentos térmicos com utilização de software.
3) MODELAÇÃO GLOBAL DE COMPONENTES EM REGIME PERMANENTE: solução numérica de equações e sistemas de equações não lineares utilizando métodos de: Falsa posição, iteração ponto fixo, secante, Newton-Raphson e Gauss Seidel;  aplicação a sistemas térmicos: sistemas de aquecimento/arrefecimento, ciclos motores, etc.
4) INTRODUÇÃO AO PROGRAMA EES: capacidades e interface gráfica.
5) MODELAÇÃO GLOBAL EM REGIME DINÂMICO: definição dos sistemas em regime dinâmico; métodos de integração numérica de equações e sistemas de equações diferenciais ordinárias (EDO) com métodos de Euler e Runge-Kutta; integração de funções com o programa EES e a sua alicação para resolver equações EDO; aplicação a sistemas térmicos: sistemas de aquecimento/arrefecimento com acumulação mássica/térmica, redes de ar comprimido, etc.
6) MODELAÇÃO DISTRIBUIDA: Equações diferenciais parciais de transporte e sua representação genérica; métodos de discretização (diferenças finitas e volumes finitos); aplicação a sistemas com condução de calor uni e multi-dimensional instacionária; aplicação a escoamentos não viscosos.
7) INTRODUÇÂO A MÉTODOS DE OPTIMIZAÇÃO: métodos de pesquisa uni e multi-variável; método dos multiplicadores de Lagrange com e sem restrições; programação linear; programação geométrica; algoritmos de optimização; aplicações a sistemas térmicos.

Bibliografia Obrigatória

Stoecker, Wilbert F.; Design of thermal systems. ISBN: 0-07-100610-9 (ano de 1989)
Jaluria, Yogesh; Design and optimization of thermal systems. ISBN: 0-07-032388-7
Patankar, Suhas V.; Numerical Heat Transfer and Fluid Flow. ISBN: 0-07-048740-5
Chapra, Steven C. e Canale, Raymond P.; Numerical methods for engineers : with software and programming applications, McGraw Hill, 2002. ISBN: 0-07-112180-3

Bibliografia Complementar

EES Software Manual
Amos Gilat; MATLAB - an Introduction with Applications

Métodos de ensino e atividades de aprendizagem

A disciplina está estruturada em aulas teóricas, teórico-práticas e orientação tutorial. Nas aulas teóricas é apresentada a teoria do ponto de vista de algoritmos  e esboça-se a resolução de alguns problemas típicos. Nas aulas teórico-práticas e orientação tutorial, os alunos resolvem problemas de cálculo utilizando computadores, com a ajuda do professor, com o objetivo de consolidar e aplicar os conhecimentos adquiridos nas aulas teóricas. As aulas de  orientação tutorial estão destinadas à resolução de exercícios e à orientação de trabalhos de computação a realizar por grupos de 2/3 alunos. 

Software

EES - Engineering Equation Solver

Tipo de avaliação

Avaliação distribuída com exame final

Componentes de Avaliação

Designação	Peso (%)
Exame	65,00
Trabalho escrito	35,00
Total:	100,00

Componentes de Ocupação

Designação	Tempo (Horas)
Elaboração de relatório/dissertação/tese	50,00
Estudo autónomo	63,00
Frequência das aulas	49,00
Total:	162,00

Obtenção de frequência

Não exceder o número limite de faltas (25%) e entregar o trabalho de computação.

Fórmula de cálculo da classificação final

classificação pesada com 65% para a nota do exame final e 35% para a nota do trabalho de computação.

Provas e trabalhos especiais

Prova de computação oral, consistindo na utilização do programa EES para resolução de um problema prático.

Avaliação especial (TE, DA, ...)

Exame escrito de 2 horas e prova especial (computação).

Melhoria de classificação

Melhoria de classificação possível apenas para o exame final.