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Máster Universitario en Ingeniería Energética

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Técnicas de Modelado en Ingeniería Energética

Código asignatura
MINGEN04-1-001
Curso
Primero
Temporalidad
Primer Semestre
Carácter
Obligatoria
Créditos
6
Pertenece al itinerario Bilingüe
No
Actividades
  • Clases Expositivas (17 Hours)
  • Prácticas de Aula/Semina (7 Hours)
  • Prácticas de Laboratorio (21 Hours)
Guía docente

El estudio de los diversos procesos térmicos y de transporte de fluidos en la ingeniería es, muchas veces, complejo y de difícil resolución debido al acoplamiento simultáneo de diversos fenómenos físicos. En dichas ocasiones, un acercamiento analítico a la solución sólo proporciona una estimación de los parámetros relevantes, por lo que es necesario emplear metodologías alternativas para obtener una descripción más precisa del problema. En este contexto, las metodologías experimentales y numéricas encuentran su verdadero campo de aplicación, merced a su versatilidad y potencialidad. En particular, los métodos numéricos permiten el empleo de la potencia de cálculo suministrada por los computadores para resolver las ecuaciones de gobierno, tanto en procesos de transferencia de calor como en flujos de fluidos.

La asignatura se sitúa en el primer semestre, dentro del Módulo de Formación Común del Plan de Estudios. El número de créditos ECTS es de 6, de carácter obligatorio para todos los estudiantes.

Esta asignatura pretende completar la formación integral del estudiante en las metodologías básicas empleadas en el estudio de la ingeniería industrial. El estudiante adquirirá los conocimientos necesarios para abordar el desarrollo y resolución de problemas relacionados con la transferencia de calor y el transporte de fluidos usando técnicas numéricas. El amplio abanico de aplicaciones, tanto industriales como fenomenológicas, que presentan las diversas técnicas numéricas, justifica su empleo y dota al estudiante de nuevas estrategias para la resolución de problemas en el ámbito ingenieril.

Además, hoy en día son muchas las empresas de ingeniería que necesitan profesionales capaces de utilizar estos métodos de simulación como una herramienta básica para el diseño y análisis de aplicaciones en la ingeniería industrial. Con esa idea, la asignatura inicia a los estudiantes en el empleo de dichas técnicas con un enfoque práctico y aplicado a múltiples sectores de la industria, como pueden ser el de la automoción o la aeronáutica, la construcción y obra civil, la generación de energía, y el equipamiento y procesos industriales.

El profesorado del Máster puede acreditar una amplia experiencia en el empleo de técnicas numéricas para el estudio y análisis de flujos en el ámbito de la industria y la ingeniería. Se ha llevado a cabo un buen número de proyectos de investigación, en colaboración con reconocidas empresas afincadas en Asturias, como ArcelorMittal, EDP o Saint-Gobain Cristalería. En muchas ocasiones, esas investigaciones han derivado en la publicación de los resultados más notables en relevantes y prestigiosas revistas de carácter internacional (Internacional Journal for Numerical Methods in Fluids, International Journal of Numerical Methods for Heat & Fluid Flow, Computers & Fluids, Journal of Thermal Science, Journal of Fluids Engineering, International Journal of Thermal Sciences, Applied Thermal Engineering). Así mismo, el Departamento dispone de importantes recursos computacionales, entre los que destacan varios clusters de ordenadores y equipamiento informático de envergadura para la ejecución de cálculo masivo en paralelo.

Para cursar de forma adecuada la asignatura es recomendable que el estudiante disponga de conocimientos previos de ecuaciones diferenciales, métodos matemáticos en el ámbito de la ingeniería, programación, mecánica de fluidos, termodinámica, transferencia de calor e ingeniería térmica y de fluidos.

Además, es conveniente que el estudiante esté familiarizado con conceptos básicos que se proporcionan en materias complementarias del Máster, como en la asignatura de “Técnicas de Medidas y Tratamiento de Datos en Ingeniería Energética”.

Inicialmente, se trabajarán las competencias básicas (CB) y generales (CG) recogidas en el Módulo 1 de Formación Común, tal y como se especifica en la Planificación de las Enseñanzas de la Memoria de Verificación del Título. En particular, se trata de:

  • Poseer y comprender conocimientos que aporten una base u oportunidad de ser originales en el desarrollo y/o aplicación de ideas, a menudo en un contexto de investigación (CB6).
  • Que los estudiantes sepan aplicar los conocimientos adquiridos y su capacidad de resolución de problemas en entornos nuevos o poco conocidos dentro de contextos más amplios (o multidisciplinares) relacionados con su área de estudio (CB7).
  • Que los estudiantes sean capaces de integrar conocimientos y enfrentarse a la complejidad de formular juicios a partir de una información que, siendo incompleta o limitada, incluya reflexiones sobre las responsabilidades sociales y éticas vinculadas a la aplicación de sus conocimientos y juicios (CB8).
  • Que los estudiantes sepan comunicar sus conclusiones y los conocimientos y razones últimas que las sustentan a públicos especializados y no especializados de un modo claro y sin ambigüedades (CB9).
  • Que los estudiantes posean las habilidades de aprendizaje que les permitan continuar estudiando de un modo que habrá de ser en gran medida autodirigido o autónomo (CB10).
  • Desarrollar la capacidad de resolución de problemas en entornos nuevos o poco conocidos dentro de contextos multidisciplinares relacionados con la ingeniería energética (CG1).
  • Conseguir la habilidad de integración de conocimientos para formular aplicaciones de desarrollo de nuevas tecnologías energéticas (CG2).
  • Adquirir la habilidad de aprendizaje autónomo que permita continuar estudiando mediante el desarrollo de la capacidad para la búsqueda de documentación especializada en la literatura científico-técnica de vanguardia y de su asimilación (CG3).

Participando de estas competencias se pretende especialmente desarrollar la capacidad de análisis y de síntesis de los estudiantes, sus conocimientos de informática y su capacidad de organización y planificación, así como el aprendizaje autónomo y el razonamiento crítico.

Adicionalmente, las competencias específicas (CE) que se abordarán en la asignatura comprenden:

  • Adquisición, procesado y análisis de señales en dominios temporal y frecuencial (CE3).
  • Análisis de incertidumbre de predicciones numéricas y medidas experimentales en procesos térmicos y de fluidos (CE4).
  • Capacidad de identificación, análisis y valoración de los fenómenos básicos dominantes en los procesos fluidomecánicos y de transferencia y aprovechamiento energético de la ingeniería y la industria (CE5).
  • Aplicación de metodologías de análisis computacional para el modelado numérico de flujos y transferencias energéticas de interés (CE6).
  • Análisis fundamental de problemas fluidomecánicos y térmicos de interés en la industria energética, identificando variables fuertes y débiles, y valorando las posibles hipótesis simplificadoras (CE7).

Se pretende, por tanto, potenciar la capacidad para desarrollar modelos teóricos a partir de la observación física del problema y validarlos, que los estudiantes adquieran la destreza necesaria para modelar lo esencial de un proceso físico, comprendiendo y dominando el uso de métodos matemáticos, de forma que sean capaces de desarrollar con autonomía sus destrezas y acometer así investigación básica y aplicada en el ámbito de la Ingeniería Energética.

Todas estas competencias están orientadas a cumplir con los objetivos generales de la asignatura, que se pueden resumir a partir de los siguientes Resultados de Aprendizaje:

  • Conocer los modelos físico-matemáticos planteables en procesos de transferencia de masa, cantidad de movimiento y energía, y las simplificaciones a efectuar para resolver las ecuaciones de gobierno.
  • Realizar discretizaciones adecuadas de los dominios geométricos de interés.
  • Seleccionar e imponer de forma adecuada las condiciones iniciales y de contorno, los modelos de flujo y de turbulencia, los criterios de iteración y convergencia, etc.
  • Aplicar códigos numéricos para la resolución y análisis de casos de interés práctico.
  • Valorar la incertidumbre asociada a los cálculos numéricos por análisis de sensibilidad de las predicciones frente a parámetros de cálculo y por comparación con datos experimentales.

Como objetivo transversal, se espera que el estudiante sea capaz de analizar con espíritu crítico los resultados obtenidos numéricamente, comparándolos con las soluciones que predicen los métodos analíticos y las correlaciones experimentales disponibles.

1.- Modelos físico-matemáticos en procesos de transferencia de masa, cantidad de movimiento y energía. Semejanza en modelos.

2.- Aspectos matemáticos de los procesos de resolución.

3.- Generación de mallas y discretizado temporal.

4.- Modelado de fenómenos difusivos y aplicaciones de transferencia de calor.

5.- Modelado de fenómenos convectivos y aplicaciones con flujos de interés industrial.

6.- Modelado de flujos turbulentos.

7.- Aplicaciones con flujos reactivos, multiespecie y multifásicos.

La distribución de la asignatura contempla 45 horas presenciales frente a 105 horas no presenciales. Dada la importancia que se le concede a la capacidad del estudiante para desarrollar sus propios códigos, así como para utilizar adecuadamente programas de resolución numérica, se les ha dado una gran relevancia a las horas de prácticas en el aula de informática (21 horas de PL). Estas prácticas serán, además, complementarias con prácticas de aula (7 horas de PA), en las que se trabajarán aspectos metodológicos relacionados con la implantación de modelos. Por último, se han planificado 14 horas de clases expositivas (CEX) que, junto con la evaluación final (3 h), completan la docencia presencial de la asignatura.

Adicionalmente, se proporcionarán diversos contenidos on-line para el bloque de trabajo no presencial del estudiante. Esta parte de la planificación es muy importante porque permitirá proporcionar a los estudiantes de material de trabajo diseñado específicamente para alcanzar los objetivos de aprendizaje propuestos.

TRABAJO PRESENCIAL

TRABAJO NO PRESENCIAL

Temas

Horas totales

Clase Expositiva (CEX)

Prácticas de informática (PL)

Prácticas de aula (PA)

Sesiones de Evaluación (EVA)

Total

Trabajo individualizado

Trabajo de programación

Total

1.- Modelos físico-matemáticos.

6.0

2

   

2.0

4

4.0

Transferencia de calor y masa

3

1

   

1

2

2

Transferencia de cantidad de movimiento

3

1

   

1

2

2

2.- Aspectos matemáticos de los procesos de resolución.

21.5

2.5

6

3

 

11.5

10

 

10.0

Diferencias finitas

14.5

0.5

3

1

 

4.5

5

 

5

Condiciones iniciales y de contorno

0.5

0.5

   

0.5

   

Métodos iterativos

1.0

0.5

 

0.5

 

1

   

Volúmenes finitos

14.5

0.5

3

1

 

4.5

5

 

5

Convergencia y estabilidad

1.0

0.5

 

0.5

 

1

   

3.- Generación de mallas y discretizado temporal.

2.5

1.5

1

  

2.5

   

4.- Modelado de fenómenos difusivos. Aplicaciones de transferencia de calor.

53.5

2

6

2

1.5

11.5

21

21

42.0

5.- Modelado de fenómenos convectivos. Aplicaciones a flujos de interés industrial.

32.5

2

4

1

1.5

8.5

12

12

24.0

6.- Modelado de flujos turbulentos.

15.0

2

2

1

 

5.0

10

 

10.0

7.- Aplicaciones con flujos reactivos, multiespecie y multifásicos.

19.0

2

2

  

4.0

15

 

15.0

Total

150.0

14

21

7

3

45.0

72

33

105.0

MODALIDADES

Horas

%

Totales

Presencial

Clases Expositivas (CEX)

14

9.33

45.0

(30%)

Prácticas de Informática (PL)

21

14.0

Prácticas de Aula (PA)

7

4.66

Sesiones de Evaluación (EVA)

3

2.0

No presencial

Estudio individualizado

72

48.0

105.0

(70%)

Trabajo de programación

33

22.0

Total

150.0

100.0

Para la convocatoria ordinaria, los conocimientos y habilidades adquiridas por el estudiante serán evaluados de manera continua a lo largo de la impartición de la materia. Para ello, se observarán los progresos de los estudiantes, especialmente en las sesiones de prácticas de aula, y se pondrá a prueba su aprendizaje a través de las horas de prácticas en las aulas de informática, valorándose su destreza en la resolución de problemas propuestos y en el manejo de las herramientas para la resolución numérica de problemas de transferencia de calor y transporte de fluidos.

En particular, el estudiante deberá realizar las siguientes actividades (cada una con su peso en la calificación final):

  • Desarrollo de pequeños códigos numéricos, incluyendo su implementación y ejecución, para resolver problemas tipo de transferencia de calor y movimiento de fluidos: 20%.
  • Utilización de software comercial para resolución de problemas típicos de aplicación industrial: 20%.
  • Examen: 50%.
  • Asistencia y participación en las actividades propuestas en las clases teóricas y prácticas: 10%.

Para superar la asignatura es necesario que el estudiante obtenga al menos el 50% de la calificación final de la asignatura, si bien es condición necesaria una nota mínima de 3.5 puntos sobre 10 en el examen para poder realizar la media ponderada de todas las actividades de evaluación. Si la nota del examen es inferior a 3.5 puntos, la calificación final obtenida al ponderar la nota del examen junto con el resto de actividades se limitará a un valor máximo de 3.5 puntos. La nota obtenida en las actividades de evaluación continua (desarrollo de códigos, utilización de software y asistencia) es válida para todas las convocatorias del mismo curso académico.

Para las convocatorias extraordinarias, si el estudiante no ha realizado las actividades de evaluación continua ni tiene puntuación por asistencia y participación en clase, podrá recuperar hasta un máximo del 75% de la puntuación de las tareas de desarrollo de códigos y utilización de software, realizándolas dentro del plazo que fijen los profesores. La nota de la asistencia no podrá recuperarse en ningún caso. El examen se mantiene con la misma ponderación que en la convocatoria ordinaria. De esta forma, el estudiante puede optar al aprobado, pero con una calificación final máxima de 7.5 puntos (nota máxima en el examen de 3 puntos y nota máxima en las tareas de recuperación de la evaluación continua de 4.5 puntos). Así mismo, se mantiene la nota mínima de 3.5 puntos sobre 10 en el examen como requisito para realizar la ponderación de todas las actividades de evaluación.

Los estudiantes a los que el Centro conceda la evaluación diferenciada, deberán realizar el examen, que tendrá un peso del 70% en la calificación final, así como tareas de desarrollo de códigos y utilización de software, que se deberán entregar dentro del plazo que fijen los profesores y tendrán un peso del 30% en la calificación final (15% desarrollo de códigos y 15% utilización de software). En este caso, es necesario alcanzar una nota mínima de 4.0 puntos sobre 10 en el examen para hacer la ponderación de todas las actividades.

De forma excepcional, si las condiciones sanitarias lo requieren, se podrán incluir métodos de evaluación no presencial, en cuyo caso se informará a los estudiantes de los cambios efectuados.

Bibliografía básica

  • Moin, P., “Fundamentals of Engineering Numerical Analysis”, Cambridge University Press, 2012.
  • Pletcher, R.H., Tannehill, J.C., Anderson, D.A., “Computational Fluid Dynamics and Heat Transfer”. CRC Press, 2013.
  • Versteeg, H.K., Malalasekera, W., “An Introduction to Computational Fluid Dynamics: The Finite Volume Method”. Ed. Pearson, Prentice-Hall, 2007.
  • Hirsch, C., “Numerical Computation of Internal and External Flows”. Ed. John Wiley & Sons, 1990.
  • Bergmann, T.L., Lavine, A.S., Incropera, F.P., Dewitt, D.P. “Fundamentals of Heat and Mass Transfer”. Ed. John Wiley & Sons, 2011.
  • Fernández Oro, J.M., "Técnicas Numéricas en Ingeniería de Fluidos", Ed. Reverté, 2012.

Bibliografía complementaria

  • ANSYS-FLUENT User’s Guide 2019 R2
  • ANSYS-FLUENT Theory Guide 2019 R2
  • Hunt, B.R., Lipsman, R.L., Rosenberg, J.M., Coombes, K.R., Osborn, J.E., Garrett, J.S., “A Guide to Matlab for Beginners and Experienced Users”. Ed. Cambridge Univ. Press, 2006.
  • Chung, T.J., “Computational Fluid Dynamics”. Ed. Cambridge Univ. Press, 2002.
  • Mills, A.F., “Transferencia de Calor”, Ed. Irwin,1995.
  • Patankar, S.V., “Numerical Heat Transfer and Fluid Flow”, Hemisphere Publishing Corporation, New York, 1980.