Detail předmětu

Numerické simulace ve fyzice

FSI-TFS Ak. rok: 2023/2024 Letní semestr

Kurz se zabývá modelováním fyzikálních úloh na počítači. Je zaměřen na výpočty polí pomocí programu COMSOL Multiphysics. Důraz je kladen na implementaci fyzikální úlohy, volbu okrajových podmínek, zjištění přesnosti dosažených výsledků a vizualizaci simulace.

Garant předmětu

Ing. Jakub Zlámal, Ph.D.

Zajišťuje ústav

Ústav fyzikálního inženýrství

Výsledky učení předmětu

Získání praxe při řešení fyzikálních úloh na počítači. Seznámení se se způsobem zadání problému, ověření správnosti výsledků a jejich dalším použití.

Prerekvizity

Základní znalosti fyziky na úrovni učebnice HALLIDAY, D. – RESNICK, R. – WALKER, J.: Fyzika, VUTIUM, Brno.

Plánované vzdělávací činnosti a výukové metody

Předmět je vyučován formou přednášek, které mají charakter výkladu základních principů a teorie daného tématu. Cvičení je zaměřeno na modelování fyzikálních úloh.

Způsob a kritéria hodnocení

Hodnocen je protokol o samostaném řešení zvoleného fyzikálního problému.

Jazyk výuky

čeština

Cíl

Cílem kurzu je naučit studující používat moderní software pro výpočty fyzikálních úloh, pochopit jaká zjednodušení (geometrie, fyziky) je možné při výpočtu provést. Důraz je kladen na ověření získaných výsledků a jejich interpretaci.

Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění a formy nahrazování zameškané výuky

Povinná je účast na cvičeních a vypracování protokolu o řešení zvolené úlohy.

Použití předmětu ve studijních plánech

Program N-FIN-P: Fyzikální inženýrství a nanotechnologie, magisterský navazující
obor ---: bez specializace, 4 kredity, povinný

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

13 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

Ing. Jakub Zlámal, Ph.D.

Osnova


  1. Základy numerického řešení parciálních diferenciálních rovnic. Metoda konečných prvků, konečných diferencí, okrajových prvků. Přehled softwaru.

  2. Ověření přesnosti výpočtů – využití integrálních zákonů Gaussův, Ampérův. Vliv geometrických tolerancí na výsledek – odhad nejistoty při experimentálním ověření výpočtů.

  3. Statické elektrické a magnetické pole. Skalární a vektorový potenciál. Magnetizační křivka, magnetizace, magnetický dipólový moment.

  4. Základy numerického řešení obyčejných diferenciálních rovnic. Eulerova metoda, metoda Rungeova-Kuttova.

  5. Vlastní hodnoty a vlastní funkce.

  6. Šíření tepla. Vedení, vyzařování. Řešení provázaných fyzikálních úloh.

  7. Řešení Maxwellových rovnic. Elektromagnetická vlna na rozhraní prostředí.

  8. Rozptyl světla na strukturovaném rozhraní. Blízké a daleké pole.

  9. Časový vývoj pole – časová doména, frekvenční doména. Disperzní relace.

  10. Implementace vlastních fyzikálních rovnic v COMSOL Multiphysics.

  11. Konzultace projektů.

  12. Konzultace projektů.

  13. Prezentace projektů.

Cvičení s počítačovou podporou

26 hod., povinná

Vyučující / Lektor

Ing. Jakub Zlámal, Ph.D.

Osnova


  1. Seznámení s programem COMSOL Multiphysics. Řešení pole deskového kondenzátoru – 1D, 2D a 3D. Určení kapacity kondenzátoru. Pole bodového náboje. Tok vektoru elektrické indukce, Gaussův zákon elektrostatiky. Stínění elektrického pole.

  2. Childův-Langmuirův zákon – pole prostorového náboje. Řád diskretizace, hustota sítě, konvergence řešení. Srovnání výsledků s analytickým řešením

  3. Okrajové podmínky a jejich vliv na řešení. Využití symetrie. Pole permanentního magnetu. Srovnání s analytickým řešením pole magnetického dipólu. Tok vektoru magnetické indukce.

  4. Magnetické pole dvou vodičů s proudem. Síla působící na vodiče. Ampérův zákon.

  5. Kmitání nosníku – vlastní frekvence a vlastní funkce.

  6. Vedení a vyzařování tepla. Jouleovo teplo. Multifyzikální simulace.

  7. Odraz a lom rovinné světelné vlny na rozhraní. Fresnelovy koeficienty, polarizace světla.

  8. Rozptyl světla na strukturovaném rozhraní. Plazmonové polaritony, blízké a daleké pole.

  9. Šíření elektromagnetické vlny. Časový vývoj. Disperzní prostředí – výpočet ve frekvenční doméně.

  10. Implementace řešiče vlastní diferenciální rovnice.

  11. Práce na zvoleném projektu.

  12. Práce na zvoleném projektu

  13. Prezentace projektů.