1. SylabUZ
2. Faculty of Mechanical Engineering
3. winter term 2023/2024
4. Biomedical Engineering - First-cycle studies leading to Engineer's degree
5. Heat and Flow Problems in Biological Systems

Generate PDF for this page

Heat and Flow Problems in Biological Systems - course description

Aim of the course

Pozyskanie systematycznej wiedzy z fizyki technicznej w dziedzinie zarządzania transformacjami energii oraz projektowaniem prostych przepływów (termodynamiki i mechaniki płynów). Umiejętność zastosowania tej wiedzy w rozwiązywaniu problemów technicznych w bioinżynierii.

Prerequisites

Save changes

Matematyka, Fizyka

Scope

Wykład:

1. Wprowadzenie Przepływ ciepła. Prawo Fouriera. Modelowanie procesów przepływu ciepła. (2 godz.)
2. Wprowadzenie do metody różnic skończonych. Rozwiązywanie zagadnień brzegowych. (2 godz.)
3. Modelowanie procesów przekazywania energii na sposób ciepła, konwekcja, przenikanie. (2 godz.)
4. Warunki brzegowe w zagadnieniach brzegowych. (2 godz.)
5. Zagadnienia cieplne stacjonarne i niestacjonarne. (2 godz.)
6. Dyfuzja. Prawo Ficka. Modelowanie dwuwymiarowych zagadnień brzegowych. (2 godz.)
7. Specyfika przepływów płynów biologicznych – przepływy nienewtonowskie, pulsacyjne. Warunki równowagi – równanie Naviera-Stokesa. (2 godz.)
8. Przepływy uwarstwione i burzliwe. Przepływ płynu przez przewód. (2 godz.)
9. Modelowanie przepływów. Opis ciał fizycznych oraz zjawisk za pomocą wielkości fizycznych. (2 godz.)
10. Metody przekazywania energii; ciepło, praca, promieniowanie elektromagnetyczne, przepływ substancji. (2 godz.)
11. Równanie stanu. Opis stanów równowagi, rodzaje sił, pojęcie pędu, energii. Zasady zachowania substancji, zachowania energii, warunków równowagi. (zasady termodynamiki). (2 godz.)
12. Przykłady zastosowania bilansu substancji i energii. Równanie D. Bernouliego.
13. Typy przemian. Spontaniczność przemian – pojęcie entropii i zasada wzrostu entropii. Przemiany fazowe. Typowe obiegi termodynamiczne. (2 godz.)
14. Reologia, napięcie powierzchniowe, lepkość, siły „masowe”. Urządzenia techniczne w przetwarzaniu rodzajów energii. (2 godz.)
15. Kolokwium (2 godz.)

Projekt:

Tematyka: Symulacja niestacjonarnego przepływu ciepła dla wybranego układu ciał z uwzględnieniem, źródła i kontaktu pomiędzy ciałami o różnym współczynniku przewodzenia.

1. Wprowadzenie. (1 godz)
2. Matematyczny opis zagadnienia oraz podstawy fizyczne problemu. (2 godz)
3. Prezentacja informacji literaturowych. Formułowanie zagadnienia brzegowego. (2 godz)
4. Formułowanie problemu i rozwiązywanie metodą różnic skończonych. (2 godz)
5. Formułowanie problemu i rozwiązywanie metodą elementów skończonych. (2 godz)
6. Symulacja zagadnienia w środowisku ANSYS. (2 godz)
7. Porównanie wyników symulacji i interpretacja. (2 godz)
8. Zaliczenie projektu.(2 godz)

Laboratorium:

1. Badanie lepkości cieczy metodą Höpplera i Englera (4h)
2. Wyznaczanie molowego ciepła reakcji – pomiary kalorymetryczne (2h)
3. Numeryczna symulacja stacjonarnego przepływu ciepła w pręcie z wykorzystaniem oprogramowania Ansys (2h)
4. Numeryczna symulacja niestacjonarnego przepływu ciepła w płycie grzewczej z wykorzystaniem oprogramowania Ansys (2h)
5. Symulacja przepływów w aorcie wywołanych oddziaływaniem krwi z wykorzystaniem oprogramowania Ansys (2h)
6. Analiza numeryczna naprężeń w stencie kardiologicznym spowodowanych działaniem ciśnienia krwi (2h)

Teaching methods

Wykład konwencjonalny wraz z praktycznymi przykładami realizacji programowej algorytmów obliczeniowych.

Zajęcia projektowe w formie konsultacji i oceny postępów prac w projekcie

Laboratorium -realizacja ćwiczeń laboratoryjnych zgodnie z opisem i tematyką

Learning outcomes and methods of theirs verification

Outcome description	Outcome symbols	Methods of verification	The class form

Assignment conditions

Wykład – warunkiem zaliczenia części wykładowej jest uzyskanie pozytywnej oceny z kolokwium zaliczeniowego.

Projekt– warunkiem zaliczenia projektu jest sporządzenie opisu sposobu rozwiązania zadania projektowego zgodnie z wymaganiami prowadzącego oraz pozytywna ocena z odpowiedzi na pytania dotyczące projektu.

Laboratorium – warunkiem zaliczenia jest obecność na zajęciach oraz aktywny udział w zajęciach. Ocena na podstawie kolokwium zaliczeniowego.

Recommended reading

1. S.Zahorski: Mechanika przepływów cieczy lepkosprężystych – PWN, Warszawa – Poznań, 1978.

2. J.Ferguson, Z.Kembłowski: Reologia stosowana płynów – Wydawnictwo Marcus S.C., Łódź,1995.

3. R.Gryboś: Podstawy mechaniki płynów – WNT, Warszawa, 1998.

4. J.Szargut: Termodynamika – PWN, Warszawa, 2000.

5. M.Gierzyńska-Dolna: Biotrybologia – Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa, 2002.

Further reading

1. Przepływy w układzie krwionośnym / Bartłomiej Bębenek, Kraków : Politechnika Krakowska, 1999

2. Basic transport phenomena in biomedical engineering / Ronald L. Fournier, 2 wyd. , New York : Taylor & Francis Group, 2007

3. K.Rup: Mechanika płynów w środowisku naturalnym – Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, Kraków, 2003.

4. L.Kołodziejczyk, S.Mańkowski, M.Rubik: Pomiary w inżynierii sanitarnej – Arkady, Warszawa, 1980.

Notes

Modified by dr hab. inż. Tomasz Klekiel, prof. UZ (last modification: 23-03-2023 09:06)