Modelování fyzikálních jevů v prostředí COMSOL MULTIPHYSICS

Garant předmětu:

David Vrba

Přednášející:

David Vrba, Jan Vrba

Cvičící:

Matouš Brunát, David Vrba

Předmět zajišťuje:

katedra biomedicínské techniky

Anotace:

Numerické simulace jsou stále častěji využívány k vývoji nových a optimalizaci stávajících produktů a zařízení. Pomocí numerických simulací lze výrazně snížit počet potřebných prototypů, a tím vývoj značně urychlit a snížit náklady na vývoj. Dalším odvětvím, kde jsou numerické simulace využívány, jsou odvětví, kde je složité ověřit probíhající fyzikální děje (např. ohřev biologické tkáně pod elektrodami u přímé mozkové simulace). V neposlední řadě můžeme na základě numerických simulací provádět plánování léčby, kde na základě znalosti materiálových vlastností můžeme definovat množství dodávaného výkonu do zařízení (např. radiofrekvenční ablace v onkologii či kardiochirurgii). Počítačové modelování zahrnuje vytvoření geometrie, nastavení materiálových vlastností a okrajových podmínek a v neposlední řadě volbu diferenciálních rovnic, způsob diskretizace výpočetní oblasti a zpracování výsledků. Přesnost získaných výsledků, délka výpočtů a nároky na výpočetní výkon jsou velmi závislé na nastavení numerického modelu. Přednášky pokrývají nejčastější problémy z elektrotechniky, termiky, mechaniky, chemie, akustiky a dynamiky tekutin. Získané znalosti si studenti vyzkouší aplikovat při návrhu jednotlivých částí přístrojů a zařízení.

Požadavky:

Základní znalosti diferenciálních rovnic.

Výstupní znalosti, dovednosti, schopnosti a kompetence

Po absolvování kurzu budou studenti schopni vytvořit robustní numerický model. To mimo jiné zahrnuje vytvoření geometrie, nastavení materiálových vlastností a okrajových podmínek a v neposlední řadě volbu diferenciálních rovnic, způsob diskretizace výpočetní oblasti a zpracování výsledků. Studenti pak budou schopni provádět výpočty v odvětvích biomedicínského inženýrství, kde se nejčastěji řeší problémy z elektrotechniky, termiky, mechaniky, chemie, akustiky a dynamiky tekutin.

Osnova přednášek:

1.Přehled nejčastěji používaných numerických metod a teorie metody konečných prvků (FEM) a konečných diferencí v časové oblasti (FDTD)

2.Simulace elektrického a magnetického pole pro statické a quasi-statické aplikace (AC/DC Modul)

3.Simulace elektromagnetického pole (RF Modul), návrh a modelování vysokofrekvenčních zařízení

4.Rovnice šíření tepla v biologických tkáních, zejména Penneho rovnice (Heat Transfer Modul). Parametry rovnice a jejich fyzikální význam a typické hodnoty. Multifyzikální simulace.

5.Analýza mechanických struktur, které jsou předmětem statického nebo dynamického zatížení (Structural Mechanics). Mechanika tekutin (CFD Modul).

6.Vlnová optika, šíření světla v optických vláknech, optické sensory.

7.COMSOL Multiphysics a MATLAB (LiveLink for MATLAB).

Osnova cvičení:

1.Seznámení se s prostředím Comsol Multiphysics, tvorba 3D geometrií, zásady nastavení mřížky a řešiče.

2.Výpočet rozložení elektrického pole v okolí elektrod kardiostimulátoru.

3.Modelování vlnovodného aplikátoru pro lokální hypertermii a jím vytvořeného elektromagnetického pole v biologické tkáni.

4.Rozšíření předchozího modelu o teplotní simulaci v biologické tkáni.

5.Mechanika tekutin – jedné fáze a více nemísitelných fází pomocí Level set metody.

6.Šíření světla v optickém vlákně.

7.Tvorba modelu v COMSOL Multiphysics, export a úprava, spouštění simulací a analýza výsledků v prostředí MATLAB.

Cíle studia:

Předmět si klade za cíl seznámit studenty s možnostmi, které nabízejí současné numerické simulátory fyzikálních jevů zejména v souvislosti s biomedicínským inženýrstvím. K těmto účelům bude využita softwarová platforma COMSOL Multiphysics umožňující provádět numerické simulace jednotlivých fyzikálních jevů i jejich kombinací.

Studijní materiály:

Povinná literatura:

[1] DĚDKOVÁ, J., KŘÍŽ, T., Modelování elektromagnetických polí (MMEM), Vysoké učení technické v Brně, 2012, 100 stran. ISBN 978-80-214-4401-0,

http://www.utee.feec.vutbr.cz/iet/wp-content/uploads/sites/2/2016/10/MMEM_skripta.pdf

Doporučená literatura:

[1] COMSOL, Inc Introduction to COMSOL Multiphysics, version 5.3a, 2017, 196 stran, https://cdn.comsol.com/documentation/5.3.1.229/IntroductionToCOMSOLMultiphysics.pdf

Poznámka:

Rozvrh na zimní semestr 2023/2024:

	06:00–08:0008:00–10:0010:00–12:0012:00–14:0014:00–16:0016:00–18:0018:00–20:0020:00–22:0022:00–24:00
Po
Út	místnost KL:B-730 Brunát M. Vrba D. 14:00–15:50 LICHÝ TÝDEN (přednášková par. 1 paralelka 1) Kladno FBMI Počítačová učebna místnost KL:B-433 Vrba D. Vrba J. 14:00–15:50 SUDÝ TÝDEN (přednášková par. 1) Kladno FBMI Lab. KI a MZT
St
Čt
Pá

Rozvrh na letní semestr 2023/2024:

Rozvrh není připraven

Předmět je součástí následujících studijních plánů:

• Prospectus - bakalářský (!)
• Bakalářský studijní program Biomedicínská technika v aj (povinně volitelný předmět)