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NOMBRE DE LA ASIGNATURA |
FENÓMENOS DE TRANSPORTE: TÉCNICAS DE SIMULACIÓN EN FLUIDOS (MÁSTER FÍSICA AVANZADA) |
CÓDIGO |
21580102 |
CURSO ACADÉMICO |
2024/2025 |
TÍTULOS DE MASTER EN QUE SE IMPARTE |
MÁSTER UNIVERSITARIO EN FÍSICA AVANZADA
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TIPO |
CONTENIDOS |
Nº ECTS |
6 |
HORAS |
150 |
PERIODO |
SEMESTRE 2
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IDIOMAS EN QUE SE IMPARTE |
CASTELLANO |
La asignatura de Fenómenos de Transporte es una asignatura optativa de la especialidad de Física de Fluidos que pretende proporcionar al estudiante las técnicas básicas de simulación numérica para estudiar fenómenos de dinámica microscopica de fluidos simples y complejos. Es una asignatura eminentemente práctica que requiere la elaboración y utilización de programas para la realización de simulaciones numéricas, por lo que puede ser también de interés para estudiantes de la especialidad de Física Computacional.
En esta asignatura se estudian los fundamentos de la dinámica molecular como herramienta para extraer propiedades macroscópicas a partir de detalles microscópicos. Para ello, se estudian (desde el punto de vista de la mecánica clásica) distintos integradores de las ecuaciones del movimiento, colectividades, potenciales de interacción, etc., tanto desde el punto de vista teórico como computacional. También se estudia la vinculación estadística entre propiedades microscópicas (como las fuerzas entre partículas) y observables macroscópicos (como la fricción) para obtener coeficientes de transporte. Por último, se estudian también ejemplos sencillos de dinámica browniana que se complementan con otras asignaturas del título.
Esta asignatura utiliza conceptos de las asignaturas del módulo obligatorio Métodos Numéricos Avanzados y Complementos de Métodos Matemáticos. También se asienta en la teoría que se desarrolla en la asignatura de Mecánica Estadística Fuera del Equilibrio, por lo que resulta interesante el aprovechamiento previo de todas estas materias.
Con carácter general, para abordar la asignatura con garantías de éxito son precisos conocimientos de matemáticas y de física adquiridos en una titulación de graduado en Física o Ingeniería.
- Matemáticas: cálculo diferencial en varias variables, máximos de funciones condicionados, ecuaciones diferenciales en derivadas parciales.
- Física: Mecánica analítica (ecuaciones de Hamilton). Facilita mucho el seguimiento del curso el haber cursado con anterioridad materias de Física de Fluidos y Mecánica Estadística en el grado.
- Además, es indispensable cierto conocimiento de programación en C/Fortran o lenguaje de programación equivalente para poder llevar a cabo simulaciones numéricas.
La bibliografía básica de la asignatura está escrita en inglés, por lo que es necesario un conocimiento del inglés que permita la lectura y comprensión fluida de textos científicos y técnicos.
El curso virtual es el instrumento fundamental para la tutorización y seguimiento del aprendizaje. En general, los estudiantes podrán plantear las dudas de contenido en cualquiera de los foros habilitados. No obstante, también es posible realizar consultas al equipo docente a través del correo electrónico, teléfono y presencialmente en los horarios establecidos para estas actividades, solicitando cita previa con suficiente antelación. Los datos de contacto del equipo docente son:
Dr. D. Jaime Arturo de la Torre (Coordinador de la asignatura)
e-mail: jatorre@fisfun.uned.es
Tel.: 91 398 71 36
Departamento de Física Fundamental. Despacho 2.01 Biblioteca Central UNED (Senda del Rey 5, 28040 Madrid)
Horario de atención al estudiante: miércoles lectivos, de 11:00 a 13:00 y de 15:30 a 17:30
Dr. D. Ignacio Zúñiga López
e-mail: izuniga@fisfun.uned.es
Tel.: 91 398 71 32
Departamento de Física Fundamental. Despacho 2.01 Biblioteca Central UNED (Senda del Rey 5, 28040 Madrid)
Horario de atención al estudiante: martes lectivos, de 12:00 a 14:00 y de 16:00 a 18:00
COMPETENCIAS
CM2 Adquirir los conocimientos necesarios en Física Avanzada para incorporarse a un grupo de investigación o a empresas.
CM3 Adquirir la capacidad para abordar y resolver un problema avanzado en la física teórica, computacional o de fluidos, mediante la elección adecuada del contexto teórico, la identificación de los conceptos relevantes y el uso de las técnicas matemáticas que constituyen la mejor aproximación para así llegar a la solución.
CM4 Analizar una situación compleja extrayendo cuales son las cantidades físicas relevantes y ser capaz de reducirla a un modelo parametrizado.
CM5 Analizar problemas nuevos en sistemas poco conocidos y determinar similitudes y diferencias con modelos de referencia.
CM6 Analizar críticamente resultados experimentales, analíticos y numéricos en el campo de la física avanzada.
CONOCIMIENTOS O CONTENIDOS
CN1 Comprender conceptos avanzados de Física y demostrar, en un contexto de investigación científica altamente especializada, una relación detallada y fundamentada entre los aspectos teóricos y prácticos y la metodología empleada en este campo.
CN2 Conocer y comprender los elementos más relevantes de la física teórica, computacional y de fluidos actual. Profundizar en la comprensión de las teorías que se encuentran en la frontera de estos temas, incluyendo su estructura matemática, su confrontación con resultados experimentales, y la descripción de los fenómenos físicos que dichas teorías explican.
CN3 Conocer los sistemas operativos y lenguajes de programación y herramientas de computación relevantes en el campo de la física avanzada.
CN4 Comprender las propiedades cualitativas de las soluciones a las ecuaciones de la física (sus tipos, estabilidad, singularidades, etc.) y su dependencia de los parámetros que definen un sistema físico.
HABILIDADES O DESTREZAS
H1 Elaborar un trabajo escrito con datos bibliográficos, teóricos y/o experimentales, escribiendo un resumen o articulado en extenso (tal y como se realizan los artículos científicos), formulando hipótesis razonables, composiciones originales y conclusiones motivadas.
H2 Comunicar con claridad y rigor los resultados de un trabajo de investigación de forma oral o escrita.
H3 Utilizar bibliografía y fuentes de información especializada, propias del ámbito de conocimiento de la física, manejando las principales bases de datos de recursos científicos.
H5 Modelizar sistemas de alto grado de complejidad. Identificar variables y parámetros relevantes y realizar aproximaciones que simplifiquen el problema. Construir modelos físicos que describan y expliquen situaciones en ámbitos diversos.
H7 Resolver problemas algebraicos, de resolución de ecuaciones y de optimización mediante métodos numéricos.
H8 Modelar y simular fenómenos físicos complejos por ordenador.
H9 Elaborar una memoria clara y concisa de los resultados de su trabajo y de las conclusiones obtenidas en el campo de la física avanzada.
COMPETENCIAS
CM2 Adquirir los conocimientos necesarios en Física Avanzada para incorporarse a un grupo de investigación o a empresas.
CM3 Adquirir la capacidad para abordar y resolver un problema avanzado en la física teórica, computacional o de fluidos, mediante la elección adecuada del contexto teórico, la identificación de los conceptos relevantes y el uso de las técnicas matemáticas que constituyen la mejor aproximación para así llegar a la solución.
CM4 Analizar una situación compleja extrayendo cuales son las cantidades físicas relevantes y ser capaz de reducirla a un modelo parametrizado.
CM5 Analizar problemas nuevos en sistemas poco conocidos y determinar similitudes y diferencias con modelos de referencia.
CM6 Analizar críticamente resultados experimentales, analíticos y numéricos en el campo de la física avanzada.
Tema 1. Fundamentos de la dinámica molecular
- Integradores numéricos
- Potenciales de interacción
- Simulaciones
Tema 2. Fenómenos de transporte
- Colectividades de equilibrio
- Promedios y fluctuaciones
- Correlaciones temporales
- Coeficientes de transporte
Tema 3. Métodos acelerados
- Listas de Verlet
- Suma de Ewald
- Transformada rápida de Fourier
Tema 4. Dinámica browniana
- Suspensiones coloidales y poliméricas
- Soluciones numéricas a ecuaciones diferenciales estocásticas: algoritmos básicos
- Aplicaciones a ejemplos sencillos
El curso se impartirá a través de la plataforma educativa virtual de la UNED, con la metodología propia de la educación a distancia. El trabajo autónomo del estudiante es esencial para la consecución de los objetivos propuestos en la asignatura. El curso virtual dispondrá de suficientes elementos de ayuda (páginas con información, herramientas para el entrega de tareas, foros de discusión, tablón de noticias, etc.) para ayudar a cumplir los objetivos propuestos.
TIPO DE PRUEBA PRESENCIAL
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Tipo de examen |
Tipo de examen |
No hay prueba presencial |
CARACTERÍSTICAS DE LA PRUEBA PRESENCIAL Y/O LOS TRABAJOS |
CARACTERÍSTICAS DE LA PRUEBA PRESENCIAL Y/O LOS TRABAJOS
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Requiere Presencialidad |
Requiere Presencialidad |
No |
Descripción |
Descripción |
Esta asignatura no tiene prueba presencial.
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Criterios de evaluación |
Criterios de evaluación |
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Ponderación de la prueba presencial y/o los trabajos en la nota final |
Ponderación de la prueba presencial y/o los trabajos en la nota final |
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Fecha aproximada de entrega |
Fecha aproximada de entrega |
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Comentarios y observaciones |
Comentarios y observaciones |
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PRUEBAS DE EVALUACIÓN CONTINUA (PEC) |
PRUEBAS DE EVALUACIÓN CONTINUA (PEC)
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¿Hay PEC? |
¿Hay PEC? |
Si,PEC no presencial |
Descripción |
Descripción |
Durante el cuatrimestre lectivo se realizarán dos pruebas de evaluación continua.
La primera prueba (PEC1) consistirá en un test de respuesta múltiple sobre la teoría de los temas. La fecha de la prueba se anunciará en el curso virtual con suficiente antelación.
La segunda prueba (PEC2) consistirá en un caso práctico en el que se deberá desarrollar, modificar o explicar el contenido de un pequeño programa que aplique algunos de los conceptos estudiados en la parte de teoría. Los detalles concretos sobre las condiciones que debe cumplir el programa se darán en el curso virtual.
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Criterios de evaluación |
Criterios de evaluación |
La corrección de la PEC1 será automática. De todas las respuestas posibles a cada pregunta solo una se considerará correcta. Las respuestas incorrectas penalizarán la calificación final.
La corrección de la PEC2 será manual. Se valorará, entre otros conceptos, la implementación de los requisitos planteados, la eficacia para alcanzar los resultados correctos, la eficiencia del código empleado y las explicaciones dadas. El código empleado deberá estar suficientemente documentado y ser legible en cualquier sistema operativo.
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Ponderación de la PEC en la nota final |
Ponderación de la PEC en la nota final |
PEC1: 20%
PEC2: 20% |
Fecha aproximada de entrega |
Fecha aproximada de entrega |
PEC1/antes de Semana Santa; PEC2/después de Semana Santa |
Comentarios y observaciones |
Comentarios y observaciones |
Será imprescindible cumplir con el calendario de entregas planteado al inicio del curso para poder ser evaluado en la convocatoria ordinaria.
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OTRAS ACTIVIDADES EVALUABLES
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¿Hay otra/s actividad/es evaluable/s? |
¿Hay otra/s actividad/es evaluable/s? |
Si,no presencial |
Descripción |
Descripción |
La principal actividad de la asignatura consistirá en la elaboración de una memoria científica a partir de los resultados de simulación de un proceso físico. A cada estudiante se le asignará el estudio de un fenómeno con unas condiciones dadas. El estudiante deberá implementar el fenómeno físico haciendo uso de las herramientas enseñadas durante el curso, extraer resultados y escribir una memoria donde se detalle todo el proceso.
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Criterios de evaluación |
Criterios de evaluación |
De forma no exhaustiva, a partir de las condiciones dadas por el equipo docente, se evaluará:
- La correcta explicación del fenómeno físico subyacente al proceso.
- La implementación numérica del fenómeno.
- La extracción de resultados y la visualización correcta de los mismos.
- La elaboración de conclusiones.
Para poder superar la asignatura será requisito imprescindible tener una calificación mínima de 5 (sobre 10 puntos) en el trabajo.
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Ponderación en la nota final |
Ponderación en la nota final |
60% |
Fecha aproximada de entrega |
Fecha aproximada de entrega |
Final de curso |
Comentarios y observaciones |
Comentarios y observaciones |
Para que el trabajo pueda evaluarse, será imprescindible entregar una memoria científica que detalle los pasos seguidos, incorporar a la memoria los archivos de entrada o el código de programación utilizado, y que ambos archivos se envíen a través del curso virtual antes de la fecha límite que figure al inicio del curso.
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¿Cómo se obtiene la nota final?
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Para superar la asignatura será imprescindible tener una calificación mínima de 5 (sobre 10 puntos) en el trabajo fin de curso. La calificación final es la suma de las tres actividades evaluables, ponderadas del siguiente modo:
NOTA FINAL = 0,2 PEC1 + 0,2 PEC2 + 0,6 TRABAJO
Convocatoria extraordinaria de septiembre
Aquellos estudiantes que no superen la asignatura en la convocatoria ordinaria de junio podrán presentarse a la convocatoria extraordinaria de septiembre. Las calificaciones parciales obtenidas se guardan para la convocatoria de septiembre.
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El libro de Frenkel y Smit, Understanding Molecular Simulation, es un excelente volumen con numerosos detalles sobre dinámica molecular que son relevantes para este curso. Con un lenguaje sencillo y ejemplos desarrollados en FORTRAN, es un buen complemento que cubre, además, conceptos que van más allá del temario de la asignatura.
El volumen de Allen y Tildesley, Computer Simulation of Liquids, es también un libro muy completo que cubre todo el temario, incluyendo información importante sobre los coeficientes de transporte y los métodos acelerados. Tanto la edición de 2017 como la primera edición (de 1987 con múltiples reimpresiones) son válidas para seguir la asignatura.
Además del uso de estos libros, en la asignatura se fomentará la búsqueda de artículos científicos relevantes para los distintos temas. También se proporcionará material complementario sobre aspectos técnicos (como el software de dinámica molecular).
Se recuerda que la bibliografía básica de la asignatura está escrita en inglés, por lo que es necesario un conocimiento del inglés que permita la lectura y comprensión fluida de textos científicos y técnicos.
El libro de Brey, de la Rubia, de la Rubia, Mecánica Estadística, es un buen material complementario para entender, entre otros conceptos, los fundamentos de la teoría de colectividades de equilibrio. Este volumen está especialmente recomendado para aquellos estudiantes que necesiten refrescar conocimientos de los cursos de grado.
DINÁMICA MOLECULAR
LAMMPS es uno de los paquetes de software de dinámica molecular más extendidos en la comunidad científica. Altamente paralelizable, utiliza una sintaxis propia que se ejecuta secuencialmente. Posee una documentación muy extensa y dispone de versiones para Linux, MacOS y Windows.
COMPILADORES
Existen compiladores de C, C++ y FORTRAN gratuitos para Linux (gcc), MacOS (Xcode) y Windows (Visual Studio). Algunas librerías como GSL o Armadillo hacen más sencillo el trabajo con álgebra matricial. Librerías como LAPACK pueden ayudar a operar eficientemente con los datos que genere el código de dinámica molecular.
Es posible también usar python o alguna de sus suites de programación e IDE más usuales como anaconda o spyder. Librerías como matplotlib, numpy, scipy o pandas pueden facilitar también el trabajo de programación.
REPRESENTACIÓN GRÁFICA
VMD es el software por excelencia para la visualización de datos obtenidos mediante dinámica molecular. También tiene algunas herramientas de análisis interesantes y dispone de un entorno interpretado con sintaxis de TCL.
gnuplot es un programa muy versátil para la representación de datos en bruto. Python, maxima y octave permiten también la representación usando funciones o librerías auxiliares. En última instancia, pueden usarse programas de ofimática como LibreOffice, OpenOffice, Excel o Numbers.
RECURSOS COMPUTACIONALES
El Máster en Física Avanzada tiene suscrito un acuerdo con el Centro de Computación de Alto Rendimiento de la UNED (CCAR) para proporcionar a los estudiantes que lo necesiten el acceso a recursos computacionales avanzados.