Projekti / Programi
Učinki skaliranja akustične kavitacije v različnih kapljevinah z opredelitvijo brezdimenzijskega števila
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.13.07 |
Tehnika |
Procesno strojništvo |
Vodna moč |
| Koda |
Veda |
Področje |
| T210 |
Tehnološke vede |
Strojništvo, hidravlika, vakuumska tehnologija, vibracije in akustično inženirstvo |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.03 |
Tehniške in tehnološke vede |
Mehanika |
Kavitacija, akustična kavitacija, sonotroda, skaliranje kavitacije, različne kapljevine
Raziskovalci (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Ime in priimek |
Razisk. področje |
Vloga |
Obdobje |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
35069 |
dr. Martin Petkovšek |
Procesno strojništvo |
Vodja |
2017 - 2019 |
133 |
Organizacije (1)
Povzetek
Kavitacija kot fizikalni fenomen označuje prehod iz kapljevitega v plinasto agregatno stanje in nazaj v homogeno kapljevino pri približno konstantni temperaturi, pri čemer je za prehod potreben lokalni padec tlaka v kapljevini. Pri tem se tvorijo majhni parni mehurčki, t.i. kavitacijski mehurčki, ki po prehodu iz področja nizkega tlaka v področje višjega tlaka, silovito kolapsirajo v homogeno kapljevino.
Kavitacija se lahko pojavi na vseh turbinskih strojih, kateri imajo za delovni medij kapljevine, pojav kavitacije je skoraj da neizbežen v sistemih za vbrizgavanje goriva, pojavlja pa se tudi v ventilih, ležajih itd. V večini primerov se inženirji želimo izogniti ali preprečiti nastanek kavitacije, saj ima le ta številne negativne učinke, kot so vibracije, hrup, zmanjšanje izkoristka stroja in česar se najbolj bojimo, kavitacijske erozije, ki lahko stroj ali napravo poškoduje tako močno, da ji onemogoči normalno obratovanje.
Sprva je bila kavitacija obravnava izključno kot nezaželeni pojav, ki se mu je potrebno izogniti, danes pa se jo uporablja tudi kot orodje v številnih industrijskih procesih in medicinskih posegih.
Večina raziskav na področju kavitacije je narejenih v čisti vodi, kjer kavitacijo relativno dobro poznamo in jo dokaj dobro znamo tudi napovedati z različnimi numeričnimi metodami. Veliko manj raziskav pa je bilo opravljenih na področju kavitacije v kapljevinah različnih od vode in glede na to, da se v številnih procesih kjer nimamo opravka z čisto vodo pojavlja kavitacija, bi bilo smiselno raziskati kavitacijo tudi v kapljevinah kot so razne raztopine, suspenzije, koloidi, olja, goriva, kriogene kapljevine itd.
V okviru predlaganega podoktorskega projekta želimo s pomočjo akustične kavitacije, povzročene s sonotrodo, eksperimentalno raziskati kavitacijo v različnih kapljevinah. Naredili bomo primerjavo med kavitacijo v čisti vodi in različnimi drugimi kapljevinami, kot so morska voda, goriva in tekoči dušik. Eksperimentalni podatki so izrednega pomena, saj lahko na podlagi le teh razvijamo nove in izboljšujemo obstoječe numerične modele, kateri večinoma še vedno temeljijo na eksperimentalnih podatkih kavitacije v vodi.
Podoktorski projekt bo razdeljen na štiri delovne sklope (DS):
- DS1: Zasnova in izdelava kavitacijske postaje.
Zasnova kavitacijske postaje bo temeljila na ultrazvočni sondi - sonotrodi, katere konica bo potopljena v delovno kapljevino. Kavitacijska posoda s prostornino manjšo od 1 litra, v katero bo natočena delovna kapljevina, bo omogočala spremembo in nadzorovanje obratovalnih pogojev.
- DS2: Karakterizacija kavitacije v vodi.
Po izdelavi kavitacijske postaje, bomo eksperimentalno ovrednotili kavitacijo v vodi, pri različnih obratovalnih pogojih. Karakterizacija kavitacije v vodi nam bo služila kot referenca za primerjavo z drugimi kapljevinami (DS3).
- DS3: Skaliranje kavitacije v različnih kapljevinah
Eksperimentalno ovrednotenje kavitacije v različnih kapljevinah pri različnih obratovalnih pogojih nam bo dalo vpogled na možnost skaliranja kavitacije z referenčne na poljubno kapljevino, pri poznavanju njenih osnovnih reoloških lastnosti.
- DS4: Analiza rezultatov in opredelitev brezdimenzijskega števila za opis akustične kavitacije.
Na podlagi rezultatov iz DS2 in DS3 se bo opredelil brezdimenzijski parameter, katerega namen bo opis kavitacijskega stanja, podobno kot Kavitacijsko število pri hidrodinamski kavitaciji.
Z natančnim popisom kavitacijskih lastnosti v različnih kapljevinah bo mogoče vzpostaviti okvir za izboljšanje metod za napoved kavitacije v različnih kapljevinah. To bo vodilo v učinkovitejše in daljše obratovanje strojev, kot tudi k optimizaciji procesov, kjer se kavitacija izkorišča kot orodje.
Pomen za razvoj znanosti
Kavitacija kot fizikalni fenomen je v grobem relativno dobro raziskan, še vedno pa trenutna znanost nima povsem jasnih pojasnil kaj točno se dogaja na skali kavitacijskega mehurčka, kaj vse vpliva na njegovo rast in razvoj in kako kolaps takega mehurčka povzroči poškodbo na površini materiala. Veliko vprašanj se postavlja tudi na področju uporabe kavitacije v številnih procesih, kateri mehanizmi imajo vpliv na npr. mešanje, čiščenje, homogeniziranje, pobijanje mikroorganizmov itd. In ker imamo ponavadi v realnih procesih opravka predvsem z kapljevinami, ki niso voda, se odpira toliko več vprašanj kako lastnosti same kapljevine vplivajo na proces kavitacije.
Odgovor na to problematiko lahko stroka ponudi le v raziskovalnem delu, ki temelji na izvedbah čim večjega števila eksperimentalnih študij. Le na podlagi eksperimentalnega dela bo tako stroka kot tudi znanost lahko napredovala in se razvijala.
Jasno je, da postaja področje kavitacije vedno bolj zanimivo zaradi njene uporabe kot orodje v številnih procesih, predvsem za čiščenje različnih vrst voda in s tem ko bo razumevanje samega fenomena in njegovih mehanizmov pri čiščenju, mešanju homogeniziranju itd. napredovalo, se bodo lahko tudi izboljšali številni procesi in razvile nove možnosti uporabe kavitacije v industriji.
V okviru podoktorskega projekta želimo s prepletanjem eksperimentalnih, numeričnih in teoretičnih pristopov priti do boljšega razumevanja v projektu opisanih procesov.
Pomen za razvoj Slovenije
Kavitacija, posledično pa njeni nezaželeni učinki, predvsem kavitacijska erozija, je eden izmed najbolj perečih problemov, ki spremlja obratovanje turbin, črpalk, ladijskih vijakov, ventilov, sistemov za vbrizg goriva in druge. Kavitacijska erozija lahko povzroči ogromne stroške pri sanacijah gonilnikov na hidroelektrarnah, ladijskih vijakov in drugo ali pa skrajša življenjsko dobo strojev in naprav.
Z boljšim poznavanjem fizikalnega ozadja samega pojava kavitacije bodo lahko nezaželeni učinki le te bolje predvideni ali pa celo preprečeni s čimer se bodo zmanjšali stroški popravila strojev in naprav, ki jih pesti kavitacija. Hkrati pa se dobo odprle nove možnosti za izrabo kavitacije v pozitivne namene in sicer v industriji in medicini. Že sedaj se s pridom uporablja kavitacija v najrazličnejših procesih, z boljšim poznavanjem in obvladovanjem njenih pozitivnih in negativnih učinkov pa bodo lahko ti procesi bolj učinkoviti, kar bo privedlo do znižanja stroškov pri obratovanju.
Intenzivne raziskave potekajo kako izrabiti pozitivne učinke kavitacije na področju ekologije, za čiščenje odpadnih voda, za čiščenje balastnih voda, obdelava biogoriv itd. S poznavanjem lastnosti kavitacije v tako kompleksnih kapljevinah kot sta npr. odpadna ali morska voda, bodo lahko procesi bolj učinkoviti in bodo tako imeli večji učinek na okolje, s tem pa tudi dolgoročno na zdravje in zadovoljstvo družbe.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Zaključno poročilo
