Projekti / Programi
Raziskave termodinamičnih učinkov kavitacije
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.05.05 |
Tehnika |
Mehanika |
Mehanika fluidov |
| Koda |
Veda |
Področje |
| T210 |
Tehnološke vede |
Strojništvo, hidravlika, vakuumska tehnologija, vibracije in akustično inženirstvo |
Kavitacija, erozija, dinamika tekočin, dvofazni tok, numerična simulacija
Raziskovalci (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Ime in priimek |
Razisk. področje |
Vloga |
Obdobje |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
23471 |
dr. Matevž Dular |
Energetika |
Vodja |
2007 - 2009 |
462 |
Povzetek
V praksi se srečujemo z različnimi problemi s področja kavitacije. Učinki, ki jih zasledimo so predvsem vibracije, hrup, erozija, spremembe hidrodinamike toka, povečanje hidrodinamskega upora, svetlobni in termični efekti. Ravno zadnji, termični učinki kavitacije, so še relativno slabo raziskani, a zaradi visokih temperatur na mikroskali zelo pomembni. Na makro nivoju postanejo signifikantni pri toku tekočin s temperaturo, ki je blizu kritične – na primer pri črpanju kriogenskih tekočin. V zadnjem času pa se odpira tudi možnost izkoriščanja visokih temperatur v namen pridobivanja energije z jedersko fuzijo.
Kavitacijo bomo raziskoval na več nivojih. Sprva se bomo posvetil akustični kavitaciji, kjer bomo termodinamične učinke opazovali na posameznih mehurčkih. Kavitacijo bomo z ultrazvočnim vzbujenjem generirali v majhni posodi. S pomočjo hitrotekoče termovizijske kamere bomo analizirali termične efekte v mejni plasti, ki se odvijajo pred in po kolapsu mehurčkov.
Sledil bo prenos znanja z nivoja posameznega mehurčka na nivo kavitacijskih oblakov, ki jih bomo generiral hidrodinamično v okolici osamljenega potopljenega telesa v kavitacijskem tunelu. Pri tem bomo zopet uporabil termovizijsko metodo, s katero bomo analizirali termične efekte kavitacije v mejni plasti ob steni kanala izdelanega iz silicijevega stekla.
S hitrim razvojem računalnikov so v zadnjih letih na pomenu močno pridobile različne simulacije kavitirajočih tokov. Vendar pa vse zanemarjajo termodinamske efekte. Razloga sta predvsem dva:
1. zaradi pomanjkanja eksperimentalnih rezultatov s katerimi bi jih lahko ovrednotili in
2. zaradi že tako izjemne kompleksnosti simulacij.
Z meritvami, ki so predvidene v okviru projekta, bomo prvič izmerili in ovrednotili termodinamske učinke, ki bodo vodili k boljšim in splošnejšim metodam simulacij.
Na podlagi rezultatov bo možno sklepati na dogodke, ki so se vršili pred trenutkom meritve – možno bo vrednotenje ekstremnih razmer v kavitacijskem mehurčku (temperatur), ki jih trenutno lahko ocenimo le na podlagi teoretičnih študij.
Nadaljnja aplikacija rezultatov meritev in izboljšanih simulacij se nanaša na razvoj boljših modelov za napoved kavitacijske erozije, ki predstavlja verjetno največji problem kavitirajočega toka.
Pomen za razvoj znanosti
Rezultati projekta so odmevni. V zadnjih dveh letih so članki dobili 20 citatov, kar je za področje strojništva in podoktorski projekt visoka številka.
Študija termodinamičnih učinkov kavitacije je izrednega pomena saj je področje toka fluidov pri temperaturah blizu kritične točke na osnovni ravni še neraziskano – obstajajo le posredne študije termodinamskih učinkov kavitacije. Rezultati raziskav bodo služili za namen potrjevanja obstoječih teorij ter za razvoj novih oziroma izpopolnitev starih hipotez.
Poleg študije termodinamskih učinkov kavitacije smo v okviru projekta razvili tudi nov model napovedi kavitacijske erozije in ga uspešno implementirali v numerično CFD kodo. Prvi smo pokazali, da je numerična napoved kavitacijske erozije sploh mogoča. Pokazali smo tudi, da kavitacijske poškodbe težijo k gručenju, kar pospeši nastenek erozije in razlaga fizikalno ozadje poteka erozije.
Z eksperimentalno in numerično študijo smo podali interpretacijo fenomena asimetrične kavitacije na osamljenem profilu. Rezultati študije so vodili k boljši konstrukciji merilnega dela za študijo termodinamičnih učinkov. Nadaljna študija je pokazala, da v majhni kavitacijski postaji ne pride do trganja oblakov. Hipotezo o tem fenomenu smo postavili skupaj z raziskovalci iz LML ENSAM Lille (Francija). Za njeno potrdtev pa smo izvedli poskuse še na šestih merilnih postajah. Rezultati raziskave bodo služili za izboljšanje modelnih preizkusov turbinskih strojev. Članek je v fazi recenzije.
Numerične simulacije smo nadgradili z upoštevanjem deformabilnih sten teles in vpeljavo stisljivosti parne in kapljevite faze. S tem smo omogočili napoved vrste učinkov, ki jih je bilo prej možno predvideti le posredno.
Pomen za razvoj Slovenije
Rezultate raziskav je možno aplicirati v različna slovenska podjetja, ki se ukvarjajo s problematiko toka tekočin (Litostroj, Turboinštitut, Rotomatika...). Tu gre predvsem za izboljšane metode simulacij kavitirajočega toka, ki omogočajo boljše in hitrejše napovedi obnašanja različnih hidravličnih strojev. S tem lahko obratovanje stroja optimiziramo – povečamo izkoristek, zaradi zmanjšane potrebe po eksperimentalnih meritvah pa hkrati znižamo strošek izdelave prototipa in stroške vzdrževanja. Dodatno izboljšave v napovedih kavitacijske erozije, ki je med najbolj zahtevnimi problemi prisotnosti kavitacije v stroju, vodijo k boljšim hidravličnim razmeram v stroju, povišanemu izkoristku, cenejšemu vzdrževanju in daljšim obdobjem med potrebnimi remonti.
Akustična kavitacija, ki je bila predmet raziskav v začetku projekta se uporablja tudi v različne namene zdravljenja (na primer pri odstranitvi ledvičnih kamov - litotripsija). Posredne ugotovitve raziskav bodo lahko služile pri izboljšavah različnih tehnik v medicini.
V okviru projekta je bil izpopolnjen tudi edini kavitacijski tunel v Sloveniji, ter skonstruiranih več manjših merilnih postaj.
Nenazadnje se je preko dela v okviru projekta vzpostavilo več sodelovanja s tujimi inštitucijami. Veliko meritev in numeričnih simulacij smo opravili skupaj z raziskovalci iz LML ENSAM Lille (Francija). Nekatere dodatne eksperimente pa smo opravili na TU Darmstadt (Nemcija). Odprle so se tudi možnosti za sodelovanje s TU Muenchen.
Ker je bil predmet projekta povezan s tokom tekočin blizu kritičnih temperatur pa je veliko zanimanje za naše delo pokazala tudi Evropska Vesoljska Agencija (ESA).
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
