Projekti / Programi
Razvoj računalniško podprte vizualizacijske metode za diagnostiko hitrostnih polj na področju hidrodinamskih sistemov
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.05.05 |
Tehnika |
Mehanika |
Mehanika fluidov |
| Koda |
Veda |
Področje |
| P240 |
Naravoslovno-matematične vede |
Plini, dinamika tekočin, plazma |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.03 |
Tehniške in tehnološke vede |
Mehanika |
Vizualizacija, tekočine, hitrostno polje, hidrodinamski sistemi
Raziskovalci (25)
Organizacije (4)
Povzetek
Naraščajoča težnja EU in s tem tudi Slovenije po povečevanju deleža obnovljivih ter okolju prijaznejših virov energije spodbuja intenzivnejšo hidroenergetsko izrabo vodnih virov ter posledično gradnjo novih hidroenergetskih objektov. Takšni posegi pogosto pomenijo spremenjene pogoje tako za vodotok kot tudi njegovo okolico, ki ju je potrebno ustrezno zavarovati oz. predvideti ustrezne ukrepe za zmanjševanje neugodnih posledic še posebej v primerih visokovodnih pretokov. Za zavarovanje objektov in okolice vodotokov se uporabljajo posebni hidrodinamični sistemi kot so zapornice, razbremenilniki, prelivi ipd., ki v primeru visokih voda skrbijo, da se del visokovodnih pretokov ustrezno odvede in prepreči poplave z negativnimi posledicami za okolje, objekte in ljudi. Spričo vse pogostejših nenadzorovanih poplav na območju Evrope in Slovenije v zadnjih letih narašča potreba po učinkovitem odvajanju vode na za to ustreznih mestih, katere bistven del predstavlja optimizacija hidrodinamskih sistemov, ki omogočajo ustrezno razbremenitev naraslih vodotokov. Pri optimizaciji in snovanju primernih hidrodinamskih sistemov pa je nujno poznavanje kinematičnih razmer v teh sistemih, gor- in dolvodno od teh sistemov ter na območju poplavnih ravnic, kamor se presežni vodni tok odvaja.
Izdelati nameravamo brezdotično metodo merjenja hitrostnega polja s pomočjo računalniško podprte vizualizacije na hidrodinamskih sistemih površinskih vodotokov oz. tokov s prosto gladino z namenom določitve relacij med vplivnimi parametri, ki so potrebni za optimizacijo teh sistemov. Eksperimentalna metoda bo temeljila na fizikalnih relacijah in ne na principu časovne in krajevne korelacije. V vodnem toku bo spremljana koncentracija pasivnega polutanta. Koncentracija pasivnega polutanta v toku bo na izbranih merilnih mestih določena s pomočjo jakosti sivine na slikah toka. Za določitev krajevnih in časovnih sprememb koncentracije pasivnega polutanta bodo uporabljene moderne matematično-računalniške geometrijske strukture in numerične metode. Metoda bo uporabljena na meritvah na modelnih hidrodinamskih sistemih – razbremenilnikih. Rezultati modelnih meritev bodo zakoni oz. fenomenološke relacije, ki bodo medsebojno povezovale vplivne parametre in učinkovitost hidrodinamskega sistema. Pri tem bodo uporabljeni podobnostni zakoni, preučen bo vpliv različnih skal. Dobljene fenomenološke relacije na modelnih izvedbah bodo neposredno uporabljene pri napovedih poplavnih stanj v naravnem okolju.
Vzporedno bodo potekale numerične simulacije toka s prosto gladino na enakem modelnem sistemu s pomočjo komercialne numerične kode. Vizualizacijska metoda bo izrednega pomena pri verifikaciji obstoječih komercialnih numeričnih modelov tokovnih polj na različnih krajevnih in časovnih skalah. Ker bo eksperimentalna vizualizacijska metoda temeljila na relacijah, ki izhajajo iz advekcijsko-difuzijske enačbe, bo mogoče preko ustreznih matematičnih postopkov izračunati določene člene v Navier-Stokesovih enačbah, ki so bili do sedaj v numeričnih kodah izkustveno modelirani. Poznavanje teh členov bo po eni strani izboljšalo napovedi numeričnih simulacij pri tokovih s prosto površino, po drugi strani pa bo določilo pomembno in pogosto manjkajočo medsebojno povezavo med spremembami tokovnih struktur ter spremembami vrednosti teh členov, ki bo bistvena za celotno fizikalno sliko procesov v tokovih.
Za hitro diseminacijo nameravamo delo predstaviti na vsaj 5 znanstvenih in strokovnih konferencah. Dodatno bomo rezultate objavili v vsaj 10 članikih v recenziranih znanstvenih revijah.
V okviru projekta bomo na Fakulteti za strojništvo (FS) in Fakulteti za gradbeništvo in geodezijo (FGG) izvedli eksperimentalni del projekta. Partner Inštitut za matematiko, fiziko in mehaniko (IMFM) bo poskrbel za izdelavo ustrezne programske opreme. Numerične simulacije in modifikacije obstoječih numeričnih kod bodo potekale v Turboinštitutu.
Pomen za razvoj znanosti
Optimiranje hidrodinamskih sistemov (razbremenilnikov, bočni prelivov, usedalnikov ipd.) s pomočjo poznavanja kinematskih razmer pri različnih geometrijah in obratovalnih režimih je tema, ki je v svetu v zadnjem času vse bolj aktualna (hidroenergetski objekti, vremenske ujme s poplavami, čiščenje odpadnih voda, itd.), vendar še v začetnih fazah razvoja. Večina študij s tega področja se omejuje na značilnosti tokov po sestavljenih prerezih (struga in pripadajoča poplavna ravnica). Novejše raziskave so večinoma osredotočene na enostavnejšo določitev pretočnosti. Posledica nepoznavanja kinematskih razmer v toku se kaže v slabši učinkovitosti hidrodinamskih sistemov, kar ima zaradi posledično slabo nadzorovanih poplav lahko negativne posledice na ljudi in okolje. Nepoznavanje hitrostnih polj v toku pa je v veliki večini primerov posledica neustreznih merilnih metod, ki se uporabljajo pri eksperimentih v laboratorijskem okolju (modelni preizkusi) ali na realnih vodotokih in objektih. Merilne metode za kvantifikacijo kinematskih razmer v hidrodinamskih sistemih, ki so sedaj na voljo, omogočajo v večini primerov le omejeno spremljanje hitrostnega polja. Omejitve uporabe obstoječih merilnih metod so posledica njihove kompleksnosti, nezmožnosti zajetja celotnega hitrostnega polja naenkrat, fizične prisotnosti v toku in/ali visoke cene. V projektu razvita metoda za kvantifikacijo hitrostnih polj v hidrodinamskih sistemih temelji na računalniško podprti vizualizaciji, ki v zadnjem desetletju doživlja strm vzpon kot perspektivni primer visoke tehnologije. Vzporedno s hitrim razvojem strojne opreme (osebni računalniki, hitre kamere), ki postaja vse bolj dostopna širokemu krogu porabnikov, predstavlja predlagana metoda uporabno orodje na področju preučevanja vodnih tokov s prosto gladino in širše. Preprosto rokovanje, hitra priučitev za uporabo, majhno število komponent same metode ter širok spekter uporabe jo dela posebej privlačno tudi z vidika eksploatacije. Drugi pomemben vidik v danem projektu razvite metode je, da za razliko od ostalih do sedaj uporabljanih merilnih metod temelji na aplikaciji fizikalnih zakonov dinamike tekočin in prenosa snovi. Skupaj s hkratnim kvalitativnim in kvantitativnim popisom tokovnih razmer (hitrostno in tlačno polje) lahko ta metoda preko ohranitvenih zakonov kot jih predstavljajo npr. Navier-Stokesove enačbe omogoča temeljno preučevanje mehanizmov posameznih pojavov oz. tokovnih struktur, kar je novost ne le na področju tokov s prosto površino, pač pa na področju celotne dinamike tekočin. S tem je mogoče rezultate projekta aplicirati tudi na sorodna področja, kot so optimizacija eksperimentalnih metod v mehaniki kontinuuma ter optimizacija numeričnih metod v dinamiki tekočin.
Pomen za razvoj Slovenije
Število hidroenergetskih objektov vzdolž vodotokov v Sloveniji, ki zaradi svoje narave zahtevajo pretok znotraj predpisanih meja oz. vplivajo na poplavnost okolice, narašča v skladu z zagotavljanjem dovolj velikega deleža obnovljivih virov energije. Poleg tega smo priča vse pogostejšim poplavam v zadnjih letih, ki so naravnega oz. vremenskega izvora in ki ogrožajo človeška življenja, materialno lastnino ter vplivajo na preoblikovanje okolice vodotokov. Zaradi takšnega stanja se pojavlja potreba po optimiranju in zviševanju učinka hidrodinamskih sistemov, ki omogočajo nadzorovano razbremenitev naraslih voda brez škodljivih posledic za ljudi in okolje. Tipični primer potrebe po takšnih raziskavah kažejo primeri iz prakse na nacionalnem nivoju, ki vključuje učinkovitejše projektiranje hidroenergetske izrabe reke Save v območju med Krškim in državno mejo s Hrvaško (HE Brežice in HE Mokrice). Gre za zelo občutljivo območje z jedrsko elektrarno in obsežnimi poplavnimi površinami v bližini državne meje. Pri tem je ključnega pomena aktiviranje razpoložljivih retenzijskih območij za ustrezno odvajanje dela visokovodnih pretokov, s čimer bo zagotovljena protipoplavna zaščita jedrske elektrarne Krško, Čateža ob Savi in Čateških toplic, hkrati pa bo zadoščeno zahtevi po znižanju konice visokovodnega vala na rečnem profilu na državni meji. Projekt v širšem družbenem smislu vključuje predvsem skrb za bivalno okolje in življenjsko raven prebivalstva ter zmanjševanje porabe energije v določenih tehničnih panogah. Slabosti izkoriščanja vodotokov oz. hidroenergije so pogosto povezane z okoljskimi in ekološkimi zapleti, omejeno življenjsko dobo in preselitvami prebivalstva. Vse obsežnejše izkoriščanje vodne energije ter podnebne spremembe, ki smo jim priča v zadnjih letih, skupaj z neustrezno projektiranimi razbremenilniki oz. odvajalniki presežkov vode v vodotokih povzročajo vse pogostejše poplave, ki imajo škodljiv vpliv tako na okoliško prebivalstvo kot tudi na materialne dobrine ter okolje. Poleg katastrofalnih situacij pa se vsakodnevno srečujemo s težavo čiščenja odpadnih voda in s tem povezanimi hidrodinamskimi sistemi. Raziskave, ki jih vključuje projekt, zato pomembno prispevajo k splošni omilitvi ali preprečevanju katastrof in varovanju okolja, ki jih zgornji dejavniki lahko povzročijo. Na ta način pa se občutno zmanjšajo tako število potencialnih žrtev kot tudi stroški posredovanja in odprave možnih posledic. Predlagana vizualizacijska metoda za kvantifikacijo hitrostnih polj na hidrodinamskih sistemih, ki omogoča merjenje hitrostnega polja toka tekočine preko polja koncentracij polutanta, predstavlja sodobno brezdotično metodo merjenja, ki temelji na aplikaciji fizikalnih zakonov dinamike tekočin in prenosa snovi. Metoda je brezdotična, hitra in uporablja lastne (domače) algoritme, kar s tehničnega vidika predstavlja visok potencial na nacionalnem nivoju (primer domače visoke tehnologije). Prednost te eksperimentalne metode je v skrajšanem času, potrebnem za izvedbo meritev, kar je pomemben ekonomski faktor, saj bistveno vpliva na stroške posameznega RR projekta. Drugi socialno-ekonomski vplivi predlaganega projekta se bodo odražali predvsem v znižanju stroškov, ki bi sicer odpadli na meritve na hibridnih modelih. Fenomenološki modeli relacij vplivnih parametrov na hidrodinamskih sistemih bodo namreč nadomestili dodatne meritve na modelih realnih sistemov kot se izvajajo danes. Enako velja tudi za verificirane in selektirane numerične modele, ki bodo v veliki meri sposobni nadomestiti drago eksperimentalno delo na fizičnih modelih, ki se uporabljajo predvsem pri snovanju novih hidrodinamskih objektov. Predlagani projekt na tak način dviguje znanstveni nivo sodelujočih partnerjev ter njihov nivo tehnologije, hkrati pa z rezultati diseminacije vpliva na lokalno ozaveščenost.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2011,
2012,
2013,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2011,
2012,
2013,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
