Projekti / Programi
Natančni eksperimenti in simulacije za razumevanje in napoved kavitacijske erozije
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.13.00 |
Tehnika |
Procesno strojništvo |
|
| 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, erozija, simulacije, eksperimenti, CFD
Raziskovalci (12)
Organizacije (2)
Povzetek
Pojem “kavitacija” opisuje tvorjenje parnih mehurčkov v kapljevini. Parne strukture nastajajo v področju toka, kjer vlada nizek tlak. Tok jih nato odnese v območje z višjim tlakom, kjer lahko silovito kolapsirajo. Koncentracija energije ob kolapsu kavitacijske strukture rezultira v visokih napetostih v materialu, ki lahko presegajo mejo plastičnosti. Dolgo je bila kavitacija obravnavana kot nezaželemn pojav, ki se mu je potrebno izogniti. Danes jo uporabljamo v mnogih procesih (diagnostične in terapevtske aplikacije v medicini, pozizvodnja polprevodnikov, čiščenje voda). Neglede na kavitacijo gledamo s pozitivnega ali negativnega vidika moramo vedno upoštevati možnost nastanka kavitacijske erozije.
Kavitacija, posledično pa kavitacijska erozija je eden najbolj perečih problemov, ki spremlja obratovanje turbin, črpalk, ladijskih vijakov in ventilov. Kot primer lahko navedemo letne stroške v višini 100.000 evrov, ki nastanejo ob sanaciji poškodb kavitacijske erozije na gonilniku črpalne elektrarne Avče.
Problem kavitacijske erozije ni enostaven, saj vključuje zapletene tokovne razmere v kombinaciji z odzivom materiala iz katerega so narejene bližnje trdne površine. Kljub velikemu napredku v zadnjih letih pa pojav še vedno ostaja slabo razumljen.
V okviru predlaganaga projekta želimo s prepletanjem teoretičnih, numeričnih in eksperimentalnih pristopov priti do boljšega razumevanja procesov, ki so vključeni v kavitacijsko erozijo. Rdeča nit projekta bo sledila nekaterim prej omenjenim odprtim vprašanjem, ter, v zadnjem delu, implementaciji rezultatov v splošen model za napoved kavitacijske erozije. Problem bomo obravnavali v okviru štirih delovnih sklopov (DS):
DS1: Načrtovane so meritve za pridobitev informacij o strukturi in dinamiki kavitirajočega toka. Tu gre predvsem za neinvazivne eksperimente kot so visoko hitrostno snemanje pri visoki ločljivosti, ultrahitro snemanje z rentgenskimi žarki, časovno odvisne stereo PIV-LIF meritve, IR in LIF termografija.
DS2: Simulacij kavitacije se bomo lotili z inovativno DNS in LES metodo. Uporabili bomo visokoločljive mreže, paralelno procesiranje in diferencijacijo višjega reda. na ta način nameravamo obravnavati predvsem problem slabega ujemanja obstoječih simulacij z meritvami na nivoju majhnih velikostnih skal.
DS3: Uporabili bomo inovativne meritve, kot so SFS algoritem za časnovno odvisno merjenje poškodb, simultane meritve kavitacijske erozije in dinamike kavitacije ter PVDF meritve tlaka, ki bodo dale dodaten vpogled na fiziko procesa.
DS4: Obstoječi modeli še vedno temeljijo na večinoma empiričnih relacijah, torej bo nov model kavitacijske erozije bistveno naprednejši. Rezultat tega DS bo nova izboljšana metodologija za napovedovanje kavitacijske erozije, ki bo tudi implementirana v CFD programsko opremo.
Z določitvijo fizike kavitacijske erozije bo mogoče vzpostaviti okvir za izboljšave metod za napoved erozije. To bo vodilo v učinkovitejše in daljše obratovanje strojev, pa tudi k optimizaciji procesov, kjer kavitacijo izkoriščamo.
Pomen za razvoj znanosti
Marca 2011 je Office of Naval Research povabila manjšo skupino vodilnih znanstvenikov v Grenoble na delavnico o kavitacijski eroziji (Cavitation Erosion Workshop). Tam smo skušali določiti trenutno stanje v znanosti ter opredeliti nadaljne smernice za raziskovanje. Nastal je seznam odprtih vprašanj: – Kako primerjati rezultate različnih metod merjenja kavitacijske erozije? – Kako prenesti podatke pridobljene na modelu na velikost prototipa? – Kako meriti napetosti ob nastanku poškodbe? – So meritve s pospeškomeri, montiranimi na ohišje gredi, uporabne za oceno kavitacijske erozije? – Kako raziskovati, analizirati in modelirati porušitvene mehanizme pri kavitacijski eroziji? – Ali je koncept “intenziteta kavitacije” relevanten in kako ga definirati? – Kako napovedati erozijo s pomočjo CFD simulacij? – Kakšen je vpliv interakcije med mehurčki na proces kavitacijske erozije? – Kakšen je vpliv mehanizmov utrujanja materiala v procesu kavitacijske erozije? – Kakšne so prednosti in slabosti analize erozije z metodo štetja luknjic? – Kakšen je optimalni dizajn glede na kavitacijsko erozijo? – Kakšna je vloga zaostalih napetosti pri kavitacijski eroziji? – Ali lahko iz podatkov iz dobe inkubacije sklepamo na hitrost odnašanja materiala? – Kakšen je vpliv nastanka mikrocurka v primerjavi z udarnim valom? Iz navedenega je jasno, da pojav kavitacijske erozije leta 2011 še zdaleč ni bil pojasnjen. V okviru projekta smo s prepletanjem teoretičnih, numeričnih in eksperimentalnih pristopov odgovorili na večino vprašanj, ki zadevajo proces nastanka erozije. Nadalje rezultati projekta predstavljejo dodano vrednost na drugih področjih, kot je na primer ekološko sprejemljivo čiščenje voda s kavitacijo.
Pomen za razvoj Slovenije
Kavitacija, posledično pa kavitacijska erozija je eden najbolj perečih problemov, ki spremlja obratovanje turbin, črpalk, ladijskih vijakov in ventilov. Kot primer lahko navedemo letne stroške v višini 100000 evrov, ki nastanejo ob sanaciji poškodb kavitacijske erozije na gonilniku črpalne elektrarne. Z določitvijo fizikalnega ozadja kavitacijske erozije bo definiran nov okvir za izboljšanje metod napovedovanja kavitacijske erozije, kar bo vodilo v dvig učinkovitosti ter življenjske dobe tokovnih strojev po drugi strani pa optimizacijo procesov, pri katerih je pojav kavitacije koristno uporabljen. 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 prihodnjih uporabnikov ter njihov nivo tehnologije in konkurenčnosti na svetovnem in EU trgu. Pozitivni učinki bodo tako vidni na nacionalnem kot tudi širše v regiji. Nadalje je potrebnom izpostaviti, da je iz neposrednih rezultatov projekta izšla tudi temeljna ideja za uspešno prijavo ERC CoG projekta. Rezultati slednjega pa bodo, ob smiselnem sodelovanju, sčasoma še obogatili slovensko gospodarstvo.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2014,
2015,
zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2014,
2015,
zaključno poročilo
