Projekti / Programi
Tranzientni dvofazni tokovi
01. januar 2015
- 31. december 2021
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.13.00 |
Tehnika |
Procesno strojništvo |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| T350 |
Tehnološke vede |
Kemijska tehnologija in inženirstvo |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.03 |
Tehniške in tehnološke vede |
Mehanika |
tranzientni dvofazni tok, principi kompleksne dinamike fluidov, fizični problemi povzročeni s tokovi, interakcija fluid-okoliška struktura.
Raziskovalci (27)
Organizacije (1)
Povzetek
Izvirno gonilo tehničnega napredka prenosa toplote in snovi se nahaja v razvoju razumevanja fizike večfaznih tokov in, po osvojitvi tega vpogleda, v razvoju ustreznih matematičnih modelov za napovedovanje teh pojavov. Sledi vključitev modelov v ustrezni software (CMFD), ki je podvrženo testiranju in validaciji z eksperimentalnimi podatki. Planiramo nadaljevanje raziskav, ki so bile predvidene v treh udarnih smereh: principi kompleksne dinamike fluidov, fizični problemi povzročeni s tokovi in interakcija fluid-okoliška struktura. Osnovni cilj je v prispevkih tako k osnovni znanosti z iskanjem prvih principov v okviru navedenih treh udarnih smereh, kot tudi k reševanju določenih industrijskih problemov, ki so že definirani v dolgoročnih pogodbah z industrijo.
Binarne zmesi, kjer sobivata dve fazi (agregatno stanje): trdnina-kapljevina, trdnina-plin, kapljevina-plin in kapljevina-kapljevina imenujemo kompleksni fluidi. Ti kažejo nenavadne mehanske odzive pri obremenitvah oz. napetostih, ki jih povzroča sobivanje faz vsled geometrijskih omejitev. Mehanske lastnosti se izražajo v karakteristikah kot so visoka stopnja neurejenosti, omejevanje in grupiranje na večih krajevnih skalah. Pri vseh zgoraj naštetih dvofaznih fluidih se prepoznavne lastnosti kompleksnih sistemov izrazito pojavijo, ko je interakcija posameznih faz dovoljena in se le ta postopno povečuje. Osrednje žarišče tega segmenta raziskav bodo indikatorji nestabilnega toka, pri čemer bomo uporabili eksperimentiranje in numerične simulacije. Predvidevamo dva eksperimentalna sistema: sistem za študije ločevanje plina v mini razdelilniku in system za študije Kelvin-Helmholtzovih nestabilnosti pri razpadu plinskega curka v kapljevini. Dvofazne tokove plin-kapljevina in trdnina-plin ne želimo omejevati samo na preprosto geometrijo, temveč predvidevamo tudi vključevanje kompleksnejših sistemov z različnimi tipi mej, gibajočimi površinami (kot n.pr. mešalne posode, kapalni reaktorji, fluidiziran sloj pri oblaganju pelet), ki so pogosti v industriji.
Cilj raziskav fizičnih problemov povzročenih s tokovi je poglobljen študij vpliva neustaljenega stenskega trenja na amplitudo in časovni potek tlačnih sunkov med potekom pretrganja kapljevinskega stebra v industrijskih aplikacijah.
Modeliranje in simulacije v medicini predvidemo pri študijah interakcij fluid-okoliška struktura. Pričakujemo, da bo z metodo FSI možno analizirati delen kolaps dihalne poti ter sklopljene vibracije mehkega tkiva pri toku zraka skozi dihalno pot. Pričakujemo sistematične raziskave, ki bodo razkrile generične relacije pojavov, ki so pomembni za 3D fiziološke aplikacije. Specifične posnetke pacientov bodo priskrbeli sodelujoči klinični zdravniki.
Pri validacijah CFD kod bodo problemi izbrani v iskanju generičnih principov simulacije kompleksne dinamike fluidov da bi lahko ocenili domet uporabe v izbranih industrijskih problemih.
Pomen za razvoj znanosti
Znanstvena pomembnost teme: Večfazni tok je poseben predmet, veliko zahtevnejši kot je mehanika fluidov enofaznega toka in prenos toplote. Čeprav so začetni principi isti (n.pr. ohranitev mase, gibalne količine in energije), prisotnost gibanja sklopljenega fluida in interakcije skozi nespecificirano geometrijo stične površine v celoti zahtevajo novo znanstveno metodologijo razumevanja, kot tudi v celoti nove inženirske naprave za praktične aplikacije. Citirano: "Celo preprosti primeri razkrivajo večfazne tokove kot vrsto nelinearnih prilagodljivih sistemov ogromnega (brezmejnega) novega področja znanosti 21.stoletja" (Science, 1999).
Aktualnost izhodiščne hipoteze in metodološka primernost ali zasnova raziskave:
Naša sposobnost napovedovanja lastnosti večfaznih tokov je omejena pri povečevalnih ali pomanjševalnih metodah, v analizi prenosa toplote sistemov, v razvoju novih tehnologij, v analizi kemičnih reaktorjev, v izogibanju in upravljanju industrijskega hazarda pri preprečevanju nesreč itd. Kot ilustracijo, v nalogah 1 in 2 predlaganega programa (da ne omenimo pomen modeliranja v medicini), sodijo povečevalne oz. pomanjševalne metode med najpomembnejše probleme v konstruiranju novih produkcijskih procesov v svetu. Rešitev teh problemov pomeni možnost ekstrapolacije rezultatov dobljenih na pomanjšanih laboratorijskih postavitvah na kompleksne industrijske sisteme realnih dimenzij. V primeru dvofaznega toka v napravah so namreč glavna težava nepričakovani pojavi, ki izhajajo pri nekih kritičnih velikostih ali območju parametrov, iz velikega števila disperznih elementov kot so mehurčki, kapljice ali delci ali iz nestabilnost stične površine pri razslojenem toku.
Jasnost zamisli in kvaliteta ciljev: Raziskovali bomo nekaj pomembnih primerov, ki povzročajo tokovne nestabilnosti, gibanje na večjih skalah, segregacijo ali prednostno akumulacijo faz, ki inducirajo drastične spremembe v celotni hidrodinamiki in posledično v pričakovanem učinku tehnoloških procesov. Koncept je jasen: izbrane prehodne pojave pri dvofaznem toku bomo obravnavali z vidika kompleksne dinamike fluidov in pri tem iskali prve principe. Poseben poudarek bomo namenili tudi interakciji fluid-okoliška struktura, novemu področju CFD, ki odpira velike možnosti pri multidisciplinarnih študijah v povezavi z medicine. Edina umevna metodologija, ki vodi v uspešen znanstveni razvoj je koherentna in tesna integracija teorije, modeliranja in simulacije (TMS) z eksperimentom (E) in pridobljenih podatkov, kar predstavlja ključni princip predloženega programa.
Izvirnost (novost) pričakovanih rezultatov: Mehanske lastnosti dvofaznih tokov se izražajo v karakteristikah kot so visoka stopnja neurejenosti, omejevanje in grupiranje na večih krajevnih skalah. Pri tem se prepoznavne lastnosti kompleksnih sistemov izrazito pojavijo, ko je interakcija posameznih faz dovoljena in se le ta postopno povečuje. Hierarhijo dvofaznega toka bomo obravnavali kot dinamični produkt sistema, nagnjenega k spremembi, in ni samo strukturni okvir, kjer se deli komponent nahajajo in vplivajo drug na drugega. Pričakujemo napovedovanje takšnih “faznih sprememb”, kot naprimer prehod iz mehurčkastega v čepasti tok ali anularni tok s pomočjo računalniške simulacije, ki bazira na prvih principih dinamike fluidov (osnovne transportne enačbe). Uspešno separacijo skal bo spremljal nadaljnji razvoj povezanega numeričnega modeliranja. Eden od ciljev povezovanja različnih priznanih laboratorijih pod okriljem ViR2AL je razviti vzorčne kartograme z obsežno bazo fenomenoloških tokovnih režimov, tako imenovane pametne tokovne kartograme. Takšen “pametni” kartogram ne bo nudil samo informacije o tokovnih vzorcih, temveč bo imel vgrajene možnosti napovedi za druge pretočne lastnosti, kot so delež plinske faze, debelina filma, itd za vsak pretočni režim. Na osnovi tega bo možno na višji ravni napovedovati padec tlaka ali prenos toplote, kar bo vgrajeno na kartogramu na kohezivni način.To bi olajšalo delo pri
Pomen za razvoj Slovenije
Neposreden pomen za podjetja in družbene dejavnosti: Sistemi z večfaznimi tokovi so odločujoči v večini sektorjev procesne industrije, kot so kemijski, biokemijski, prehrambeni, farmacevtski, v papirništvu in v proizvodnji ogljikovodikov. Obstojajo tudi močne aplikacije v energetiki, transportu in vesoljskih tehnologijah. Vse naštete so tradicionalno močne industrijske panoge v EU in prispevajo h glavnemu deležu ustvarjenega BP. Na primer, kemijska industrija v Evropi veliko prispeva k evropskemu izvozu. Predstavlja eno najbolj mednarodno povezanih, kompetitivnih in uspešnih industrij, ki je priključena na obširno polje procesnih in izdelovalnih tehnologij. Produkti kemijske industrije vseh 28 članic Evropske unije pokrivajo širok spekter kemijskih produktov in predstavljajo 20% svetovne proizvodnje z 1,2 miliona zaposlenimi in močnim trgovinskim presežkom z iztržkom okoli 558 miliard EUR, (po zadnjih statističnih podatkih iz l. 2013 http://www.cefic.org/Facts-and-Figures/). Da bi ohranjali navedeno kompetitivnost ali celo tehnološko prednost, je Evropa prisiljena razvijati nove produkcijske metode in inovativne materiale ob sočasnem okolju prijaznem in varnem tehnološkem razvoju.
Pomen za razvoj raziskovanja v podhranjenih segmentih: Podobni trendi obstajajo tudi v farmacevtski in kemijski industriji v Sloveniji. Da bi zagotovili konkurenčnost ali celo tehnološko prednost je Slovenija prisiljena razvijati nove proizvodne metode in inovativne materiale v smislu trajnostnega razvoja. Nobenega dvoma ni, da bo najpomembnejša naloga v prihodnosti miniaturizacija tehnične opreme. Redukcije materiala in energijske porabe, vključujoč redukcijo okoljskega onesnaževanja, so samo nekatere prednosti manjših komponent. Takšen razvoj je možen le na osnovi teoretično in izkustveno močnih analitičnih orodjih, ki nesporno vključujejo tudi napovedovanje lastnosti prehodnih stanj v večfaznih procesih.
Potencialni vplivi oziroma učinki rezultatov: Raziskovalna skupina je dobro vpeta v industrijske aplikacije s trenutnimi direktnimi kontakti (pogodbami) s sledečimi firmami:
Rhodia (Solvay), Francija (nestabilnosti stične površine plin-kapljevina)
Lek (Sandoz grupa), Slovenija (vsiljeno mešanje plin-kapljevina)
Gorenje, Slovenija (varčna poraba energije kuhinjskih aparatov)
Energetiko Ljubljana, Slovenija (toplotne izgube v mokrem poroznem sloju izolacije)
Litostroj Power (neustaljeno stensko trenja v hidravličnih cevnih sistemih)
Univerzitetni klinični center Ljubljana (OSAHS)
Fakulteta za farmacijo, Univerza v Ljubljani (peletizacija)
Diseminacija: Fakulteta za strojništvo, Univerza v ljubljani, druga in tretja stopnja Bolonjskega programa
Virtual International Research Institute of Two-Phase Flow and Heat Transfer (glej priponko ViR2AL)
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2015,
vmesno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2015,
vmesno poročilo
