Laboratoř turbulentních smykových proudění

Oddělení:   Oddělení D 1 – Dynamika tekutin
 Vedoucí:   Ing. Pavel Procházka, Ph.D.

V Laboratoři turbulentních smykových proudění jsou studovány problémy přechodu laminárního smykového proudění do turbulence a dále struktura a vývoj turbulentního proudění. Jsou analyzovány podmínky vzniku a vývoje tzv. koherentních struktur a otázky stability laminárních smykových proudů. Tato problematika je studována na tzv. komplexních proudech, což jsou různé případy interakce jednoduchých proudů (např. paprsku tekutiny a příčného proudu) nebo interakce proudu tekutiny s tělesy (např. obtékání válce nebo pružně uchyceného profilu). V poslední době se práce laboratoře orientuje na problematiku řízení určitých typů proudění, kdy je proudění cíleně ovlivňováno za účelem dosažení optimalizované struktury z hlediska turbulence nebo odtržení mezní vrstvy. V laboratoři jsou používány a vyvíjeny speciální experimentální metody, které jsou založeny na využití žhavených snímačů a optických principů (PIV).

 

V laboratoři jsou řešeny zvláště projekty, které souvisejí s výskytem turbulence. Většinou se jedná o turbulentní proudění ve smykových oblastech, zejména v mezních vrstvách. Je zkoumána difuzivita, stabilita a další vlastnosti těchto proudů související s jeho strukturou.

 

 

Řada projektů se zabývá přechodem smykových proudů různých typů z laminárního stavu do turbulence. Je podrobně zkoumán vliv různých specifických podmínek (různé typy poruch v proudu či na stěně, gradient tlaku, atd.) na tento proces.

 

Detail hřebenové tlakové sondy

 

Další řada projektů se týká řízení proudění, tedy metod ovlivnění topologie proudového pole. Jedná se např. o ovlivnění přechodu mezní vrstvy do turbulence nebo odtržení mezní vrstvy od obtékaného povrchu. Jsou používány jak aktivní, tak pasivní metody. Mezi aktivními metodami používanými v laboratoři jsou syntetizované paprsky, plazmové výboje nebo odsávání či vefukování tekutiny. Pasivní metody zahrnují plůtkové generátory vírů či modifikace struktury (drsnosti) obtékaných povrchů.

Pitot-statická sonda pro měření rychlosti vzduchu v měřicí sekci aerodynamického tunelu

 

Dále jsou zkoumány složité komplexní proudy, které jsou jednak nestacionární, proměnné v čase a zároveň silně prostorové. Jedná se zpravidla o silně turbulentní proudění sestávající z vírových struktur různě orientovaných v prostoru. Tento náročný výzkum je prováděn pomocí speciálně vyvíjených metod měření a zpracování dat. Jedná se o metody analýzy časo-prostorových dat. Byla vyvinuta speciální metoda pro analýzu takových dat, Oscillation Pattern Decomposition.

Dalším typem úloh je studium obtékání těles se silně prostorovou geometrií, jako jsou tělesa ve tvaru kvádru, válce konečné délky nebo jejich sestavy. Dále je zkoumáno obtékání těles proudnicového tvaru typu leteckého profilu nebo tenká deska s nenulovým úhlem náběhu.

 

PIV měření kmitajícího aerodynamického profilu NACA 0010 v proudu vzduchu

 

Dále je prováděn výzkum vícefázového proudění, speciálně aerosolu v proudu vzduchu. Jsou zkoumány parametry kapiček obsažených v aerosolu, jejich hustota, velikost a rychlost pomocí speciálních optických metod.

V neposlední řadě jsou v rámci výzkumných projektů v laboratoři vyvíjeny pokročilé experimentální techniky umožňující vyhodnocení speciálních fyzikálních veličin. Jako příklad uvádíme speciální modifikaci metody žhaveného drátku, která umožňuje simultánní vyhodnocení okamžitých hodnot rychlosti a koncentrace a jejich fluktuací v čase.

V laboratoři je k dispozici několik aerodynamických tunelů, které splňují různé požadavky.

Největším zařízením je cirkulační aerodynamický tunel s měřicím prostorem o rozměrech 0.5 x 0.7 x 1 m3, rychlost proudění vzduchu je od 5 m/s do 50 m/s, kvalita proudu je standardní, intenzita turbulence je kolem 0,5 % střední rychlosti. Pro toto zařízení byla vyvinuta řada generátorů turbulence, která umožňuje nastavení podmínek na vstupu do měřicího prostoru v širokém rozsahu intenzit turbulence a jejích měřítek. Zařízení je využíváno zejména pro studium mezní vrstvy na rovinné desce za přítomnosti poruch z vnějšího proudu a také pro měření charakteristik leteckých profilů.

Cirkulační aerodynamický tunelCirkulační aerodynamický tunel

 

Dále laboratoř disponuje dvěma výtlačnými tratěmi, které vyfukují vzduch do volného prostoru. Jsou k dispozici různé typy měřicích prostorů s příčným průřezem v pravoúhlém tvaru 0,1 x 0,25 m2 a 0,25 x 0,25 m2 a dále kruhovém o průměru 0,1 m. Měřicí prostory mohou být různé délky od desítek centimetrů po 4 m. Proudění na vstupu do těchto měřicích prostorů je vysoce kvalitní, odchylky střední rychlosti od nominální hodnoty jsou v celém průřezu (až na tenké mezní vrstvy) nižší než 1 %, intenzita turbulence je kolem 0,1 %. Dosahované maximální rychlosti jsou typicky u pravoúhlých variant měřicího prostoru kolem 50 m/s, u kruhové varianty až 100 m/s.

Výstupní otvor výtlačné tratěVýstupní otvor výtlačné tratě

 

Dále jsou k dispozici různá speciální zařízení určená zejména pro specializovaný výzkum nebo pro cejchování sond. Je zde zařízení pro směrovou kalibraci sond a dále pro měření proudění v trubkách za použití média různého chemického složení (směsi CO2, He, vzduchu, atd.) za různých tlaků (od vakua po 8 barů). Pro tyto experimenty je k dispozici soustava kompresorů, dmychadel a tlakových nádob, největší o objemu 14 m3.

Laboratoř dále disponuje přístrojovým vybavením a patřičným know-how pro aplikaci standardních i speciálních měřicích metod.

Pro tlaková měření je dispozici řada snímačů tlaku, od standardních laboratorních přístrojů přes vysoce přesné snímače používané ke kalibraci až po tlakové skenery, např. skener s 64 snímači tlaku.

 

Další metodou, která je v laboratoři využívána, je optická metoda Particle Image Velocimetry (PIV). Metoda využívá pulzní laser a digitální kamery pro měření pole rychlostí v dané měřicí rovině. Měří buďto 2 složky rychlosti v rovině měření, nebo všechny 3 složky rychlosti za použití 2 kamer a speciálního způsobu vyhodnocení. Měření může být provedeno s frekvencí do 2 kHz. Lze tak sledovat vývoj turbulentní struktury proudění v čase a prostoru.

Další metodou, která je v laboratoři dlouhodobě využívána, je metoda měření rychlosti sondami se žhaveným drátkem. Tato metoda je používána pro vyhodnocení velice rychlých fluktuací rychlosti v daném bodě prostoru, funguje do frekvencí řádu 100 kHz. Příslušné know-how zahrnuje speciální aplikace této metody pro vyhodnocení více složek rychlosti, měření fluktuací teploty nebo koncentrace. Měření byla prováděna např. ve skutečné parní turbíně za provozu.

V laboratoři je k dispozici bohaté vybavení standardní měřicí technikou, jako jsou měřicí ústředny, sběr dat vysokými frekvencemi, měření teplot atd. Také jsou k dispozici prostředky pro automatizaci měření, např. různé motorické posuvníky, rotátory a další dálkově ovládané prvky.

Nabízená témata pro doktorské, případně magisterské studium se odvíjejí od řešených projektů. Týkají se tedy zejména přechodu smykového proudění do turbulence, studia struktury vyvinutého turbulentního proudění, vlastností mezních vrstev nebo obtékání těles. Dále jsou zaměřena na metody analýzy a modelování takovýchto proudových polí. V neposlední řadě se zabývají řízením proudění, tedy ovlivněním vlastností konkrétního proudění pomocí různých prostředků, pasivních i aktivních.