Laboratoř sdílení tepla a hmoty
Oddělení: Oddělení D 2 – Termodynamika Vedoucí: doc. Ing. Zdeněk Trávníček, CSc. |
|
Laboratoř se zabývá experimentálním sdílením tepla a hmoty, mechanikou tekutin a fluidikou. Zaměřuje se na pasivní a aktivní řízení proudových a teplotních polí a na intenzifikaci sdílení tepla a hmoty při nucené konvekci (např. impaktní a syntetizované proudy, úplavy). Laboratoř je průkopníkem moderních a efektivních trendů oboru, založených na principech biomimetiky, kdy koncepty známé a dlouhodobě osvědčené v přírodě jsou aplikovány pro zdokonalení lidských výtvorů. |
doc. Ing. Zdeněk Trávníček, CSc.
Ing. Zuzana Antošová (Broučková), Ph.D.
Dr. Yogendrasasidhar Devani
doc. Ing. Alexander I. Fedortchenko, DrSc.
Ing. Jozef Kordík, Ph.D.
Oblasti výzkumu a dosažené výsledky
Syntetizované proudy
Syntetizované proudy jsou tekutinové proudy generované periodickými pulsacemi tekutiny. Jsou vytvářeny (syntetizovány) z posloupnosti jednotlivých „výdechů" tekutiny, které vycházejí z otvoru nebo trysky generátoru. Proudění otvorem mění svůj směr v průběhu každého cyklu, přičemž časově střední hmotnostní průtok otvorem je nulový. Proto je často používáno také označení „proud s nulovým hmotnostním průtokem“.
Syntetizované proudy mohou být využity v nejrůznějších aplikacích, např. při aktivním řízení proudových a teplotních polí (ve vnější i vnitřní aerodynamice, při chlazení elektronických součástí a lopatek turbin, při směšování v chemických reaktorech apod.). Mnoho výhodných aplikací je navrhováno pro elektromechanické systémy miniaturních rozměrů (MEMS). Základní výhodou je jednoduchost zařízení, neboť nepotřebují ani ventilátor ani rozvodný potrubní systém. V důsledku toho jsou syntetizované proudy častým předmětem zkoumání. V ČR byl tento výzkum zahájen na počátku 21. století.
Video 1: Fázově synchronizovaná vizualizace syntetizovaného proudu vzduchu a měření rychlosti v průběhu budícího cyklu (rychlostní profily byly naměřeny anemometrem se žhaveným drátkem a zpracovány fázovým průměrováním).
- J. Kordík, Z. Trávníček, Integral quantities of axisymmetric synthetic jets evaluated from a direct jet thrust measurement, Flow, Turbulence and Combustion 103 (3) (2019) 827–844.
- J. Kordík, Z. Trávníček, V.Timchenko, N.A. Ismail, The predominant effect of stroke length on velocity profiles at the exit of axisymmetric synthetic jet actuators, Int. J. Heat Fluid Flow 66 (2017) 197–208.
- Z. Trávníček, Z. Broučková, J. Kordík, T.Vít, Visualization of synthetic jet formation in air, J. Visual. 18 4 (2015) 595–609.
- J. Kordík, Z. Trávníček, M. Pavelka, Energetic efficiencies of synthetic and hybrid synthetic jet actuators driven by electrodynamics transducers, Exp. Thermal Fluid Sci. 69 (2015) 119–126.
- Z. Trávníček, Z. Broučková, J. Kordík, Formation criterion for axisymmetric synthetic jets at high Stokes numbers, AIAA J. 50 (9) (2012) 2012–2017.
- Z. Trávníček, V. Tesař, Annular synthetic jet used for impinging flow mass–transfer, Int. J. Heat Mass Transfer 46 (17) (2003) 3291–3297.
Optimalizace generátorů tekutinových proudů
Chlazení miniaturních elektronických součástí může být provedeno pulzujícími tekutinovými proudy, které jsou generovány v rezonanční dutině buzené oscilující membránou. Optimalizací možno dosáhnout zlepšení energetické účinnosti až na 2,5 násobek hodnoty prozatím dostupných zařízení. Teoretické výsledky byly potvrzeny experimentálně. Zařízení bylo navrženo a patentováno.
Obr. 1: Energetická účinnost generátoru tekutinového proudu závisí na jeho příkonu a na poměru průměru otvoru a membrány (Dn/Dd); maximum funkce prezentuje nalezenou optimální geometrii.
Obr. 2: Výsledky optických měření. Rychlostní pole je zobrazeno v levé části obrázku, pravá část předvádí vizualizaci dopadu impaktního proudu na chlazený válec.
2a
2b
Video 2a, 2b: Vizualizace proudu dopadajícího na válec, provedená pomocí laserem indukované fluorescence (LIF, „Laser-Induced Fluorescence"). Výsledky ukazují dva rozdílné módy proudového pole, které způsobují rozdíly v celkových hodnotách tepelných toků. (a) pro menší Reynoldsova čísla (Re = 63) dochází k odtržení proudu na zadní straně válce, (b) pro zvýšené Reynoldsovo číslo (Re = 139) je zadní strana válce obtékána.
- Z. Broučková, Z. Trávníček, T. Vít, Synthetic and continuous jets impinging on a circular cylinder, Heat Transfer Eng. 40 (13–14) (2019) 1111–1125.
- J. Kordík, Z. Trávníček, Optimal diameter of nozzles of synthetic jet actuators based on electrodynamic transducers, Exp. Thermal Fluid Sci. 86 (2017) 281–294.
- Z. Trávníček, Z. Broučková, Method and device for cooling of cylinder-shaped bodies by a cooling fluid jet, Patent No. 306506, Jan. 4, 2017 (in Czech).
Hybridní syntetizované proudy
Navržené hybridní syntetizované proudy jsou pokročilejší variantou běžněji známých syntetizovaných proudů. Jsou vytvářeny generátorem, který kombinuje obvyklý generátor a bezventilové (fluidické) čerpadlo. Na rozdíl od obvyklého uspořádání syntetizovaných proudů je časově střední průtok tekutiny otvorem generátoru nenulový, takže zařízení dosahuje lepších výsledků.
Obr. 3: Schéma dvojčinného generátoru hybridního syntetizovaného proudu: 1- přední dutina, 2- zadní dutina, 3- oscilující membrána, 4- fluidické diody; (a) vytlačující fáze přední dutiny (1), při které zadní dutina (2) nasává tekutinu; (b) Nasávací fáze přední dutiny (1).
- Z. Broučková, Z. Trávníček, Visualization study of hybrid synthetic jets, J. Visual. 18 (4) (2015) 581–593.
- S.-S. Hsu, Y.-J. Chou, Z. Trávníček, C.-F. Lin, A.-B. Wang, R.-H. Yen, Numerical study of nozzle design for the hybrid synthetic jet actuator, Sens. Actuat. A – Phys. 232 (2015) 172–182.
- J. Kordík, Z. Trávníček, Novel fluidic diode for hybrid synthetic jet actuator, Trans. ASME, J. Fluids Eng. 135 (10) (2013) 101101-1 – 101101-7.
- A-B. Wang, Z. Trávníček, Y-H. Wang, M-C. Hsu, Double-acting device for generating of synthetic jets, US Patents No. US 7527086 B2, May 5, 2009 and No. US 7984751 B2, Jul. 26, 2011.
- Z. Trávníček, T. Vít, V. Tesař, Hybrid synthetic jet as the non-zero-net-mass-flux jet, Phys. Fluids 18 (8) (2006) 081701-1–081701-4.
- Z. Trávníček, V. Tesař, A.-B. Wang, Enhancement of synthetic jets by means of an integrated valve-less pump, Part II: Numerical and experimental studies. Sens. Actuat. A – Phys. 125 (2005) 50-58.
- Z. Trávníček, A. Fedorchenko, A.-B. Wang, Enhancement of synthetic jets by means of an integrated valve-less pump, Part I: Design of the actuator, Sens. Actuat. A – Phys. 120 (2005) 232–240.
Syntetizované proudy z biomimetických generátorů
Využitím známých principů biomimetiky může mít generátor syntetizovaného proudu trysku, jejíž příčný průřez se periodicky mění během budícího cyklu. Přitom fázový posuv mezi cyklem membrány a cyklem trysky možno měnit pro dosažení optimálních charakteristik sdílení tepla a hmoty.
Obr. 4: Lokální rozložení sdílení tepla na obtékané stěně pro různé fázové posuvy mezi cykly membrány a trysky: (a) 0°, (b) 270°.
- Z. Trávníček, Z. Antošová, Impingement heat transfer to the synthetic jet issuing from a nozzle with an oscillating cross section, Int. J. Therm. Sci. 153 (2020) 106349.
- Z. Trávníček, Z. Broučková, Characterization of impingement heat/mass transfer to the synthetic jet generated by a biomimetics actuator, Trans. ASME, J. Heat Transfer 141 (4) (2019) 042203-1–042203-9.
- Z. Trávníček, Z. Broučková, A synthetic jet issuing from a bio-inspired actuator with an oscillating nozzle lip, Trans. ASME, J. Fluids Eng. 140 (10) (2018) 101104-1 – 101104-5.
Lokální koeficienty sdílení tepla/přenosu hmoty
Rozložení lokálních hodnot koeficientů sdílení tepla/přenosu hmoty (průběhy Nusseltova/Sherwoodova čísla) mohou být vyhodnocena pomocí metody sublimace naftalenu, s využitím analogie mezi oběma procesy.
Obr. 5: Rozložení Nusseltova čísla na obtékané stěně v případě osově symetrického impaktního proudu.
- Trávníček, T. Vít, Impingement heat/mass transfer to hybrid synthetic jets and other reversible pulsating jets. Int. J. Heat Mass Transfer 85 (2015) 473–487.
- Z.Trávníček, K. Peszyński, J. Hošek, S. Wawrzyniak, Aerodynamic and mass transfer characteristics of an annular bistable impinging jet with a fluidic flip–flop control. Int. J. Heat Mass Transfer 46 (7) (2003) 1265–1278.
Neizotermické úplavy
Proces vytváření vírů za tělesem s tupou odtokovou hranou je významný jednak z teoretického pohledu (nestabilita proudového pole), jednak z pohledu praktického využití. Jde totiž o jeden ze zdrojů proudem indukovaných vibrací a hluku, který může být dokonce i příčinou poškození obtékaného tělesa. Dosažené výsledky ukázaly, jak je tento proces ovlivňován ohřevem či ochlazováním. V případě obtékání vzduchem ohřívání tělesa stabilizuje úplav a snižuje frekvenci odplouvání vírů. Ohřívání může dokonce potlačit proces vytváření vírů. Ochlazování tělesa naopak úplav destabilizuje a zvyšuje frekvenci odplouvání vírů, ba dokonce může změnit režim úplavu. Např. laminární režim se může změnit na režim periodického odtrhávání vírů. Tyto efekty bylo možno kvantifikovat a zobecnit pomocí konceptu efektivní teploty.
Obr. 6: Laminární odplouvání vírů za ochlazovaným válcem ve vzduchu. Teplota proudu je T∞ = 144,5oC a Reynoldsovo číslo je Re∞ = 61; (a) isotermický případ, (b) válec je chlazen na teplotu TW = 17,3oC. Výsledek prokazuje zvyšování frekvence úplavu ochlazováním válce.
- Z. Trávníček, A.-B. Wang, W.-Y. Tu, Laminar vortex shedding behind a cooled circular cylinder, Exp. Fluids 55 (2) (2014), 1679-1–1679-12.
- M.-H. Wu, Z. Trávníček, A.-B. Wang, The onset of oblique vortex shedding behind a heated circular cylinder in laminar wake regime, Phys. Fluids 24 (2012) 011701-1–011701-7.
- A.-B. Wang, Z. Trávníček, K.-C. Chia, On the relationship of effective Reynolds number and Strouhal number for the laminar vortex shedding of a heated circular cylinder, Phys. Fluids 12 (6) 2000 1401–1410.
Hystereze a bistabilita v impaktních proudech
Impaktní proudy mohou za určitých podmínek vykazovat bistabilní a hysterezní chování v případech dvourozměrných i osově symetrických geometrií. Tzn. okrajové podmínky nepostačují k jednoznačnému určení proudového pole. K tomu je zapotřebí znát ještě jeho historii.
Obr. 7: Předpokládaná proudová pole (horní obrázky) a jejich vizualizace (dolní obrázky) ve dvojrozměrných případech.
- Z. Trávníček, V. Tesař, Hysteresis in annular impinging jets, Exp. Thermal Fluid Sci. 44 (2013) 565–570.
- Z. Trávníček, F. Maršík, Visualization and mass transfer with a bistable two-slot impinging jet, J. Visual. 6 (4) (2003) 417–421.
- Z. Trávníček, F. Křížek, Impinging jet and combined slot nozzle (Impaktströmung und die Zusammengesetzte Schlitzdüse), Heat and Mass Transfer 35 (5) (1999) 351–356 (in German).
Aktivní řízení proudových a teplotních polí
Aktivní řízení proudových a teplotních polí zahrnuje problematiku mnoha různých oborů, kdy záměrem je cílené převedení těchto polí do požadovaného a výhodnějšího stavu. Pulzující tekutinové proudy jsou jedním z nástrojů takového řízení
Video 3: Visualizace osově symetrického proudu rozmítaného do bifurkačního módu při budící frekvenci 82 Hz.
- Z. Broučková, Z. Trávníček, Intermittent round jet controlled by lateral pulse-modulated synthetic jets, J. Visual. 22 (3) (2019) 459–476.
- Z. Trávníček, V. Tesař, Z. Broučková, K. Peszyński, Annular impinging jet controlled by radial synthetic jets, Heat Transfer Engineering 35 (16-17) (2014) 1450–1461.
- Z. Trávníček, L. Němcová, J. Kordík, V. Tesař, V. Kopecký, Axisymmetric impinging jet excited by a synthetic jet system, Int. J. Heat Mass Transfer 55 (2012) (4) 1279–1290.
Zvuk kávy a jeho vizualizace
U tohoto výzkumu možno ukázat dvě úrovně jeho významu. Na jedné straně jde o popularizaci vědy a názornou demonstraci toho, že experimentální mechanika tekutin a termodynamika nejsou uzavřeny v důmyslných laboratořích, ale jsou patrné ve svých projevech v každodenním životě. Relativně jednoduchý "kuchyňský experiment" možno provést během přípravy kávy. Zvuk je generovaný poklepem na šálek, což v nápoji vytvoří stojaté vlnění, obdobně jako v řadě hudebních nástrojů ve vzduchu (flétna, varhany). Zatímco tón v hudebním nástroji je pro určitou teplotu konstantní, tón v nápoji pozvolna stoupá. Příčinou je zvyšování rychlosti šíření zvuku, způsobené pozvolným unikáním bublinek z nápoje.
Druhá úroveň tohoto výzkumu oslovuje odborníky. Relativně jednoduchý experiment možno interpretovat a kvantifikovat. Pro odhalení nových poznatků byl zvuk zaznamenán a analyzován pomocí frekvenční analýzy. Jak se ukázalo, zvukový efekt může být využit v laboratorních i průmyslových podmínkách, např. pro bezkontaktní měření složek dvoufázových směsí. Příkladem je jasně rozlišitelný pokles výšky tónu o 6,3 oktáv, který byl naměřen při odplyňování vody pomocí vakua, jak ukazuje spektrogram.
Obr. 8: Spektrogram zvukového efektu při odplyňování vody pomocí vakua.
- Z. Broučková, Z. Trávníček, P. Šafařík, Bubble dynamics in drinks, EPJ Web of Conferences, 67 (2014) Article No. 02011.
- Z. Trávníček, A.I. Fedorchenko, M. Pavelka, J. Hrubý, Visualization of the hot chocolate sound effect by spectrograms, J. Sound Vibr. 331 (2012) 5387–5392.
Systém měření lokálního přenosu hmoty ze stěny využívající metodu sublimace naftalenu ve vzduchu. Rozložení transportních součinitelů, vyjádřených v podobě Scherwoodova číslo, možno vyhodnotit na ploše o rozměrech 100 x 450 mm. Použitím analogie mezi přestupem tepla a přenosem hmoty lze vyhodnotit lokální hodnoty součinitele přestupu tepla v podobě rozložení Nusseltova čísla.
Systém měření lokálních hodnot tepelných toků (RdF Micro-Foil snímače o rozměru 1,5 x 3 mm). Rozložení lokálních hodnot součinitele přestupu tepla možno vyhodnotit v podobě rozložení Nusseltova čísla na obtékané stěně.
Systém optického měření rychlostních a teplotních polí ve vodě a vzduchu, využívající metody integrální laserové anemometrie (PIV, „Particle Image Velocimetry“) a laserem indukované fluorescence (LIF, „Laser-Induced Fluorescence"); DANTEC .
Regulátor hmotnostního průtoku plynu (F-201A, Bronkhorst); rozsah 0,6 – 30 ln/min.
Anemometr se žhaveným drátkem pro měření ve vzduchu a vodě (jednodrátková sonda, DANTEC anemometr).
Systém měření akustických pulzací (snímač 40BP 1/4", měřicí mikrofon v rozsahu 10 Hz – 20 kHz, 34 dB (A) – 193 dB, citlivost 0.4mV/Pa).
Elektronické teploměry (Omega, Ahlborn) a manometry (Greisinger).
NABÍZENÁ TÉMATA
Aktivní řízení proudových a teplotních polí pomocí syntetizovaných proudů
Školitel: doc. Ing. Zdeněk Trávníček, CSc.
Interakce proudů se stěnami a výsledný transport tepla mají význam v řadě průmyslových aplikací, jako například chlazení součástek v elektronice nebo chlazení tepelně namáhaných lopatek plynových turbin. Aktivní řízení proudových polí je jednou z možností, jak zlepšit parametry v těchto aplikacích. Jednou z možností je použití syntetizovaných proudů, které jsou vytvářeny z periodických pulzací tekutiny. Cílem práce je experimentální vyšetřování nestacionárního proudového pole a výsledného tepelného toku na obtékané stěně.
Neizotermické vírové řady v kapalinách a plynech
Školitel: doc. Ing. Zdeněk Trávníček, CSc.
Předmětem této práce je obtékání ohřívaného tělesa v režimu periodického úplavu. Jak známo, ohřev ve vzduchu má stabilizující vliv na úplav, tzn. snižuje frekvenci odtrhávání vírů, popř. může vírovou řadu zcela potlačit. Naopak ohřev ve vodě má účinek destabilizující, tj. zvyšuje frekvenci odtrhávání vírů nebo může způsobit vznik vírové řady. Jak ukazují výsledky z posledních let, pro zobecnění poznatků prozatím není dostatek údajů. Cílem práce je experimentální vyšetřování optickými metodami a termoanemometrickým měřením.