[design/2014/cvut-logo-blue.png]
CZ/EN

Ústav mechaniky tekutin a termodynamiky

Odborná činnost

Ústav mechaniky tekutin a termodynamiky se podílí na řadě výzkumných projektech podporovaných jak z veřejných zdrojů (především grantové prostředky v rámci národních programů a evropských programů), tak z prostředků neveřejných v rámci spolupráce s průmyslovou sférou.

Sdílení tepla a hmoty (Energetika a teplárenství)

Pracovníci Ústavu se věnují též oblasti energetiky a teplárenství. V rámci těchto činností se pak pracoviště v letech 2006 - 2012 stalo nositelem projektu Centra 1M (dotační titul v gesci MŠMT) s názvem "Progresivní technologie a systémy pro energetiku" a v roce 2012 též Centra Kompetence (dotační titul TAČR) "Pokročilé technologie pro výrobu tepla a elektřiny". Oba tyto projekty sdružují čtyři přední technické vysoké školy v České republice, Centrum PTTE pak kromě těchto vědeckovýzkumných institucí tvoří i devět zástupců z aplikační sféry.

Jednou z hlavních oblastí výzkumu, které se Centrum PTTE, a v jeho rámci též Ústav mechaniky tekutin a termodynamiky FS ČVUT, dlouhodobě věnuje, je oblast chlazení a to především pro energetický a teplárenský průmysl.  Podíl zbytkového nízkopotenciálního tepla se z důvodu potřeby stále většího množství energie s neutuchajícím průmyslovým rozvojem lidstva stále zvětšuje. Efektivní a ekologicky nenáročné odvádění tohoto tepla, je tedy jednou z priorit současné vědy a techniky.  Přestože jsou chladicí věže, tak jak je známe, využívány již od 19. století, lze jejich účinnost stále zvyšovat na základě důkladných znalostí všech dějů, k nimž v těchto zařízeních dochází. Ústav je vzhledem ke svému historicky danému zaměření nadprůměrně vybaven jak z materiálního, tak i z teoretického hlediska a je proto z vlastních zdrojů schopen řešit i ty nejsložitější úkoly z oboru chlazení. Díky dříve řešeným projektům a intenzivní hospodářské činnosti mají pracovníci Ústavu k dispozici experimentální stanoviště a měřicí a výpočetní techniku potřebnou pro řešení velkého množství technických problémů v oblasti klasického, tzv. mokrého chlazení, suchého chlazení, hybridního chlazení a momentálně nejdynamičtěji rozvíjejícího se odvětví tzv. Water Recovery Systems (WRS - systémy umožňují snižování spotřeby doplňkové vody u klasických chladicích věží s nuceným tahem při současné v eliminaci tzv. viditelné parní vlečky, která je laickou veřejností považována za jeden z nejhorších negativních jevů spojených s výrobou elektrické energie).

Konkrétně je v oboru chlazení v současnosti řešena například problematika rain zone chladicích věží (oblast pod chladicími výplněmi), která tvoří výkonově až 20% celé věže. Z výsledků výzkumu, prováděného v rámci pracoviště, se pak ukazuje, že díky numerickým a experimentálním simulacím, které jsou v rámci Ústavu připravovány, může dojít až k zdvojnásobení tohoto výkonu bez složitých stavebních úprav chladicích věží. V současné době je na pracovišti také k dispozici unikátní experimentální stanoviště, které umožňuje měření parametrů chladicích výplní v geometrickém měřítku 1:1 s přesností shody tepelné bilance do 3%. Na tomto pracovišti je možné měřit jak parametry klasických filmových výplní, tak výplní splashových. Ty v současné době nacházejí uplatnění především na velmi rychle se rozvíjejících asijských trzích. Z dalších probíhajících experimentálních činností lze uvést optická měření účinností eliminátorů úletu kapek z chladicích věží, měření rozstřikových charakteristik trysek, nebo experimentální určování součinitele prostupu tepla pro trubkové svazky výměníků suchých chladicích věží.

Pro potřeby experimentálního výzkumu komponent chladicích věží byla v prostoru laboratoří postavena modelová ventilátorová chladicí věž. Tato trať je koncipována jako odsávaná s měřicím prostorem cca 1,7 x 1 x 3 m. Zařízení umožňuje modelovat chladicí proces s využitím všech prvků tak, jak jsou aplikovány v reálných provozech. Současně je trať navržena tak, aby zde mohly být vedle konvenčních měřicích technik (termočlánky, rychlostní sondy, vlhkoměry) použity i moderní optické měřicí metody. Pro měření rychlostních polí lze využít například metodu PIV (Particle Image Velocimetry) poskytující detailní informace o 2D rychlostních polích nebo metodu IPI (Interferometric Particle Imaging) pro měření velikosti vodních kapiček. Všechny měřicí systémy jsou využívány pro stanovení účinnosti chladicího procesu a tlakových ztrát jednotlivých prvků ale i dalších vlastností vícefázového proudění. Experimentálně jsou zde stanovovány například tlakové ztráty vnitřních vestaveb – chladicích výplní a eliminátorů, rozstřikové charakteristiky vodních trysek nebo účinnost eliminátorů únosu. Výzkum se zaměřuje i na úpravu a zdokonalení samotných měřicích metod. Metodiku měření velikosti a rychlosti vodních kapiček v prostředí chladicích věží metodou IPI má řešitelský kolektiv zapsán jako užitný vzor. Aerodynamické vlastnosti chladicích věží jsou také předmětem numerického modelování. Prostřednictvím matematického modelu chladicí věže s přirozeným tahem lze zachytit dominantní procesy, které se v chladicích věžích odehrávají a posoudit vliv těchto procesů na průtok vzduchu chladicí věží.

Hemodynamika

Pracoviště se dlouhodobě zabývá také výzkumem proudění krve – hemodynamikou. Jedná se o problematiku mechaniky tekutin za speciálních podmínek odlišných od většiny technických aplikací. Hemodynamika je speciálním oborem nejen kvůli složitým vlastnostem krve, ale také z důvodů vlastností srdečně cévního systému a speciálním čerpacím mechanismům, které tělu umožňují trvalé a plynule regulovatelné zásobení celého těla.

Výzkum v oblasti hemodynamiky probíhá ve spolupráci s kardiology a kardiochirurgy, kteří mají velké znalosti a zkušenosti z oblasti fungování cévního systému a také s patologickými změnami, ke který vlivem různých faktorů dochází prakticky u každého jedince. Onemocnění srdečně cévního systému se dnes řadí k nejčastějším příčinám úmrtí a jejich léčba je dlouhodobou prioritou zdravotní péče ve všech vyspělých zemích.

Souběžně s pokrokem v léčbě cévních a srdečních onemocnění a zvyšujícími se možnostmi operativních zásahů se objevují stále speciálnější otázky lokální hemodynamiky patologických jevů, jakými jsou například stenóza (zúžení cévy) a aneurysma (výduť cévy), nebo částí cévního řečiště jako bifurkací (rozdělení cév) a anastomóz (spojení cév). Hemodynamika se zabývá také funkcí srdce a jeho částí, z hlediska patologických změn například nedomykavostí chlopní. Studium hemodynamiky je důležité nejen z hlediska porozumění jevů, ke kterým dochází v lidském těle, ale také pro návrh umělých funkčních náhrad, které jsou modifikovány s ohledem na konkrétní pacienty.

Pro proudění krve je nutné uvažovat dva druhy výzkumu. „In vivo“, tedy v přirozených podmínkách, kdy jsou prováděna měření a pozorování přímo na pacientovi a výzkum „in vitro“, tedy v umělých podmínkách, kdy jsou podmínky v cévním systému modelovány v laboratoři. Těmto dvěma přístupům jsou přizpůsobeny také používané měřicí metody. Výzkum hemodynamiky na Ústavu mechaniky tekutin a termodynamiky se zabývá především modifikací moderních anemometrických metod tak, aby je bylo možno vhodně použít na měření v modelech cévního řečiště in vitro a zároveň porovnat s relevantními výsledky měřicích metod používaných kardiology a kardiochirurgy in vivo.

V rámci této činnosti byla v laboratořích Ústavu vybudována experimentální trať umožňující modelovat nestacionární průtok řízený počítačem dle volené tokové křivky. Tato trať umožňuje měření optickými metodami (PIV, PLIF (Planar Laser Induced Fluorescence)), měření tlaku i měření metodou CTA (Constant Temperature Anemometry) a to v modelech s tuhou i poddajnou stěnou.

Vnější a vnitřní aerodynamika

V oblasti vnější a vnitřní aerodynamiky se pracovníci ústavu věnují převážně aplikacím v letectví a automobilovém průmyslu, pozornost je však věnována také oblasti energetiky a to především na poli obnovitelných zdrojů, kde jsou řešeny otázky spojené s návrhem a optimalizací rotorů pro vodní a větrné elektrárny.

V rámci prvního zmiňovaného směru je pozornost věnována jednak profilům pro křídla klasické konstrukce, současně ale také profilům pro křídla flexibilní (konstrukce využívaná typicky u padákových kluzáků). V oblasti profilů pro křídla klasické konstrukce byl v minulých letech realizován např. projekt aerodynamické létající zkušebny. Hlavním cílem tohoto projektu bylo vytvořit platformu pro nejrůznější aerodynamická měření. Letoun o rozpětí 3,5 m a hmotnosti 20 kg je vybaven záznamovým zařízením, které umožňuje zapisovat letové údaje, jako jsou poloha letounu, rychlost, výška a náklon. Pro řízení letu je k dispozici stabilizační režim, kdy je letoun řízený pilotem ze země, a plně automatický režim letu, kdy letoun sleduje předem naplánovanou trasu. Pro měření je létající zkušebna vybavena nástavci konců křídel a měřicí technikou, umožňující měřit rozložení tlaku podél zkoumaného leteckého profilu. V druhé zmiňované kategorii, zabývající se vývojem v oblasti flexibilních křídel pak byl ve spolupráci s předním českým výrobcem padákových kluzáků realizován projekt dálkově řízeného kluzáku umožňujícího testování padákových křídel až do měřítka 1:2,5.
Další velkou oblastí výzkumu pro letecké aplikace, která je na pracovišti dlouhodobě řešena, je problematika návrhu a optimalizace leteckých vrtulí malých až středních rozměrů. Vyvinut byl jednak optimalizační SW umožňující návrh a optimalizaci leteckých vrtulí pro konkrétní aplikaci, současně byla také postavena vrtulová zkušebna pro měření statického tahu. Do stejné kategorie se pak řadí též optimalizační výpočty tvaru listů větrných elektráren klasické konstrukce.

Z hlediska výzkumu a vývoje v automobilovém průmyslu pak Ústav dlouhodobě spolupracuje se společností Škoda Auto, a.s. a to především v oblasti vnitřní aerodynamiky motorového prostoru.

Měřicí technika

Pracoviště se také v posledních letech zaměřilo na návrh, výrobu a testování vlastní měřicí techniky pro různé aplikace, ať již pro vlastní vědeckovýzkumné potřeby, nebo především ve spolupráci s průmyslovými partnery. Vynikla tak řada zcela unikátních měřidel, která jsou mnohdy chráněna pomocí udělených národních patentů, případně užitných a průmyslových vzorů. V oblasti aerodynamiky, sdílení tepla i sdílení hmoty je tak pracoviště schopné poskytnout komplexní experimentální služby od prvotních návrhů až po realizaci experimentálních stanovišť, vyhodnocení a analýzu výsledků, případně i zaškolení obsluhy na půdě průmyslového partnera. Tato spolupráce pak byla mnohokrát ověřena významnými průmyslovými partnery z celé EU, jako např. Škoda Auto, a.s., VW Group, FANS, a.s., Brentwood Industries, Electrolux Italia S.p.A. a mnoha dalšími.

Obecně lze říci, že stěžejní součástí každého experimentu je sada nástrojů, jež umožňují náhled do procesů, ke kterým v daném experimentu dochází. Těmito nástroji zpravidla rozumíme měřicí a snímací techniku. Díky začlenění mikroelektronického vývoje přímo na půdu výzkumného pracoviště mechaniky tekutin je možné pružně naplňovat aktuální potřeby prováděných experimentů. K tomu je často zapotřebí autorského přístupu a vývoje měřidel na nových fyzikálních principech. Za dobu fungování pracovní skupiny, která se vývoji měřicí techniky v rámci činností Ústavu zabývá, se tak podařilo vyvinout několik unikátních měřidel a měřicích postupů. Detailní porozumění fyzikální podstatě a především konkrétnímu technickému řešení jednotlivých měřidel dalo ostatním zaměstnancům Ústavu možnost radikálně posunout přesnosti měření u jednotlivých experimentálních činností.

Numerické modelování

Vzhledem  k vysoké náročnosti experimentálního výzkumu ve všech oblastech je vhodné používat kromě experimentálních postupů také výsledků numerických simulací. Numerické řešení problémů proudění, přestupu tepla a hmoty je v dnešní době silným a dostupným nástrojem, který umožňuje získat další pohled na řešené problémy. Numerické simulace mohou sloužit jednak jako nástroj analýzy stávajících komponent. V dnešní době, ale hrají nezastupitelnou roli především při ověřování nových koncepcí stejně tak jako v úlohách zabývajících se geometrickou optimalizací.  Ústav mechaniky tekutin a termodynamiky má dlouholeté zkušenosti s uplatněním nástrojů počítačové dynamiky tekutin ve výzkumu a to jak z projektů základního a aplikovaného výzkumu, tak z přímé spolupráce s aplikační sférou.