Specifikace projektu
Název projektu: Experimentální a numerické modelování turbulentního proudění s rozsáhlým odtržením
Poskytovatel dotace: GA ČR
Předpokládané datum ukončení projektu: 12/2012
Hlavní řešitel: Prof. Ing. Jaromír Příhoda, CSc. - Ústav termomechaniky Akademie věd ČR Praha
Spoluřešitelé: Doc. Ing. Jan Šulc, CSc. - Laboratoř vodohospodářského výzkumu, Stavební fakulta VUT v Brně
Popis projektu: Navrhovaný projekt je zaměřen na experimentální a numerické modelování vlivu odtržení proudu na turbulentní proudění zejména v otevřených a uzavřených kanálech. Odtržení proudu se vyskytuje prakticky ve všech technických aplikacích. Odtržení proudu v jakékoliv podobě výrazně ovlivní charakter proudění v kanálech i při obtékání těles. Existence odtržení znamená zvýšení energetických ztrát, často s nestabilním chodem a tlakovými pulsacemi, může vést ke zkrácení životnosti zařízení. Odtržení proudu může být vyvoláno nepříznivým podélným tlakovým gradientem (klasické odtržení mezní vrstvy) nebo náhlou změnou průřezu kanálu nebo tvaru obtékaného tělesa, např. obtékání „záporného“ schodu nebo nevhodně tvarovaného tělesa. Existuje řada empirických kritérií pro odtržení mezní vrstvy která však mají omezenou platnost. Odtržení mezní vrstvy vede v oblasti odtržení ke vzniku fluktuací tlaku a rychlosti, které jsou unášeny po proudu. Odtržení proudu je více méně nestacionární jev, který zahrnuje oblast nazývanou zóna odtržení od tzv. počínajícího odtržení (1% okamžitého zpětného proudění) až k celkovému odtržení, které je definováno nulovou střední hodnotou smykového napětí na stěně.
Při proudění v uzavřených kanálech je odtržení vždy 3D jevem spojeným se vznikem sekundárního proudění. Podmínky pro lokální odtržení a zejména pro zpětné přilnutí ke stěně silně závisí na geometrii kanálu. Při 3D proudění je topologie proudění v oblasti odtržení poměrně složitá a proto je použití empirických kritérií odtržení problematické. Při proudění v kanálech s náhlou změnou průřezu – jednostranný difuzor, šikmý schod – je odtržení proudu fixováno na hranu, nicméně charakter proudění se vznikem fluktuací tlaku a rychlosti v oblasti odtržení je podobný. Pro praktické posouzení možného odtržení proudu v rozšiřujících se kanálech existují kritéria udávající mez odtržení v závislosti na geometrických parametrech případně na hodnotě Reynoldsova kriteria. Tato kritéria však nepostihují nestacionární charakter proudění v oblasti odtržení. U proudění s volnou hladinou je odtržení proudu navíc spojeno s deformací hladiny, která je závislá na proudových poměrech, zejména na hodnotě Froudova kriteria při říčním i bystřinném proudění. V praktických aplikacích je proudění výrazně ovlivněno oblastí odtržení na dně nebo na boční stěně kanálu. Pokud je obtékaný povrch (klapka, hradidla) nespojitý jako na př. u pohyblivých hradicích mechanismů, může dojít k jejich vibracím, které při zvýšených povodňových průtocích mohou vést k jejich destrukci. Kromě stanovení středních charakteristik proudového pole je třeba proto studovat časový průběh odtržení proudu včetně tlakových pulsací působících na obtékané povrchy.
Proudění s volnou hladinou je řešeno většinou pomocí tzv. metody zachycení rozhraní. Tato metoda, nazývaná též VOF (Volume of Fluid) metoda, je založena na použití přídavné transportní rovnice pro veličinu vyjadřující hustotu tekutiny, která se mění skokem v místě hladiny. Metoda byla použita pro simulaci turbulentního proudění v zakřivených kanálech a v kanálech s prahy na dně.
Cíle projektu: projektu je experimentální a numerické modelování nestlačitelného turbulentního proudění s rozsáhlým odtržením proudu buď vlivem nepříznivého tlakového gradientu (jednostranný difuzor nebo obtékání profilu lopatky při velkém úhlu náběhu) nebo vlivem náhlého rozšíření průřezu (obtékání přímostěnné nebo zaoblené rampy). Cílem je získání nových poznatků a zpřesnění fyzikálního a matematického modelu turbulentního proudění s odtržením se zaměřením na 3D charakter proudění a odpovídající numerická simulace takového proudění s využitím moderních matematických modelů. Experimentální vyšetřování bude zaměřeno na podrobný popis 3D turbulentního proudění s odtržením a zejména na mechanismus vývoje vírových útvarů v proudu za odtržením a jeho souvislost s energetickými ztrátami. Součástí řešení bude vývoj experimentálních metod pro vyšetřování struktury proudění s odtržením.
V Ústavu vodních strojů Fakulty stavební VUT v Brně bude vyšetřováno proudění v uzavřených a otevřených vodních kanálech s jednostranným rozšířením, tvořeném rampou nebo šikmým schodem pomocí bezkontaktních optických měřicích metod - laserové dopplerovské anemometrie (LDA) a integrální laserové anemometrie (PIV). Proudění v otevřeném kanálu bude vyšetřováno při říčním i bystřinném proudění. Obě měřicí metody umožní získat jak detailní popis struktury proudového pole, tak okamžitý celkový obraz proudového pole v blízkosti odtržení. PIV metoda navíc umožní sledovat časový vývoj nestacionárního rychlostního pole v oblasti odtržení, kde dochází ke vzniku velkých vírových útvarů unášených po proudu. Měření pomocí LDA a PIV techniky budou doplněna měřením rychlostních profilů pomocí metody ultrazvukového profilování UPV (Ultrasonic Velocity Profile).
Aplikovatelnost v praxi: Studium proudění s odtržením je aktuální jak z hlediska rozvoje vědního oboru, tak z hlediska praktických aplikací. Výsledkem řešení projektu bude zpřesnění fyzikálního modelu a numerického řešení proudění s odtržením pro použití v hydrodynamice a aerodynamice. Nové poznatky o struktuře proudění v oblasti odtržení společně s výsledky numerické simulace umožní posoudit vliv odtržení na proudění a energetické ztráty v uzavřených i otevřených kanálech včetně nebezpečí kavitace zejména betonových povrchů. Výsledky budou využity pro návrh a posuzování odpovídajících stavebních a technologických objektů – výtokové objekty, reverzní vtokové objekty okruhů PVE a savky vodních turbin. Výsledky studia proudění s odtržením ve vybraných prvcích uzavřených a otevřených kanálů přispěje ke zpřesnění podkladů pro návrh tvarů obtékaných povrchů vzdušních líců hradicích (vzdouvacích) těles a k případné úpravě obtékaných povrchů těles a jejich okolí pro snížení tlakových pulsací a provozní nestability zejména pohyblivých konstrukcí. Režim proudění s odtržením proudu bývá příčinou destrukce zařízení zejména při převádění zvýšených povodňových průtoků. Výsledky získané při řešení projektu, budou publikovány v odborných časopisech a ve sbornících vědeckých konferencí.
Specifikace projektu obsahuje i grafickou přílohu.