Projekti / Programi
Raziskave v energetskem, procesnem in okoljskem inženirstvu
01. januar 2015
- 31. december 2019
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.13.00 |
Tehnika |
Procesno strojništvo |
|
| 1.08.00 |
Naravoslovje |
Varstvo okolja |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| T210 |
Tehnološke vede |
Strojništvo, hidravlika, vakuumska tehnologija, vibracije in akustično inženirstvo |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.03 |
Tehniške in tehnološke vede |
Mehanika |
Računalniška dinamika tekočin, Metoda robnih elementov, turbulentni tok, večfazni tok, razpršeni tok, reaktivni tok, prenos toplote in snovi, zgorevanje, turbinski stroji, motorji z notranjim zgorevanjem, sežiganje, sušenje, ogrevanje, prezračevanje, klimatizacija
Raziskovalci (22)
Organizacije (3)
Povzetek
Temeljna znanstvena teoretična izhodišča zastavljenega inženirskega raziskovalnega programa so prenosni pojavi v trdninah in tekočinah, to je prenos gibalne količine, prenos toplote in prenos snovi s prevladujočo turbulentno naravo toka tekočine. Glavna metoda reševanja pripada računalniški dinamiki tekočin (RDT oz. CFD), ki ob izpeljavi ustreznih modelov za izračun prenosnih pojavov omogoča diferencialni vpogled v lokalno in časovno dogajanje v napravah in strojih. V raziskovalni skupini razpolagamo z lastim programskim orodjem za izračun časovnih 3D prenosnih pojavov v trdninah in tekočinah na osnovi Metode robnih elementov (MRE), ki omogoča modeliranje kompleksnih problemov toka tekočine in prenosa toplote in snovi. Za simulacije iz področja procesne tehnike bomo razvili t.i. hitro MRE, pri čemer bo poudarek na zagotavljanju visoke natančnosti simulacij pri močno nelinearnih problemih. Na področju prenosnih pojavov v heterogenih sistemih bomo nadgradili difuzijske modele prenosa toplote in snovi v porozni snovi z upoštevanjem dveh faz, raziskali problem toka skozi porozno snov, zasičeno z nanofluidi, ter raziskali modele večfaznega toka v porozni snovi. MRE bomo nadgradili z modeli razpršenih tokov, ki bodo temeljil na direktnem sledenju delcev ter natančnem prenosu vplivov med delcem in tekočino, ki bo temeljil na uporabi fizikalno ustreznih osnovnih rešitev za neposredno ovrednotenje dvostranskega vpliva med delci in tekočino. Razvoj hibridnih modelov turbulentnega toka bo šel v smeri novih modelov povezave naprednih nestacionarnih URANS modelov (2. generacija URANS) in modelov na temelju metode LES, pri čemer bo poudarek na razvoju mehke povezave URANS-LES. Tok tekočine bomo simulirali tudi z direktno numerično simulacijo (DNS) in raziskali vplive lastnosti delcev, kot so velikost, oblika, inercija, vzgon, gostota, na njihovo obnašanje v turbulentnem toku. Analiza vodnih turbinskih strojev bo obravnavala tokovne razmere v prehodnih režimih obratovanja (zagon, pobeg). Z uporabo večkriterijske optimizacije bomo raziskali doseganje boljših energetskih in kavitacijskih karakteristik vodnih turbinskih strojev. Na področju turbokompresorjev, turbopuhal in ventilatorjev bomo preučili pogoje, ki privedejo do nastanka značilne zastojne histereze. Cilj je pojasniti mehanizme nastanka in razvoja opisane zastojne motnje, ugotoviti vplivne faktorje in najti možne rešitve problema. Na področju motorjev z notranjim zgorevanjem bomo raziskali vpliv uporabe alternativnih goriv v motorjih s samovžigom, napovedali karakteristike testiranega motorja ob uporabi alternativnih goriv in optimirali konstrukcijske in krmilne parametre motorja glede na zmanjšanje škodljivih emisij. Na področju reaktivnega toka v napravah za termično izrabo trdnih odpadkov bomo več področni ravnotežni modela prehoda trdno-plinasto v pogojih zgorevanja na rešetki razširili z upoštevanjem poroznosti sloja na rešetki.
Pomen za razvoj znanosti
Razumevanje in sposobnost napovedovanja obnašanja tehniških sistemov, v katerih prevladujejo turbulentni in večfazni tokovi, temelji na poglobljenem znanju o dogajanju (prenosnih pojavih) v takšnih tokovih. Razvoj novih, natančnih metod računalniške simulacije prenosnih pojavov, ki v kvaliteti rezultatov močno presegajo klasične, na empiričnih spoznanjih utemeljene inženirske metode preračunov, je kot tako izjemnega pomena za razvoj inženirskih znanosti na področju energetskega, procesnega in okoljskega inženirstva.
Na področju razvoja novih numeričnih metod se pri metodi robnih elementov nadejamo rezultatov, ki bodo omogočali zmanjšanje računskega časa in potrebnega spomina za izvedbo simulacij z velikim številom računskih elementov, ki so nujno potrebni za realen opis predvsem tokovnega polja. Razvoj naprednih modelov prenosa toplote in snovi v razpršenih tokovih bo omogočil podrobnejši vpogled v kompleksno tokovno, toplotno in snovno dogajanje v toplotno-snovnih ločevalnih napravah (sušilniki) kot tudi motorjih z notranjim zgorevanjem. Popolnejše fizikalno razumevanje večfaznih turbulentnih tokov bo v strojništvu in procesnem inženirstvu omogočilo boljše razumevanje delovanja naprav, pri katerih interakcija turbulentnih struktur z razpršeno fazo še ni popolnoma razumljena. Uporaba numeričnih metod za izračun toka v turbinskih strojih je z znanstvenega vidika pomembna, ker omogoča vpogled v nestacionarne in kavitirajoče tokovne razmere v turbinskih strojih. S tem povečujemo znanje o dogajanju v različnih stabilnih (delni pretoki, optimalna točka obratovanja, polna moč) in prehodnih režimih obratovanja (zagon, pobeg). Raziskave delovanja turbo kompresorjev v razmerah zastojne motnje so danes omejene predvsem na zasledovanje pojavov na vstopni in izstopni strani rotorja, medtem ko so poizkusi meritev znotraj vrtečega med lopatičnega kanala redki. Zato so mehanizmi nastanka in razvoja zastojne motnje nezadovoljivo popisani, rešitve pa vezane predvsem na detekcijo pojava in pravočasno ukrepanje, manj pa na preprečevanje, ki ga je mogoče doseči z ustrezno geometrijo. Menimo, da bomo s pravilnim popisom razmer med zastojno motnjo, lahko bolje napovedovali potrebne ukrepe za njeno preprečitev. Glede na vedno strožje ekološke predpise in problematiko uporabe fosilnih goriv je nujno iskanje možnosti za uporabo alternativnih goriv v motorjih z notranjim zgorevanjem. Novo razviti matematični modeli za numerično simulacijo procesov vbrizgavanja in zgorevanja bodo zmanjšali drago eksperimentalno delo in omogočili hitrejši razvoj učinkovitejših in okoljsko sprejemljivejših motorjev. Razvoj novih modelov ravnotežnega večstopenjskega uplinjanja trdnih odpadkov na rešetki bo omogočil podrobnejšo analizo procesa zgorevanja v primarni in sekundarni komori značilne naprave za termično izrabo odpadkov.
Pomen za razvoj Slovenije
Na področju procesne tehnike in v farmacevtski industriji se pojavljajo velike potrebe po numeričnem modeliranju prenosnih pojavov v razpršeni fazi trdnih delcev. Kot aplikacija bo uporabljen primer razpršilnega sušenja trdnih delcev v toku zvezne tekočine (sušilni zrak), kjer bo uporabljen tristopenjski model sušenja, ki omogoča realnejšo napoved porabe energije tega izjemno energijsko potratnega procesa. Nadaljevali bomo z uporabo raziskav na numeričnem področju pri razvoju modelov za opis toplotnih razmer v avtomobilskih svetilih, kjer ima Slovenija že dva pomembna proizvajalca, od katerih s Hella Saturnus sodelujejo tudi člani naše raziskovalne skupine.
Vodna energija je najpomembnejša med obnovljivimi viri energije brez izpustov CO2. Slovenija ima dolgoletno tradicijo in veliko znanja in izkušenj pri razvoju in izdelovanju vodnih turbin, kjer izstopa Turboinštitut, partner v raziskovalnem programu. Za obstoj na trgu so bistvene odlične karakteristike strojev in zmanjšanje stroškov. Oboje lahko dosežemo z razvojem novih numeričnih modelov, ki natančneje opišejo delovanje turbine. Pri manjših projektih, kjer je izdelava modela predraga, le z numeričnim izračunom lahko preverimo, če so garantirane karakteristike dosežene. Vsakoletni obiski študentov strojništva iz Ljubljane in Maribora popularizirajo uporabo numeričnih metod v industriji, podjetje Turboinštitut pa omogoča tudi izdelavo diplome, magisterije in doktorate iz področja numerične analize toka v hidravličnih strojih.
Turbokompresorji, predvsem pa ventilatorji, so vkomponirani v vrsto izdelkov, ki jih izdelujejo naša podjetja, od proizvajalcev malih gospodinjskih aparatov, avtomobilskih delov do velikih hladilnih sistemov. Pri tem je geometrija ventilatorjev pogosto podrejena obliki končnega izdelka in neustrezna, delovanje ventilatorjev pa pogosto na sami meji zastojne motnje, čemur se je z boljšim poznavanjem razmer mogoče izogniti. Tako bomo izboljšali karakteristike posameznih proizvodov, s tem pa tudi konkurenčnost podjetij, kar ima vsekakor ugoden vpliv na ekonomski razvoj Slovenije in širše.
Na področju ogrevanja, ohlajevanja in klimatizacije (HVAC) bomo raziskovali optimizacijo učinkovitosti konvekcijskega ogrevanja ob upoštevanju nadzora zunanje in notranje temperature za vsako ogrevalno enoto, predvsem v stanovanjskih in poslovnih objektih.
Na področju okoljskega inženirstva bo poudarek na razvoju postopkov toplotnega izkoriščanja trdnih odpadkov in analizi primernosti goriv, pridobljenih iz komunalnih odpadkov, za uporabo v takšnih napravah. Ker je problematika komunalnih odpadkov v Sloveniji pereč problem, bomo s tem prispevali k pospešitvi reševanja tega problema. Razvite metode numeričnega modeliranja večfaznega toka bodo uporabne tudi za študij bioloških sistemov (bazen čistilne naprave), saj se mikroorganizmi v tokovih velikokrat obnašajo kot delci, v primeru toka v porozni snovi pa bodo uporabljene z namenom simulacije potovanja onesnaževalcev podtalnici.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2015,
vmesno poročilo,
zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2015,
vmesno poročilo,
zaključno poročilo
