PL
EN

Badania

1. Modelowanie przepływów turbulentnych z fazą dyspersyjną.

W ramach tego tematu prowadzone są prace badawcze z zakresu turbulentnych przepływów dwufazowych z fazą dyspersyjną (faza rozproszona występuje w postaci kropel cieczy lub cząstek stałych) mające na celu rozwój modeli dla takich przepływów.

Przedmiotem analizy, opracowania nowych propozycji i ich weryfikacji są zamknięcia dla uśrednionych bądź filtrowanych przestrzennie równań transportu dla przepływów turbulentnych, a także dla przepływów dwufazowych. Przedmiotem zainteresowania jest modelowanie statystyczne przepływów z zastosowaniem metody funkcji prawdopodobieństwa; modelowanie efektów dyspersji turbulentnej cząstek w podejściu statystycznym (z uśrednieniem Reynoldsa, ang. RANS), a także tak zwanej dyspersji podsiatkowej (w zakresie małych skal) przy czym duże struktury wirowe przepływu turbulentnego są rozwiązywane (metody LES, POD).

Znaczenie aplikacyjne tych prac wynika bezpośrednio z zagadnień praktycznych inżynierii chemicznej oraz energetyki konwencjonalnej i agroenergetyki (np. palniki na rozpylane paliwo ciekłe lub pył węglowy).

 

Przepływ turbulentny z cząstkami: strugi współosiowe,
obraz chwilowy, obliczenia LES (Łuniewski, 2011).

2. Metody projektowania i analizy układów przepływowych małych turbin wodnych.

Przedmiotem prowadzonych badań jest numeryczne modelowanie i analiza trójwymiarowych przepływów cieczy w maszynach hydraulicznych.

Nowe oryginalne modele obliczeniowe pozwalają na wyznaczenie przepływu wokół ciała dowolnego kształtu oraz określenie pola ciśnień na ciałach indukujących siły nośne. Wcześniej rozwijane programy projektowe dla pędników okrętowych, oparte na modelach wirowych, są adaptowane do turbin swobodnych i weryfikowane poprzez badania modelowe w tunelu kawitacyjnym.

Rozwijane są również metody odwrotne dla zagadnień przepływów lepkich/turbulentnych. Istotą tych metod jest transformacja równań Naviera-Stokesa do układu współrzędnych funkcji prądu (SFC, von Misesa), dzięki czemu eliminuje się jedną współrzędną geometryczną (nieznaną w zagadnieniu projektowym), w jej miejsce wprowadzając współrzędną funkcji prądu (zależną od prędkości przepływu). Dodatkowo prowadzone są badania nad metodami optymalizacji w połączeniu z zagadnieniem odwrotnym, w zastosowaniu do projektowania układów łopatkowych turbin wodnych.

 

Powierzchnie prądu w układzie łopatkowym
dla zagadnienia odwrotnego (Butterweck, 2012).

3. Metody obliczeniowe dla przepływów z powierzchniami rozdziału.

Alternatywnym podejściem do modelowania przepływów jest wykorzystanie formalizmu w pełni lagranżowskiego, na przykład metody Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH).  Podejście SPH jest coraz szerzej wykorzystywane do analizy przepływów wielofazowych, przepływów z powierzchnią swobodną, czy układów o skomplikowanej lub zmiennej geometrii. Główną zaletą SPH jest brak konieczności tworzenia siatki numerycznej. Rozkłady ciągłe wielkości fizycznych zastępuje się odpowiednimi przybliżeniami całkowymi. Płyn jest traktowany jako skończony zbiór cząstek (reprezentujących elementy płynu), dla których wykonuje się obliczenia.

Początkowo, dużym wyzwaniem było przeprowadzenie analizy, która umożliwiłaby, w sposób obiektywny, porównanie metod implementacji warunku nieściśliwości w metodzie SPH. Wykonano cały szereg testów numerycznych, w tym, z wykorzystaniem podwójnego mechanizmu korekcji pól (prędkości i gęstości), co jest jakościowo nowym rozwiązaniem, a okazuje się być jedynym spośród propozycji opartych o metodę projekcji, która daje poprawne przewidywania pól gęstości w SPH. Celem uzyskania w pełni fizykalnych symulacji przepływów wielofazowych typu ciecz-gaz, gdzie procesy zachodzące na powierzchni rozdziału odgrywają kluczową rolę, zaimplementowanych zostało kilka podejść umożliwiających modelowanie napięcia powierzchniowego. Uzyskane wyniki symulacji wzrostu pęcherza gazu w cieczy dla różnych wartości napięcia powierzchniowego, cechują się bardzo dobrą zgodnością z rozwiązaniami uzyskanymi za pomocą innych metod numerycznych.

Obecnie, prace dotyczą rozwinięcia podejścia SPH dla symulacji procesów wrzenia przyściennego. Poprawne modelowanie numeryczne tych zagadnień obejmuje implementację licznych zjawisk fizycznych: nukleacji, wzrostu i oderwania pęcherzyków pary, przejścia do innych reżimów wrzenia ze wzrostem strumienia ciepła przez ściankę. Dodatkowo, ze względu na eulerowską naturę najczęściej wykorzystywanych metod obliczeniowych, dużą trudność stanowi sama numeryka, w szczególności śledzenie położenia powierzchni rozdziału, której znajomość jest kluczowym elementem dla poprawnego modelowania przemian fazowych. Modelowanie zjawiska przemiany fazowej ciecz-gaz wymaga również uwzględnienia procesów transportu ciepła w układach bardzo niejednorodnych z punktu widzenia własności termodynamicznych. Metoda SPH, ze względu na swoją lagranżowską naturę, nadaje się do tego celu idealnie. Zaimplementowane zostały więc mechanizmy transportu ciepła, w tym zjawiska konwekcji swobodnej w przybliżeniu Boussinesqa. Jednakże, w przypadku układów, gdzie różnice temperatur powodują duże różnice gęstości, przybliżenie Boussinesqa zawodzi. Takie sytuacje bardzo często mają miejsce w procesach przemysłowych (np. odlewniczych), a także astrofizyce. W związku z tym, zaproponowaliśmy jakościowo nową technikę modelowania zjawiska konwekcji swobodnej w formalizmie metody SPH.

 

Interakcja dwóch pęcherzyków gazu wznoszących się w cieczy  (Szewc, 2012).

4. Modelowanie numeryczne zjawisk cieplno-przepływowych w ośrodkach ziarnistych.

Motywację poznawczą stanowi złożoność fizyki procesu oraz wieloskalowy charakter zjawisk w reaktywnym złożu porowatym, a motywacją praktyczną jest próba ulepszonego opisu procesu koksowania węgla.

Podjęte badania dotyczą modelowania przepływu oraz transportu ciepła w skali pojedynczych ziaren ośrodka porowatego. Do tego celu wykorzystuje się metodę siatkową Boltzmanna (LBM). Metoda ta rokuje duże nadzieje odnośnie symulacji przepływów w ośrodkach o złożonej geometrii.

W chwili obecnej obliczenia są wykonywane w ośrodkach ziarnistych, przy czym analiza przepływu płynu oraz ciepła uwzględnia zmienną geometrię ziaren. W chwili obecnej trwają prace nad uwzględnieniem naprężeń powstających na granicy styku ziaren; planowane jest dodanie członów źródłowych występujących w przebiegu reakcji chemicznych.

 

 

Wycinek przypływu przez bardzo prosty model ośrodka porowatego, obliczenia LBM (Grucelski, 2012).

DO GÓRY