Rozmowa z dr inż. Tomaszem Wacławczykiem z Politechniki Warszawskiej z Wydziału Mechanicznego Energetyki i Lotnictwa.
Co można powiedzieć o dwu-fazowych przepływach turbulentnych?
Łatwo sobie wyobrazić wodę płynącą w górskiej rzece, która niesie ze sobą pęcherzyki powietrza. Z powodu nieregularności przepływu wody (odziaływujących ze sobą dużych i małych wirów) przepływ taki jest turbulentny. Ponieważ woda (faza pierwsza) niesie ze sobą pęcherzyki powietrza (faza druga) przepływ taki jest dwu-fazowy. Zauważmy że obecność drugiej fazy (podlegających deformacji pęcherzyków powietrza) zmienia przepływ wody a zatem i turbulencję (sposób odziaływania dużych i małych wirów). Obszarem w którym przepływ płynu/gazu jest zarówno turbulentny jak i wielofazowy, jest burzliwa powierzchnia rzeki.
Zaburzana turbulentnym polem prędkości powierzchnia rozdziału pomiędzy fazami (np. powierzchnia rzeki ale także powierzchnia pomiędzy kroplą paliwa i mieszaniną gazów w cylindrze silnika) ma decydujący wpływ na przebieg procesów wymiany pędu, masy i energii pomiędzy fazami. Ich zrozumienie i modelowanie za pomocą symulacji komputerowych jest kluczowe aby podnosić sprawność/efektywność urządzeń/procesów w których to zjawisko występuje.
Na co był kładziony największy nacisk w realizacji projektu?
Centralnym zagadnieniem w modelowaniu układów dwu-fazowych jest pytanie: gdzie znajduje się lub jak zdefiniować powierzchnię rozdziału pomiędzy dwoma fazami. Głównym pytaniem w modelowaniu turbulentnych przepływów wielofazowych jest pytanie: jak zredukować (zamodelować matematycznie) szeroki zakres skal długości i czasu wynikających ze stochastycznej/losowej natury przepływu turbulentnego, tak aby możliwe było przeprowadzenie symulacji komputerowej przy dostępnych ale ograniczonych zasobach obliczeniowych.
Czy chodziło o znalezienie matematycznych związków do tego typu przepływów? Jaki był cel projektu?
Celem projektów było opracowanie modelu matematycznego i schematu numerycznego pozwalającego na uwzględnienie stochastycznych/losowych fluktuacji powierzchni rozdziału w zredukowanym/uśrednionym opisie.
Opracowany w tym celu statystyczny model ewolucji warstwy intermitentnej pozwala: jednoznacznie zdefiniować powierzchnię rozdziału, oraz modelowć zjawiska ewolucji warstwy intermitetnej za pomocą jasno zdefiniowanych parametrów (charakterystycznej skali długości i czasu warstwy intermitentnej). Co więcej, przy odpowiednich założeniach, równania modelu redukują się do uprzednio znanych w literaturze równań opisujących powierzchnię rozdziału. Ten ostatni wynik pozwolił na wprowadznie, nie znanej uprzednio, interpretacji fizycznej wszystkich wielkości stosowanych do tej pory w modelach powierzchni rozdziału pomiędzy fazami, nie była ona znana wcześniej w literaturze.
Gdzie taki model będzie mógł być wykorzystany? Np. w jakiej dziedzinie?
Statystyczny model powierzchni rozdziału którego opracowanie jest głównym wynikiem projektów może być zastosowany w każdej dziedzinie w której zjawiska zachodzące na powierzchni rozdziału pomiędzy dwoma fazami determinują stan badanego układu. Od modelowania i optymalizacji procesów w maszynach przepływowych, np. konwersja energii w turbinach wodnych/gazowych, pędnikach okrętowych, lub spalania w silnikach, poprzez zjawiska w wymiennikach ciepła z uwzględnieniem przejść fazowych (np. wrzenia, kawitacji lub parowania) do procesów krzepnięcia (np. w trakcie odlewania części maszyn ze stopów metali).
Dziękujemy za rozmowę.
Sebastian Wach
