Laboratoř oddělení fyzikálních měření Technické univerzity v Liberci se dlouhodobě zaměřuje na oblast experimentální mechaniky tekutin. Zabývá se mechanickými vlastnostmi tekutin, popisuje jednotlivé děje v kapalinách a plynech, jako je jejich pohyb (proudění) a přenosy energií. V poslední době dostává zadání i z biomechaniky. Příkladem projektu z oblasti biomechaniky je biologický reaktor pro pěstování bakterií nebo třeba sledování proudění krve v krční tepně (karotidě) s patologickým nálezem.
Liberečtí vědci z fakulty mechatroniky, informatiky a mezioborových studií (FM TUL) a univerzitního výzkumného Ústavu pro nanomateriály, pokročilé technologie a inovace (CxI) využívají pokročilé metody v experimentální mechanice tekutin. Pomocí laserových měřicích systémů v moderně zařízené laboratoři zkoumají netriviální děje v plynech a kapalinách. K dispozici mají špičkové vybavení pro tzv. Global Imaging — měřicí systém Particle Image Velocimetry pro sledování proudových polí (PIV), interferometrický systém pro měření charakteristik sprejů (IPI) a fluorescenční vizualizační systém pro výzkum teplotních polí (PLIF). V jejich laboratoři probíhají pomocí laserů a digitálních kamer měření fyzikálních veličin pro účely optimalizace a automatizace průmyslových systémů i experimentální výzkum fyzikálních dějů v různých technologických procesech. Výzkumné aktivity se zaměřují i do oblasti návrhu a vývoje měřicích metodik a aplikačních měřicích řetězců. „V počáteční fázi jsme na Fakultě mechatroniky, informatiky a mezioborových studií TUL budovali laboratoř experimentální mechaniky tekutin založené na bezdotykových laserových technikách, jako jsou laserová dopplerovská anemometrie (LDA) a Particle Image Velocimetry (PIV). Postupně se naše výzkumné aktivity posouvaly do oblasti globálních obrazových metod, takzvaných Global Imaging Methods. V současné době výzkumný záběr laboratoře významně přesahuje problematiku mechaniky tekutin a soustředí se zejména na metody kvantitativního zviditelňování fyzikálních dějů a procesů,“ shrnuje vedoucí oddělení fyzikálních měření profesor Václav Kopecký.
Podle Ing. Dariny Jašíkové, Ph.D., se v laboratoři oddělení fyzikálních měření zaměřují na dva tematické okruhy: jednak na úlohy z mechaniky tekutin a jednak se zabývají rozvojem samotných měřicích metod. „Často využíváme pro měření některou z technik souboru metod Global Imaging, které jsou založeny na laserových osvětlovacích systémech a záznamech speciálními kamerami. Jednou z technik metody Global Imaging je metoda PIV — Particle Image Velocimetry. Tu využíváme v moderní experimentální mechanice tekutin pro kvalitativní (vizualizace) i kvantitativní (vyhodnocení rychlostí) popis proudových polí v kapalinách i plynech. Touto metodou zachytíme celou zkoumanou oblast najednou oproti bodovým měřicím metodám a lze ji s výhodou využívat pro sledování nestacionárních proudových polí,“ přibližuje mladá vědkyně.
Metody založeny na vizualizaci Metody, které laboratoř využívá, jsou podle Dariny Jašíkové založeny na vizualizacích, tedy na vhodně zvoleném zdroji světla a snímacím prvku. Jako snímací prvek někdy postačí průmyslová barevná kamera, fotoaparát nebo fotodetektor. Velmi často je ale potřeba vysokorychlostní kamera. K vizualizaci využívají vědci standardní metody nebo zkoušejí poskládat známé techniky novým způsobem tak, aby dosáhli požadovaných výsledků. Laserové osvětlovací systémy jsou přitom jen částí vybavení, které se v laboratoři používá. „Je to zdroj světla, protože laser je unikátní v tom, že je velice výkonný, dá se volit a časovat tak, aby byl kontinuální nebo pulzní, a má přesně definovanou vlnovou délku využitelnou s kombinací různých optických filtrů. Pro některou aplikaci se hodí osvětlení laserovým světlem, pro jinou používáme klasickou LEDku nebo speciální zdroje světla — například sírové výbojky jako velice výkonný osvětlovač, když potřebujeme osvítit velkou plochu a získat vysokorychlostní záznamy kamer,“ říká Darina Jašíková s tím, že každá aplikace je unikátní a vyžaduje jedinečné sestavy metod pro získání potřebných dat.
Přínos pro nová řešení, snížení energetické náročnosti Z oblasti experimentální mechaniky tekutin členové laboratoře řešili projekty týkající se například interakce heterogenní kapaliny s pružnou stěnou, kdy byla vyhodnocována smyková napětí a impaktní tlaky při deformaci stěn kapalinou. V rámci této interakce byla vyhodnocena i závislost na hydrofobním charakteru povrchu a zpětné ovlivnění proudění, zejména ztrát v potrubí. Verifikace experimentem našla svoje uplatnění i v projektu zaměřeném na využití hydrofobních povrchů založených na principu plazmy a nanotechnologií. Propojením experimentů, počítačového modelování proudění a modální analýzy vznikl návrh nového řešení vodní turbíny s rozšířeným provozním rozsahem. Při těchto úkolech byla použita pokročilá experimentální technika Time Resolved PIV a impedanční počítačová tomografie. Experiment a zmíněné metody byly také využity pro finální ověření navrženého prototypu zařízení jako celku, tak i jednotlivých částí, tj. oběžných kol a savek. Snížení spotřeby energií a zvyšování čistoty prostředí bylo také ústředním motivem při návrhu modifikace povrchu majícího hydrofobní nebo olejofobní vlastnosti. Tyto vlastnosti nacházejí uplatnění při výrobě celé řady vodohospodářských výrobků (od nádrží po turbíny). Pro studium charakteru proudění v blízkosti povrchů nejvíce vyhověla do té doby málo uplatňovaná metoda mikroPIV, využívající mikroskopu jako optické soustavy. Při řešení tohoto projektu typicky vyvstala celá řada otázek z oblasti mikro- a nanosvěta. Mikrofluidické struktury jsou v kontextu makrosvěta tlusté jako lidský vlas, tj. kolem 100 μm. Na rozdíl od makroměřítka, kde při proudění tekutiny dominují setrvačné (objemové) síly a hybnost, v mikro- a nanoměřítku je chování velmi ovlivněno odporem kapaliny, povrchovými silami, interakcemi médií a dalšími efekty na molekulární úrovni. Nově nabyté poznatky o limitech vizualizačních a měřicích metod byly využity při návrhu monitorovacího systému pro sledování procesu elektrostatického zvlákňování na strojích Elmarco a vývoji doplňku OptoLab pro automatickou detekci poruch při zvlákňování. Přímým vykročením do oblasti mikrosvěta se stal projekt zaměřený na optimalizaci mikrofluidního dávkovacího systému pro přípravu nanovlákenných krytů ran. „Cílem aktuálního projektu je nalézt technické řešení s fluidním mikročipem pro přípravu lipidických částic s obsahem aktivních molekul léčiva. Projekt v sobě kombinuje nejen experimentální část, kdy prostřednictvím vizualizací ověřujeme funkčnost prototypu, ale také podstatu inženýrství, tj. tvorbu konstrukčního řešení s ohledem na použitý materiál, geometrie a jejich aplikaci,“ říká člen týmu Ing. Michal Kotek, Ph.D.
Zapojují se i studenti Laboratoř fyzikálních měření úzce spolupracuje se studenty a podílí se na výuce studentů fakulty mechatroniky, informatiky a mezioborových studií a fakulty zdravotnických studií. Pro studenty jsou každoročně vypisována témata závěrečných prací jak z oboru experimentální mechaniky tekutin, tak témata cílená na biomechaniku. Podle ředitele CxI profesora Miroslava Černíka je právě tato laboratoř dobrým příkladem zapojování vědců a jejich poznatků do výuky. „Studenti mají možnost seznámit se s nejnovějšími postupy a výsledky vědecké práce na univerzitě, samostatně experimentují a nacházejí vlastní zajímavá témata. Odpovídá to filozofii našeho výzkumného ústavu a přispívá určitě ke zkvalitnění výuky na fakultách,“ konstatuje profesor Černík. Jedním z témat je měření obtékání tělesa v aerodynamickém tunelu. Tělesem se rozumí lopatka, letecký profil nebo zmenšený model automobilu. Do vyhodnocovací oblasti — okénka aerodynamického tunelu — je umístěn zkoumaný předmět. Aerodynamický tunel je zařízení skládající se z trasy pro navedení a ustálení proudu vzduchu, řady voštinových struktur pro usměrnění proudění, ventilátorů a také sond tlakových odběrů pro sledování parametrů a přesnou regulaci proudění. Pro měření se nejčastěji používá metoda PIV. Ta je založena na pulsním laseru jako výkonném osvětlovači, digitální kameře, sadě optiky (objektivy, světelné filtry) a v neposlední řadě také hardwarových prostředcích (měřicí karty, počítač pro sběr a analýzu dat). Sledovaná oblast se nasvítí laserovým světlem formovaným do světelného řezu, který ozáří proudící tekutinu. Pro účely měření je tato tekutina nasycena stopovacími částicemi, tj. aerosol, mlha, kouř. Vědci potom pozorují, jak se tekutina v laserovém světle pohybuje, a celý proces snímá digitální kamera. Následně vyhodnotí pohyb částic a celé proudové pole v komplexním záběru. „Měřicí prostor je variabilní a přizpůsobujeme ho podle toho, jaký experiment probíhá. Jiné objektivy na kamerách a optické komponenty pro navádění a formování laserového svazku používáme například při měření charakteru proudění a odtrhových úhlů u leteckých profilů v aerodynamickém tunelu, než když jsme sledovali vygenerované proudění uvnitř světlometu automobilu, aby se snížilo zamlžování jeho vnitřní průhledné stěny,“ popisuje dr. Kotek.
Koketují s biomechanikou V poslední době dostává liberecká laboratoř zadání i z biomechaniky. Příkladem projektu z oblasti biomechaniky je biologický reaktor pro pěstování bakterií nebo třeba sledování proudění krve v krční tepně (karotidě) s patologickým nálezem. Realizace experimentů v laboratoři s sebou nese vždy určitý stupeň zjednodušení oproti reálné situaci. Při sledování proudění v karotidě je tělní oběh nahrazen hydraulickou soustavou hadiček, ventilů a srdce pumpou. Vše je pak synchronně řízeno generátory signálů a laboratorními zdroji. „Samotná céva je nahrazena transparentním silikonovým modelem. I přes tato zjednodušení výsledky měření a vizualizace poskytují cenná data, která nemohou být získána in vivo. Námětem pro další výzkum je také otázka, zda je možné z tvaru pulsové vlny na povrchu těla v konkrétních palpačních místech vytěžit diagnosticky hodnotnou informaci o stavu cévy, která vlnu nese. Zejména při výskytu stenózy nebo aneurysmatu,“ vysvětluje dr. Jašíková. Dodává, že prostřednictvím zpracování závěrečných prací se studenti seznámí jak s metodikou práce v laboratoři, novými měřicími metodami a postupy, ale získají také potřebný nadhled pro práci v praxi a řešení technických problémů.
Sprejová metoda Pro měření sprejů je využívaná metoda Interferometric Particle Imaging (IPI) založena na rozptylu laserového světla na jednotlivých částicích o velikosti od 200 do 500 m. Částice musí být kulové a průhledné. Laserové světlo částicí prochází a následně interferuje ze dvou bodů rozptylu z její přední a zadní strany. V dostatečné vzdálenosti od částice je umístěn snímač, na kterém se vytvoří tzv. interferenční obrazec. „Je to stejné, jako když interferují dva paprsky v podobě tmavších a světlejších rovnoběžných proužků. Z analýzy těchto proužků — z jejich tloušťky a z jejich počtu — dokážeme usoudit na velikost částice. Jsou na to složité matematické vzorce, které vycházejí z geometrie z různých úhlů a výpočtů. Jde o metodu, při které známe okamžitě výsledek. Přináší záznam v reálném prostředí za reálných podmínek a není potřeba částice zachytávat, zmrazovat a přenášet na následnou analýzu. I tato metoda má však své limity: kromě toho, že částice musí být kulové a transparentní, musí být také detekovatelné. To znamená, že musíme použít přiměřené množství spreje, aby se nevytvořil velký neprůhledný mrak, kterým by laserový paprsek neprošel a kamera by neměla co snímat. Pomocí speciálních kamer a laserů jsme schopni měřit i rychlosti tohoto spreje v řádu od milimetrů za sekundu až po stovky metrů za sekundu,“ přibližuje tuto metodu dr. Jašíková.
Mechanika tekutin zasahuje do všech oblastí S mechanikou tekutin se setkáváme ve většině procesů a dějů na tomto světě. „Jsou to velké elektrárny se svými turbínami a čerpadly, ale také dopravní průmysl, kde máte aerodynamiku nebo i zařízení na vstřikování paliva do motoru, výfukový systém, dále pak ventilace, klimatizace nebo rozvodné systémy ve strojích i v budovách, chlazení elektroniky, potrubní systémy a spoustu dalších věcí kolem nás v běžném životě. Řešíme ale i výměníky tepla nebo stratifikované nádoby, plazmatické generátory a další nestandardní aplikace,“ konstatuje Michal Kotek a připomíná také vícefázové systémy pro transport hmoty a různých médií nebo třeba interakci dvou kapalin v průmyslových aplikacích.
Výstupy mají konkrétní zaměření Aerodynamický tunel v laboratoři TUL má kvalitní parametry z hlediska turbulence a vířivosti. Jeho interiér je variabilní na různé experimenty a lze v něm obtékat objekty do rozměru několika centimetrů. I přes jeho malé rozměry ho vědci používají k reálným měřením. Nedávno to byly třeba lopatky hořáku bioelektrárny, kterými se mísí nasycený plyn (palivo) se vzduchem. Při měření větších objektů pak využívají tunely svých partnerů o rozměrech i několika metrů. Michal Kotek zdůrazňuje, že výstupy z laboratoře mají většinou konkrétní zaměření na optimalizaci určitého systému — ať partner potřebuje validovat své numerické výpočty, ověřit zlepšení geometrie svého produktu, nebo zjistit zlepšení vlastností povrchu po nanesení funkčních ultrahydrofobních či naopak hydrofilních povlaků. „Jedná se většinou o aplikovaný výzkum, kdy partneři za námi chodí se svými vlastními výrobky a zařízeními, kde k dalšímu zlepšení nutně potřebují dokonale popsat jejich chování, parametry a podmínky, za kterých jejich systémy pracují lépe. Bez kvalitních experimentálních dat se efektivní vývoj v současném světě provádí dost složitě,“ říká a zmiňuje příklady aplikací od partnerů a zákazníků. S tradiční českou firmou pro energetiku ČKD Blansko měřili proudění za oběžnými koly v turbínách. S partnery z automobilového průmyslu spolupracovali na vývoji trysek pro AdBlue v katalyzátorech, ale i moderních plošných ostřikovačů předních oken, spolupráce se Škoda Auto se mimo jiné zaměřila na zmapování průchodu dešťových kapek do sání motoru. „Auto jsme v laboratoři v Brně umístili do velkého aerodynamického tunelu, ve kterém byla rozstřikována vodní tříšť, v podstatě simulace jízdy v hustém dešti. Kombinací metod IPI a PIV jsme vyhodnocovali velikost vodních kapiček a sledovali jejich pohyb okolo vozidla i jejich průnik do otvoru pro sání vzduchu motoru,“ vysvětluje Michal Kotek.
Odstranění nežádoucích efektů Měření mechaniky tekutin přispívá k optimalizace systémů a odstranění nežádoucích efektů uvnitř náročnějších systémů. Například v klimatizaci nebo ve výměnících tepla, které obsahují membrány různých tvarů a tloušťky. V těchto různě umístěných a strukturovaných membránách kondenzuje voda, která venku zamrzá. Zákazníka proto zajímá, jak vhodně navrhnout tuto strukturu — šíři a tvar kanálků, aby se tomu zabránilo. Nebo třeba u míchacích procesů, kdy se jedná o tvar, velikost a vzdálenost lopatek míchacích turbín. Optimalizace designu lopatek míchadla a tvaru nádoby přispívá k výraznému snížení energetické náročnosti a zefektivnění procesu. „Když jsme měřili proces míchání, měřili jsme a porovnávali vzájemně několik různých typů míchadel. Získali jsme a zpracovali data a ta poskytli zákazníkovi. Ten se potom sám rozhodl, jaký typ mu pro jednotlivé aplikace nejvíce vyhovuje a jaké benef ity jednotlivých míchadel k danému účelu upřednostňuje. To my nerozhodujeme. Ale jsme dostatečně kompetentní, abychom sestavili kompletní experiment a vytěžili z něj maximální množství využitelných dat. Při zpracování použijeme vhodné vlastní analyzační postupy a následně předáme partnerovi potřebné výsledky,“ přibližuje dobře fungující spolupráci s průmyslem Michal Kotek.
Medicína — slibná oblast pro základní výzkum Na oddělení se nezapomíná ani na základní výzkum, který je důležitý i pro růst mladších vědeckých pracovníků, kteří by pokračovali v práci svých učitelů. V laboratoři vznikl ve spolupráci CxI a FM TUL v rámci vlastního pilotního projektu statický model hlasivek, ve kterém se měřilo proudění ve štěrbině geometricky odpovídající štěrbině v lidských hlasivkách. Vědci provedli řadu experimentů a numerických simulací. Získaná data v budoucnu pomohou lékařům a medicínským expertům najít cestu k umělým náhradám nefunkčních orgánů. Zajímavá je určitě výroba silikonových modelů karotidové bifurkace technologií rapid prototyping jako jedna z medicínských aplikací v rámci studentských závěrečných prací. Modely jsou zabudovány do hydraulického okruhu, který je zjednodušeným napodobením cévního řečiště. Sleduje se pulzatilní proudění bifurkací a vyhodnocuje interakce pulzací s pružnou stěnou a smykové napětí fantomové krve v blízkosti povrchu. „Oddělení fyzikálních měření je dlouhodobě úspěšné v řešení výzkumných projektů pokrývající problematiku jak základního, tak oblast aplikovaného i smluvního výzkumu. Aktivně se podílí na teoretické i praktické výuce studentů Technické univerzity v Liberci a zejména na výchově vědeckých pracovníků, z nichž mnozí aktivně a úspěšně pokračují v práci svých učitelů,“ uzavírá vedoucí oddělení fyzikálních měření profesor a emeritní děkan FM TUL Václav Kopecký.
/Jaroslava Kočárková/