| Základní výzkum je zaměřen na hlubší objasnění fyzikální podstaty jevů, které se uplatňují při trassonickém a supersonickém proudění v lopatkových mřížích axiálních i radiálních.
V rámci tohoto výzkumu byl vůbec poprvé popsán vývoj soustavy čelních rázových vln a jejich účinky na další vývoj proudění v lopatkové mříži [1]. Měření bylo provedeno na lopatkové mříži složené ze symetrických dvoukruhových profilů a jeho výsledky (viz Obr. níže) se staly etalonovým měřením pro validaci numerických metod nejen u nás, ale i v zahraničí. Tato měření byla potvrzena také rychlostní kamerou, která umožnila zachytit přes interferometr i rozběh supersonického proudění v mříži (Obr. vpravo). citace[1] Dvořák R.: On the development and structure of transonic flow in cascades, IUTAM Symposium Transsonicum II, Göttingen, 1975, Springer Verlag, Berlin, pp. 297–305. |
 Interferogram supersonického obtékání lopatkové mříže osového kompresoru. |
 Vývoj soustavy uzavíracích a čelních rázových vln v lopatkové mříži. Bílým tečkováním je vyznačena zvuková čára,jako hranice místní supersonické oblasti. Čísla v horním levém rohu vyznačují hodnotu vstupního Machova čísla. |
|
Od začátku sedmdesátých let minulého století se řešila problematika optimalizace aerodynamického návrhu transsonické lopatkové mříže, a to jak teoreticky, tak i experimentálně [1] (Obr. výše vpravo). Proto byl podrobně sledován vznik a vývoj rázových vln v okolí náběžné a odtokové hrany, interakce rázových vln s mezní vrstvou a rázových vln mezi sebou včetně např. zeslabování intenzity rázové vlny expanzní oblastí. Tyto výsledky byly užity při optimalizaci návrhu špičkové turbínové rotorové mříže pro podnik ŠKODA. Zde se podařilo jenom úpravou náběžné hrany lopatky 1077 mm pro turbíny 500 MW a 1000 MW snížit ztráty v návrhovém bodě, tj. M2is ~ 1,8, o téměř 30% [2].
Za čtyřicet let provozu tunelu na lopatkové mříže bylo detailně promeřeno téměř 100 lopatkových mříží turbínového i kompresorového typu. Byla získána řada nových, původních poznatků o transsonickém a supersonickém proudění v těchto mřížích a byla vypracována zcela původní metodika měření mříží v transsonické oblasti. Laboratoř se stala jednou z prvních laboratoří na světě, v níž se podařilo proměřit lopatkové mříže při M1 ~ 1.
Rozsáhlý experimentální výzkum zahrnoval i detailní proměření velkého množství profilů turbínových mříží posledních stupňů velkých parních turbín v rozsahu 0.3 < M1 < 0,9, M2is ~ 1,95. Jenom podrobný aerodynamický výzkum posledního stupně parní turbíny 1000 MW představuje téměř tisíc zpracovaných výsledků optických měření. Převážná část archivu interferogramů a šlírových obrázků je v Ústavu termomechaniky k dispozici v elektronické formě [3]. Podrobně byly také proměřeny turbínové rotorové mříže při extrémních úhlech náběhu (Obr. níže vpravo), což ukázalo mimo jiné i na možnost obrácení smyslu výsledné aerodynamické síly na lopatku v důsledku odtržení proudu na její podtlakové straně (viz Obr. vpravo výše i níže).
citace[1] Dvořák R., Maršík F., Šafařík P.: On the aerodynamic optimization of turbine cascades, In: Proceedings, Conference on Steam Turbines for Nuclear Power Plants, Plzen, 1979.
[2] Dvořák R., Šafařík P.: Aerodynamic research of tip sections of last stage rotor blades for steam turbines of large output, Proceedings IME, 1979, Paper C185/79, pp. 315–326. [3] Luxa M., Koubová E., Šafařík P.: Obrazy proudových polí v turbínových lopatkových mřížích, Vol.1 a 2, ÚT AVČR, Z 1382/06, Praha, 2006. |
 Turbínová mříž při extrémních úhlech náběhu. Na interferogramech je patrné výrazné odtržení na náběžné hraně.
 Změna efektivní geometrie kanálu v důsledku odtržení, která má za následek změnu smyslu výsledné aerodynamické síly i vznik lokální supersonické oblasti zakončené rázovou vlnou. |
Vůbec poprvé byl realizován experimentální aerodynamický výzkum transsonických lopatkových mříží pro radilální dostředivé turbíny (Obr. vpravo). Jelikož se jedná o lopatkové mříže velmi malé štíhlosti, bylo nutno uvažovat všechny trojrozměrné jevy. Pro tento výzkum bylo rovněž třeba zpracovat celou metodiku měření a jeho vyhodnocování a ověřit i možnost optických měření [1].
citace[1] Luxa M., Dvořák R., Šimurda D., Vimmr J.: Pneumatic Measurements Downstream of a Radial Turbine Nozzle Cascade. Journal of Thermal Science, 2010, Roč. 19, č. 1, s. 42-46. ISSN 1003-2169. |
 Šlírový obraz proudění ve statorové mříži radiální turbíny. |
| Významnou problematikou, kterou se laboratoř dlouhodobě zabývá, je systematický výzkum transsonického a supersonického proudění v relativně úzkých kanálech, jakými jsou např. difuzory odstředivých kompresorů, nebo lopatkové mříže radiálních turbín.
Proudění je v nich trojrozměrné s výrazným vlivem aerodynamického ucpání, silně ovlivněné vazkostí, trojrozměrným odtržením a sekundárním prouděním [1], [2], [3], [4], [5]. Jedním ze stěžejních úkolů bylo studium přechodu supersonického proudění na proudění subsonické v těchto kanálech, který často probíhá v tzv. pseudorázové vlně. Experimentálně byl sledován její vznik a vývoj. Na obr. výše vpravo je zobrazena pseudorázová vlna, která v úzkém kanále nahrazuje rázovou vlnu uzavírající místní nadzvukovou oblast na zakřivené stěně [6], [7]. citace[1] Dvořák R.: Secondary flow effects on flow separation in closed, curved and relatively narrow channels, In: Seminar Topical Problems in Fluid Mechanics 2002, IT CAS Prague, 20 Febr. 2002. [2] Dvořák R.: Vortices and vortical structures in internal aerodynamics Journal of Thermal Sciences, Vol.6 (1996), No 2, pp.86-89. [3] Dvořák R.: Separation in high speed internal flows, In: Engineering Mechanics 2001, Svratka, 14.-17.5.2001, Proceedings, pp.64-65 (abstract), full text on CD. [4] Dvořák R.: Secondary Flow Effects in Relatively Narrow Channels, In: Aerothermodynamics of Internal Flows VI, Proccedings 6 ISAIF, Shanghai,Vol.1, pp.39 – 44. [5] Dvořák R.: Threedimensional effects in transonic channel flows In: 2 ISAIF, Prague, Proceedings, Vol.1, pp.205-210. [6] Dvořák R.: Přechod supersonického proudění na proudění subsonické v uzavřených kanálech, Strojnícky časopis, Vol. 39, 1985, No. 5, pp. 529–540. [7] Dvořák R.: Supersonic-subsonic Transition in Relatively Narrow Channels, Journal of Thermal Science, Vol.9, 2000, No. 4, pp. 311–315, 292. |
 Pseudorázová vlna (soustava rázových vln) v kanále šířky 10 mm. |
| Od roku 1960 se oddělení Dynamiky plynů zabývalo teoretickým i experimentálním výzkumem nestacionárního transsonického proudění a výzkumem vzniku a důsledků tzv. transsonické nestability [1], [2].
Experimentální část tohoto výzkumu byla realizována v Laboratoři vnitřních proudění v Novém Kníně [3], [4], [5]. Aerodynamický tunel na lopatkové mříže byl upraven tak, aby umožňoval symetrické transsonické obtékání izolovaného profilu (NACA0012 a symetrický dvoukruhový 18% profil) a aby na něm bylo možno sledovat postupné vytváření uzavírací rázové vlny a její stabilitu vůči poruchám přicházejícím z úplavu. Pohyb rázové vlny na profilu byl sledován podélnou štěrbinou v masce nad průzorem pomocí rozmítací rychlostní kamery [3]. Bylo rovněž vyšetřováno šíření poruch proti proudu, popř. kolem profilu, subsonickou oblastí mezní vrstvy [5] a možnosti potlačení jejich vlivu přehradami na náběžné, popř. odtokové hraně profilu. V návaznosti na výzkum transsonického obtékání tupých odtokových hran byl pro k.p. ŠKODA Plzeň proveden rozsáhlý experimentální výzkum vhodného tvaru dna kuželek velkých regulačních ventilů [6] (Obr. nahoře a uprostřed). Navíc, díky pružně uložené kuželce, bylo možno sledovat i vznik nestacionarit a budících sil při transsonickém proudění ve ventilu [7]. Pro vývoj transsonického a supersonického proudění v uzavřených kanálech a dýzách je důležitá znalost proudění v bezprostředním okolí kritického průřezu, zejména průběhu a polohy zvukové čáry. Experimentálně se mimo jiné prokázalo, že se zde nerovnoměrný rychlostní profil vyrovnává a pošinovací tloušťka mezní vrstvy na stěnách se výrazně zmenšuje (Obr. níže). citace[1] Dvořák R.: On the unsteady boundary layer-shock wave interaction in the lower transonic region, Arch.mec.stosowanej, Vol.16, No 2, pp.211-222.
[2] Dvořák R.: Transsonické proudění, Academia, Praha, 1986. [3] Vlček V.: Some experimental results connected with transonic instabilities on airfoils Strojnícky časopis , Vol.29, No 3, pp.342-354. [4] Maršík F.: Upstream propagation of wake-generated disturbances in the lower transonic region, Strojnícky časopis , Vol.29, No 2, pp.202-220. [5] Maršík F., Vlček V.: Influence of flow separation on transonic instability In: Separated Flows and Jets, IUTAM Symposium, Novosibirsk, 1990, pp.397-401. [6] Dvořák R., Šafařík P., Vlček V.: The flow past a supersonic trailing edge in transonic turbine cascades, Strojnícky časopis, Vol. 29, 1978, No. 3, pp. 260–269. [7] Vlček V., Dobiáš I.: Self-excited vibration of plugs in regulating valves, ASME Paper 92-GT-51, 1992. |
 Interferogram proudění v okolí kritického průřezu. |
V aerodynamické laboratoři se prováděla i řada dalších měření, která mají charakter základního výzkumu. Bylo postaveno zařízení (Obr. výše vpravo) umožňující současně provádět dynamická a optická (např. interferometrická) měření na modelu se dvěma stupni volnosti (např. u kmitajícího profilu rotace kolem jeho osy a posuv ve směru kolmém ke směru proudu) (Obr. níže vlevo a vpravo).
citace[1] Vlček V.: Some experimental results connected with transonic instabilities on airfoils Strojnícky časopis , Vol.29, No 3, pp.342-354. |
 Uspořádání experimentu s kmitajícím profilem. |
 |
 |
| Šlírový obraz (vlevo) a interferogram obtékání kmitajícího profilu při M=0,4. |
|
|
V laboratoři vnitřních proudění je prováděn základní výzkum proudění v minikanálech. Z teoretických studií vyplývá, že proudění v úzkých kanálech je v mnoha aspektech odlišné od proudění kanály makroskopických rozměrů, tj. kanály s charakteristickým rozměrem v centimetrech. Se zmenšujícími se rozměry se začínají projevovat faktory, jako je drsnost povrchu, hustota a stlačitelnost tekutiny, takovým způsobem, který doposud nebyl dostatečně prozkoumán. Znalost povrchového tření nebo součinitele povrchového tření nabývá velké důležitosti při výpočtech hydraulických i tepelných ztrát v zařízeních, jako jsou tepelné výměníky, jednotky pro dělení vzduchu a odsolovací zařízení.
Měření jsou prováděna s využitím modulárního aerodynamického tunelu a měřicího zařízení umožňujícího použití optických i pneumatických metod.
citace[1] Luxa M., Dvořák R., Šimurda D., Vimmr J.: Gas flow in constant area minichannels. In: Proseedings, 10th International Symposium on Experimental and Computational Aerothermodynamics of Internal Flows - ISAIF 10, pp. 52–58, Vrije Universiteit Brussel, 2011.
[2] Hála J., Šafařík P., Hyhlík T., Luxa M., Šimurda D.: Řešení průtoku vazké stlačitelné tekutiny minikanálem. In Ježek, J.; Nožička, J.; Adamec, J.; Šafařík, P. (ed.). Fluid mechanics and thermodynamics - Proceedings of Students' Work in the Year 2011/2012, pp. 37-50, Praha: Gradient, 2012.
|
 Interferogram oblasti výstupu z minikanálu při tlakovém poměru 0,374.
|
© 2008 – 2015 Ústav termomechaniky AV ČR, v. v. i. 
