Vícefázová hydrodynamika
Reologie vícefázových systémů
Mikrobiální biotechnologie
Tato oblast výzkumu je zaměřená na využití mikroorganismů v různých technologiích. Výzkum je zaměřen především na jednobuněčné eukaryotní řasy a cyanobakterie, dále pracujeme s bakteriemi a kvasinkami. Těžiště výzkumu leží ve využití těchto mikroorganismů v environmentálních a potravinářských aplikacích. Nedílnou součástí je optimalizace a scale-up kultivačního procesu včetně vývoje fotobioreaktorů, optimalizace separačních procesů a inovace down-stream procesů, přičemž jsou zužitkovány poznatky získané ze základního výzkumu vícefázové hydrodynamiky.
Mikro-reaktorové technologie
Další témata výzkumu:
- Hydromechanické interakce částic v granulárních systémech
- Separace řasové biomasy pomocí elektrokoagulace
- Elektrodifúzní diagnostika proudění a smykových napětí na stěně
- Využití nanočástic pro zvýšení účinnosti teplosměnných kapalin
- Numerické simulace vícefázových toků
Revize elektrodifuzní teorie pro měření smykového napětí na stěně
Účinnost přenosu hmoty a energie mezi pevnou stěnou a okolní tekutinou zásadně ovlivňuje
smykové napětí na stěně. Získat informace o prostorových změnách rychlosti pomocí experimentálních měření v blízkosti stěny však není triviální záležitost. Neschopnost klasických technik popsat dynamiku tekutin v blízkosti stěny vedla v minulosti k vývoji skupiny neinvazivních metod, mezi které patří i elektrodifuzní metoda. Aby měřená data byla správně interpretována, je nutné použít správnou teorii schopnou propojit měřený elektrický proud s požadovaným výsledkem ve formě velikosti vektoru smykové rychlosti. Právě zobecněním klasické Lévêquevo teorie, která se běžně používá pro interpretaci dat získaných pomocí elektrodifuzní metody, se zabývá článek docenta Jaromíra Havlici. Daná publikace vyšla v prestižním chemicko-inženýrském časopise International Journal of Heat and Mass Transfer a to ve spolupráci s Univerzitou Jana Evangelisty Purkyně v Ústí nad Labem a Univerzitou Gustava Eiffela ve Francii v rámci projektu zaměřeného na detekci karcinogenních buněk v průtočných mikro-zařízeních s modifikovanými povrchy.
Cílem této práce bylo zobecnit elektrodifuzní teorii pro měření smykového napětí na stěně pomocí elektrod obdélníkového tvaru. Dané zobecnění teorie spočívalo v zavedení předpokladu existence dvou složek smykové rychlosti proudění v blízkosti stěny (tj. axiální a příčné). Obecné analytické vzorce pro efektivní délku přenosu hmoty a bezrozměrný koeficient přenosu hmoty byly odvozeny jako funkce dvou parametrů: bezrozměrného úhlu směru toku kapaliny vzhledem k přední hraně elektrody a poměru stran mezi šířkou a délkou obdélníkové elektrody. Správnost analytických vztahů pro libovolný směr toku a poměr stran elektrody byla potvrzena numerickým řešením konvekčně-difuzní transportní rovnice. Bylo také prokázáno, že rozdíly mezi Lévêquevým řešením (klasická teorie) a námi odvozeným obecným analytickým vzorcem může vykazovat významnou odchylku pro určitý rozsah parametrů. V případě trojrozměrných mezních vrstev má kromě velikosti smykového napětí na stěně zásadní význam směr proudění tekutiny v blízkosti stěny. Proto byla navržena metodika měření využívající dvě sondy s různými poměry stran, na základě které lze získat obě tyto veličiny. Rovněž byly odvozeny výsledné rovnice potřebné pro kvantifikaci velikosti vektoru smykové rychlosti na stěně a bezrozměrného úhlu toku kapaliny.
J. Havlica, D. Kramolis, F. Huchet, A revisit of the electro-diffusional theory for the wall shear stress measurement, International Journal of Heat and Mass Transfer, 2021, 165, 120610. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.120610
Zobecněné Lévêqueho řešení pro výpočet bezrozměrného koeficientu přenosu hmoty pro obdélníkovou elektrodu jako funkce bezrozměrného úhlu směru toku kapaliny a poměru stran elektrody .
Rozpad bublin v turbulentním proudění
Cílem výzkumu je experimentální studium rozpadu bublin v dobře charakterizovaném turbulentním proudění. Z naměřených rozsáhlých souborů dat rozpadů bubliny pro různé intenzity turbulence získáváme charakteristiky, které jsou nezbytné pro validaci teoretických modelů používaných při numerických simulacích vícefázových systémů.
Experimenty jsou prováděny dvěma nezávislými způsoby: (i) rozpad bubliny v cele s homogenní turbulencí a (ii) rozpad bubliny po kolizi s toroidním vírem. Experimenty jsou založeny na vysokorychlostním záznamu rozpadu bubliny a na spolehlivém určení energie způsobující rozpad bubliny. 
Důležitými výsledky jsou experimentální data rozpadových parametrů ve formě, ve které se vyskytují v populačních bilancích: frekvence rozpadu bubliny, průměrný počet dcer a distribuce jejich velikosti v závislosti na Webrově čísle, které charakterizuje poměr turbulentní energie systému a povrchové energie bubliny. V rámci výzkumu byl také vytvořen model binárního rozpadu fluidní částice (bubliny nebo kapky), jenž i přes zjednodušené tvarové deformace částice umožňuje vysvětlit fyzikální podstatu rozdílů v distribuci velikosti bublin a distribuci velikosti kapek.Chemical Engineering & Technology 2019, 42, 843-850. DOI: 10.1002/ceat.201800607
AIChE Journal 2018, 64, 740-757. DOI: 10.1002/aic.15935
Topical Problems of Fluid Mechanics 2017, pp. 337-342. DOI: 10.14311/tpfm.2017.042
Elektrokoagulační jednotka na separaci řasové biomasy
Chlorella vulgaris je jednobuněčná mikrořasa s rozsáhlým aktuálním využitím v oblasti lidské výživy a krmiv, zdravotnictví, kosmetického průmyslu a s potenciálním využitím k produkci biopaliv. Jedním z úskalí praktických aplikací je nízká finální koncentrace biomasy při autotrofní kultivaci této mikrořasy, která vede k vysokým nákladům na separaci buněk z kultivačního média a tím k prodražení celého procesu produkce. Separace buněk mikrořas z velkého objemu suspenze se v současné době většinou provádí především pomocí centrifugace, která je značně energeticky náročná. Bylo zjištěno, že náklady na sklízení mikrořasy Chlorella vulgaris pomocí centrifugace mohou tvořit více než pětinu celkové ceny produktu. Z tohoto důvodu jsme v rámci projektu TAČR Zéta TJ 01000297 vyvinuli průtočné elektrokoagulační zařízení, které sníží náklady na separaci biomasy až o 90%. Zařízení je chráněno užitným vzorem č. 33022.Užitný vzor: Elektrokoagulační zařízení pro separaci řasové biomasy. 2019. ENVU-PUR, s.r.o. Ústav chemických procesů AV ČR, v. v. i., Ústav pro hydrodynamiku AV ČR, v. v. i., 23.07.2019. 33022.
Bioresource Technology. 2019, 286, 121352. DOI: 10.1016/j.biortech.2019.121352
Fermentation. 2018, 4(4), 93. DOI: 10.3390/fermentation4040093
Identifikace hydrodynamických režimů v třífázové probublávané koloně
V práci jsou unikátním způsobem kombinované experimenty mapující hydrodynamické režimy v třífázovém systému (plyn-kapalina-pevná fáze) s teoretickým modelováním založeném na jednoduchých fyzikálních konceptech pro dvoufázové toky. Z důvodu intenzifikace procesů v třífázových reaktorech a s cílem vytvoření modelů pro predikci hydrodynamického chování těchto systémů byl studován vliv koncentrace porézních částic užívaných průmyslově jako nosič katalyzátorů, přičemž byl reaktor vybaven distributorem produkujícím režimy od homogenního až po heterogenní tokový režim. U všech sledovaných režimů byla prokázána aplikovatelnost původně dvoufázových modelů i pro popis třífázových systémů. Přítomnost částic způsobuje destabilizaci homogenního režimu na heterogenní, zejména ve vysokých koncentracích. Jedná se o původní práci vytvořenou na ÚCHP a publikovanou v prestižním časopise v oblasti chemického inženýrství. Jde se o výsledek intenzivní mezinárodní spolupráce s prof. Akio Tomiyamou z Japonska, který je celosvětově uznávaný odborník v oblasti studia vícefázových systémů.Chemical Engineering Journal 2018, 351, 799-815. DOI: 10.1016/j.cej.2018.06.115