Ústav pro hydrodynamiku AV ČR , v. v. i.

Ústav pro hydrodynamiku AV ČR, v. v. i., byl založen v r. 1953 původně jako Laboratoř pro vodní hospodářství, později v r. 1958 přejmenován na Ústav pro hydrodynamiku ČSAV. Po celou dobu je součástí Akademie věd (dříve Československé akademie věd, nyní Akademie věd České republiky).

Těžiště vědecké náplně se postupně profilovalo s ohledem jak na rozvoj výpočetní a experimentální techniky, tak na společenskou významnost odborných problematik. Od původního – výrazně hydraulického – pojetí (ovlivňovaného např. budováním vltavské kaskády a dalších říčních projektů) vykrystalizovala v současnosti odborná náplň ústavu do řešení úloh v následujících tematických okruzích:

• chování nenewtonských látek, hydrodynamické procesy v kapalných a disperzních systémech (v rámci vědeckého oddělení mechaniky tekutin a disperzních soustav);
• hydrologie srážko-odtokových procesů, transportní jevy v hydrosféře a ochrana životního prostředí (v rámci vědeckého oddělení hydrologie a životního prostředí).

V dalším uvedeme tematiku řešenou jednotlivými výzkumnými týmy s tím, že výčet pro nedostatek místa nemůže být úplný.

Zdaleka ne všechny kapaliny projevují newtonské chování, tedy chování obdobné tomu, které vykazuje např. voda (pro tu viskozita závisí pouze na tlaku a teplotě). Oblast zabývající se nenewtonským chováním (velmi zhruba řečeno: viskozita nezávisí pouze na tlaku a teplotě, ale i na kinematice toku) se nazývá reologie. Její dopad je velmi výrazný v mnoha průmyslových odvětvích, uveďme alespoň potravinářství, kosmetologii, plastikářství, gumárenství. Ústav se intenzivně zabývá tokovými vlastnostmi vybraných nenewtonských materiálů, a to jak po stránce experimentální (reometrické; laboratoř reometrie je autorizována k výkonu úředního měření viskozity newtonských kapalin a nenewtonských tekutin), tak po stránce teoretické. Zde lze uvést např. následující problematiky:

• Popis chování toku nenewtonských látek (bilanční rovnice, okrajové a počáteční podmínky) je vždy zapotřebí zúplnit tzv. konstitutivním vztahem vyjadřujícím reologickou ‚podstatu‘ zkoumané látky. V tomto ohledu se výzkum zaměřuje jak na prohlubování klasického určování empirických modelů (např. pro nemonotónní průběh viskozity v závislosti na napětí či rychlosti deformace) tak na odvozování nových fyzikálně založených konstitutivních vztahů či podrobné srovnávání vztahů literárně dostupných.
• Nepatrný přídavek určité látky do vody způsobuje zajímavý jev při turbulentním proudění v potrubí. Dochází k podstatné redukci tlakových ztrát (až 80%), což znamená úsporu energie při čerpání vody, anebo na druhé straně při stejném výkonu možnost zvýšení čerpaného objemu vody. Zabývali jsme se výzkumem těch povrchově aktivních látek (surfaktantů), které jsou schopné snížit tření vody i při teplotách používaných v otopných systémech. Výzkum byl zaměřen na měření turbulentních charakteristik proudění, rychlostních profilů proudící kapaliny, tlakových ztrát při použití různých aditivů, jejich trvanlivosti, vlivu koncentrace, změnu přestupu tepla ve vodě vlivem aditiva a dalšími s tím souvisejícími otázkami. Snížení tření při proudění teplonosných médií může být totiž významným prostředkem pro řešení energetických úspor jak v průmyslu tak při vytápění obydlí.
• V oblasti potravinářství a kosmetologie je důraz kladen na reologické charakteristiky a texturní vlastnosti emulzí typu olej-voda, resp.voda-olej; psychoreologii vícefázových emulzních systémů zkoumající vztahy mezi komplexními reologickými parametry, stanovenými instrumentální reologickou analýzou a texturními ukazateli, stanovenými senzoricky; optimalizaci reologických vlastností produktů z hlediska spotřebitele, tj. zvyšování užitných vlastností a inovaci (např. roztíratelnost tuků, kosmetických krémů, mastí, rtěnek, vytlačování zubních past z tuby apod.).

V oblasti hydrodynamických procesů v kapalných a disperzních systémech se řeší následující problematika:

• Turbulentní proudění je velice komplikovaný jev, při kterém dochází k rychlým změnám tlaku a rychlosti, kdy vznikající vírové struktury vzájemně interagují nebo se rozpadají, až v konečné fázi se jejich původní mechanická energie přeměňuje na teplo. Tato disipace energie je pak příčinou např. vyšších ztrát při turbulentním proudění ve srovnání s laminárním prouděním. Pro objasnění turbulentního proudění jsou nezbytné přesné experimentální metody, protože v současné době není možné zcela vyřešit turbulentní proudění numerickými metodami, a to ani za pomoci nejvýkonnějších počítačových systémů. V ústavu se pro měření turbulentních charakteristik používají moderní experimentální optoelektronické a ultrazvukové metody umožňující velmi detailní popis turbulentního proudění.
• Vznik specifických vírových struktur doprovází přechod „uspořádaného“ laminárního režimu proudění do „neuspořádaného“ turbulentního režimu proudění, který je v praxi mimořádně významný, např. pro intenzifikaci transportních procesů. Přestože pojem „vír“ je každému intuitivně dobře srozumitelný, je překvapivě špatně uchopitelný exaktními fyzikálně-matematickými prostředky. Ústav se zabývá identifikací vírových struktur, neboť v této oblasti existuje mnoho ne zcela uspokojivě zodpovězených otázek. Jde např. o obecně platné vymezení oblasti (hranice) víru v tekutině na kinematické či dynamické bázi, vzájemnou interakci vírů, interakci víru se silným smykovým prouděním, stanovení lokální intenzity víru v bodě, určení osy víru, vliv stlačitelnosti a proměnlivé hustoty tekutiny, volbu referenčního systému pozorovatele v kinematicky složitých případech proudění apod.
• Pro dopravu sypkých materiálů je možno použít řadu dopravních systémů, jedním z možných řešení je použití hydraulické dopravy, kdy je sypký materiál (horniny, písky, popílky, kaolíny, aj.) dopravován v uzavřeném potrubí pomocí nosného média, zpravidla jde o vodu. Pozornost se zaměřuje na možnosti dopravy vysoce koncentrovaných hydrosměsí. Vzhledem k tomu, že doprava takovýchto zahuštěných suspenzí vyžaduje značné energetické nároky, jsou úspěšně hledány způsoby, jak tuto náročnost snižovat. Ústav je vybaven řadou experimentálních zařízení umožňujících popis hydraulické dopravy v širokém spektru měřených parametrů.
• Velká část povrchových zdrojů surové vody sloužící jako zdroje pro výrobu pitné vody je poměrně značně zatížena znečišťujícími příměsemi a v posledních letech také sezonním výskytem vodního květu (sinic, zelených řas). Specifické složení některých látek obsažených ve vodě, obzvláště pak látek produkovaných sinicemi a řasami (makromolekulární organické látky s převahou proteinů a polysacharidů), způsobuje značné problémy stávajícím technologiím úpravy vody. Dochází k nárůstu dávek chemikálií potřebných k úpravě, snižuje se účinnost celého procesu, zkracují se filtrační cykly a v neposlední řadě se také prodražuje provoz úpraven. S ohledem na tyto skutečnosti je výzkum v oblasti úpravy vody orientován na objasnění mechanismů uplatňujících se při odstraňování organických látek produkovaných sinicemi a řasami, na optimalizaci těchto procesů a také na vývoj takových technologických postupů, které dokáží negativní působení těchto látek eliminovat. V rámci výzkumu byly objasněny některé procesy interakcí organických látek a chemických činidel, vliv těchto látek na účinnost úpravy vody atd. Na základě teoretických poznatků byly navrženy některé technologické postupy umožňující zefektivnění procesů úpravy vody. Jde například o proces tvorby separovatelných agregátů znečišťujících příměsí v prostředí vysokých intenzit míchání pro jednostupňovou a dvoustupňovou úpravu vody.

V oblasti hydrologie srážko-odtokových procesů a transportních jevů v hydrosféře a ochraně životního prostředí je řešena následující tematika:

• K popisu hydrologického cyklu v povodí a s ním souvisejících hledisek je používáno matematické modelování ve formě hydrologických modelů. Jde zejména o srážko-dtokové modelování, kdy na základě měřených meteorologických veličin a známých charakteristik povodí je simulován odtok vody z povodí, tedy zejména velikost průtoků, zátopové plochy, rychlosti proudění v korytě a rovněž kvalita odtékající vody. Matematické modelování odtokového procesu též umožňuje zkoumat následky změn v povodí. V současné době jsou analyzovány především možné dopady tolik diskutované klimatické změny nebo změn hospodaření. Jde např. o odlesňování či rozvíjející se zástavbu. Zjištěné skutečnosti (nárůst povodňových průtoků, nebo naopak zvýšené riziko výskytu sucha) nacházejí uplatnění kupříkladu při plánování protipovodňové ochrany či nových rezerv zdrojů pitné vody pro budoucnost.
• malých experimentálních povodích v horskýchExperimentální výzkum probíhá přímo v terénu v „přírodních laboratořích“, tedy pramenných oblastech České republiky. Jde zejména o povodí na Šumavě, v Jizerských horách a v Krkonoších. Povodí jsou vybavena pro kontinuální sledování vybraných hydrometeorologických, hydrologických a geochemických parametrů. Experimentálně založený výzkum je zaměřen hlavně na hlubší kvantitativní a kvalitativní pochopení procesů rozhodujících o intenzitě přenosu vody a látek v blízkosti zemského povrchu ve vybraných pramenných oblastech v podmínkách měnícího se životního prostředí na odpovídajících úrovních časového a prostorového měřítka. Pozornost je věnována jak kvantitativnímu vyhodnocení vodní bilance, tak hodnocení stavu a vývoje bilance látkové.

Pracovní kapacita ústavu čítá zhruba 60 zaměstnanců. Po všeobecné krizi v devadesátých letech týkající se nástupu mladých odborných pracovníků do vědeckých institucí se stav postupně výrazně konsolidoval, takže v dnešní době tvoří v ústavu podíl odborných a vědeckých pracovníků do 35 let zhruba jednu třetinu. Výsledky dosažené samostatně či ve spolupráci s domácími či zahraničními kolegy publikují pracovníci ústavu pravidelně v prestižních mezinárodních časopisech a prezentují na významných mezinárodních konferencích. Ústav každoročně pořádá či se spolupodílí na organizování vědeckých konferencí.