Aerodynamická laboratoř v Novém Kníně

Aerodynamická laboratoř v Novém Kníně je významným detašovaným pracovištěm Ústavu termomechaniky AV ČR. Unikátnost laboratoře spočívá nejen v originalitě zázemí, v jejím technickém vybavení, ale i ve výzkumném zaměření. Výsledky výzkumu přispívají k rozvoji moderního strojírenství a k řešení problémů životního prostředí.

Aerodynamická laboratoř se začala budovat před 45 lety. Během těchto let byla modernizována, vybavována novými experimentálními zařízeními, kterými bylo dosaženo řady významných výsledků, které získaly mezinárodní uznání a znamenaly podstatný přínos pro náš průmysl. Součástí nynějšího technického zázemí jsou tři laboratoře: Laboratoř vnitřních proudění, Laboratoř sdílení tepla a hmoty a Laboratoř aerodynamiky prostředí.

Laboratoř aerodynamiky prostředí¹⁾

Zdejší výzkum je zaměřen na studium dějů, které probíhají v mezní vrstvě atmosféry. V laboratoři byl vybudován aerodynamický tunel, ve kterém jsou v rámci základního výzkumu studovány procesy, které probíhají při proudění a přenosu antropogenních látek atmosférou. Zde navrhované metody výzkumu jsou aplikovány na řešení problematiky znečištění ovzduší, při studiu účinků havárií nebo teroristických útoků spojených s únikem nebezpečných látek.

Základní výzkum byl řešen např. v rámci mezinárodních projektů COST či projektů GA AV ČR a GA ČR. Metody jsou nově použity i při řešení projektu TA ČR.

Laboratoř vnitřních proudění²⁾

Kvalitní návrh tvarů lopatek a ostatních průtočných částí lopatkových strojů (například parních turbín, kompresorů nebo leteckých motorů) je jedním z rozhodujících činitelů pro kvalitní přeměnu tepelné energie na energii mechanickou.

Je snadné si představit úsporu, které bude dosaženo například modernizací, která zahrnuje i optimalizaci aerodynamických tvarů průtočných částí obou dvou turbosoustrojí 1000 MW v Jaderné elektrárně Temelín: aniž by se zvýšila spotřeba jaderného paliva, výkon jednoho bloku se zvýší na 1050 MW.

K takovéto optimalizaci přispívají i výsledky experimentů naší Laboratoře vnitřních proudění, která se zabývá základním i aplikovaným výzkumem proudění stlačitelné vazké tekutiny v rozsahu od podzvukových rychlostí až do rychlostí dosahujících dvojnásobku rychlosti zvuku.

Vedle řady aerodynamických tunelů je pracoviště vybaveno i unikátním Machovým-Zehnderovým interferometrem.

Obrázek 2 zachycuje proudové pole v profilové mříži, které je zviditelněné barevnou šlírovou metodou. Tato profilová mříž představuje model patního řezu oběžného lopatkového kola posledního stupně parní turbíny velkého výkonu, navrženou plzeňskou firmou Škoda Power, s. r. o. Vidíme stav proudového pole při nenávrhových podmínkách obtékání modelu. Veliký kladný úhel náběhu (30°) způsobuje vznik odtržení proudu na podtlakových stranách profilů (A). Za mříží vidíme mj. systém výstupních rázových vln (B) a úplavů (C).

Laboratoř sdílení tepla a hmoty³⁾

Zkušenosti ukazují, že prvním a velmi účinným krokem experimentální mechaniky tekutin je vizualizace proudového pole.

Obr. 3 ukazuje vírovou řadu v horkém vzduchu za ochlazovaným válcem. Procesy vytváření vírů souvisejí s kmitáním obtékaných těles a jsou často zdrojem vibrací a hluku. Z minulosti jsou známé havárie mostů, chladicích věží i velkých kompresorů v elektrárnách. Každého překvapí, jak mohl být výzkum vlivu teplot na frekvenci úplavu ještě donedávna zanedbáván (Trávníček Z., Wang A.‑B., doi: 10.1007/s12206-011-0619-1).

Obr. 4 ukazuje vizualizaci proudu vzduchu, aktivně řízeného tzv. syntetizovanými proudy. Jsou to tekutinové proudy, generované z pulzací tekutiny, která je vyfukována a vzápětí opět nasávána vhodným otvorem. Možnosti využití jsou především v tzv. aktivním řízení proudových a teplotních polí (vnější i vnitřní aerodynamika, chlazení elektroniky nebo lopatek plynových turbin, směšování v chemických reaktorech, miniaturní elektromechanické systémy MEMS ap.). Hlavní výsledky byly publikovány v renomovaných časopisech a patentovány na Tchaj-wanu i v USA (Trávníček Z. a kol., doi: 10.1007/s12206-011-0619-1)

Uvedené výzkumy podporuje GA AV ČR projektem IAA 200760801.