Finał konkursu w siedzibie firmy w Hitachi Energy w Krakowie (fot. Katedra Techniki Cieplnej Politechniki Śląskiej)

Tomasz Duraziński i Krzysztof Kus, absolwenci Wydziału Mechaniczno-Energetycznego, a obecnie studenci Szkoły Doktorskiej PWr, zdobyli pierwsze dwie nagrody w ogólnopolskim konkursie prac magisterskich. Ich dyplomy doceniło jury złożone z naukowców oraz przedstawicieli przemysłu i firm softwarowych.

Konkurs od lat organizuje Katedra Techniki Cieplnej Politechniki Śląskiej wraz z partnerami przemysłowymi – firmami Hitachi Energy, MESco, SymKom oraz SBB Energy. Laureaci zyskują nagrody pieniężne, a pula tegorocznych wyniosła około 20 tys. zł.

Oceniane są najlepsze prace magisterskie dotyczące zastosowań metod obliczeniowych do symulacji procesów cieplno-przepływowych. Konkurs promuje w ten sposób osiągnięcia studentów w zastosowaniu technik obliczeniowych w szeroko rozumianej technice cieplnej.

Finał tegorocznej edycji zorganizowano w Krakowie. Laureaci pierwszego etapu konkursu prezentowali się przed jury, przedstawiając wyniki swoich badań i odpowiadając na pytania. Pod uwagę brano zarówno sposób prezentacji tematu, jak i jej przedstawienie w pracy magisterskiej.

Symulacje badań w mikrograwitacji

Za najlepszy uznano dyplom Tomasza Durazińskiego, absolwenta energetyki w języku angielskim (na specjalności Computer Aided Mechanical and Power Engineering) na Wydziale Mechaniczno-Energetycznym PWr.

Swoją pracę „Modeling of flow processes in pulsating heat pipes under microgravity conditions” napisał pod opieką promotora dr. hab. inż. Sławomira Pietrowicza, prof. uczelni.

Tomasz zajął się modelowaniem numerycznym przepływu wielofazowego w pulsacyjnej rurce ciepła w warunkach mikrograwitacji.

O tych rurkach mówi się, że mają „super właściwości”. To bardzo dobre przewodniki ciepła, dlatego są wykorzystywane w instalacjach chłodniczych, a o ich zastosowaniu myśli się także w kontekście inżynierii kosmicznej. Są bardzo cienkie i powyginane w kształt litery „U”, a ich wewnętrzny przekrój sprawia, że zachodzą w nich tzw. zjawiska kapilarne. Oznacza to, że powstające w środku bąbelki pary (tzw. czynnika roboczego, czyli np. wody, etanolu czy acetonu) wymuszają przepływ od części ciepłej do zimnej i dzieje się to w sposób pulsacyjny, czyli cykliczny. W ten sposób odbierają ciepło.

Ich niska masa, niewielkie rozmiary i duża elastyczność pod względem geometrii sprawiają, że możliwości ich wykorzystania są szerokie, a ich tematykę podejmuje wielu badaczy, w tym zespół Katedry Termodynamiki i Odnawialnych Źródeł Energii na PWr.

Student W9 skorzystał z wyników badań, które w 2020 r. na wieży zrzutów ZARM w Bremie przeprowadził dr inż. Andrzej Nowak, także z Wydziału Mechaniczno-Eneregtycznego PWr. Naukowiec identyfikował wtedy struktury przepływowe w pulsacyjnych rurkach ciepła w warunkach mikrograwitacji (badanie wykonał bez doprowadzania ciepła do instalacji, a zatem w tym przypadku bez przemiany fazowej).

Tomasz Duraziński przeprowadził symulacje numeryczne tych przepływów (m.in. stworzył mapę przepływową i określił wpływ siły przyspieszenia na rozpad pęcherzyków pary) i porównał je z wynikami badań dr. Nowaka (czyli danymi uzyskanymi dzięki pracy szybkiej kamery w eksperymencie i szczegółowo przeanalizowanymi przez badacza).

– Nie modelowałem całej struktury trójwymiarowej pęcherzyków, wykonałem modelowanie 2D – opowiada autor pracy. – Wyniki pokazały m.in. występowanie kropel cieczy, które przelatywały przez pęcherzyk w czasie zmiany kierunku przepływu, a także powstawanie języków cieczy, które skutkowały rozpadem pęcherzyków. W symulacjach widoczne były także asymetryczny ogon pęcherzyka pary oraz różne reżimy przepływu dla określonych prędkości. A zatem symulacja pokazała występowanie tych samych charakterystyk przepływów, jakie zaobserwowano w czasie badania w ZARM.

Poprzez takie jakościowe porównanie wyników badań numerycznych i doświadczalnych student udowodnił, że modelowanie numeryczne może w bardzo dobry sposób odwzorować struktury, jakie są obserwowane w eksperymencie.

– Co oznacza, że tego typu symulacje mogą służyć do przewidywania takich przepływów – podkreśla Tomasz.

Autor nagrodzonego dyplomu pracuje obecnie nad doktoratem, w którym rozwija tę tematykę. Do swoich symulacji dodaje m.in. kwestie związane z przemianą fazową, modelując odparowanie pęcherzyków cieczy i zachowanie struktur parowych. Obecnie czeka na wyniki konkursu w programie grantowym, z którego finansowanie pozwoli na zbudowanie specjalnego stanowiska badawczego.

Wymienniki ciepła o strukturze komórkowej

Drugą nagrodę w konkursie zdobył Krzysztof Kus, także absolwent energetyki w j. angielskim na specjalności Computer Aided Mechanical and Power Engineering.

Swoją pracę „Investigation of the gyroid lattice type heat exchanger with respect to heat performance” napisał pod opieką promotora dr. hab. inż. Ziemowita Malechy, prof. uczelni z Katedry Kriogeniki i Inżynierii Lotniczej.

Pracując nad dyplomem, wykonał szereg numerycznych analiz cieplno-przepływowych, które pozwoliły mu zaprojektować wymiennik ciepła nowej generacji oparty na strukturze gyroidu.

– To jeden z rodzajów struktur należących do grupy Triply Periodic Minimal Surface, skomplikowanych i periodycznych geometrii przypominających nieco komórki organiczne – opowiada. – Zaprojektowany przeze mnie wymiennik został wydrukowany ze stali nierdzewnej w technologii Laser Powder Bed Fusion i porównany eksperymentalnie z tradycyjnym wymiennikiem, czyli wymiennikiem płytowym. Pokazało to, że opracowałem wymiennik o objętości o 30 proc. mniejszej niż w przypadku tradycyjnego rozwiązania i o tej samej powierzchni wymiany ciepła.

Jak wskazuje Krzysztof, pomimo znaczącej redukcji gabarytów wymiennik gyroidalny ma też średnio o 5 proc. większą efektywność temperaturową i średnio o 11 proc. większe wartości NTU (czyli parametru opisującego skuteczność wymiany ciepła). 

– Głównym walorem mojej pracy jest właśnie udowodnienie, że wymienniki ciepła oparte na strukturach komórkowych mogą znacząco przewyższyć osiągami najlepsze spośród klasycznych rozwiązań i znaleźć zastosowania wszędzie tam, gdzie istotne są ograniczenie masy i rozmiarów, np. w szeroko rozumianej branży lotniczej i kosmicznej czy motosporcie.

Na podstawie pracy magisterskiej Krzysztofa powstał także artykuł naukowy (który nasz absolwent napisał wspólnie z Marcinem Wójcikiem z Sieci Badawczej Łukasiewicz - Instytutu Lotnictwa, prof. Ziemowitem Malechą i dr. hab. inż. Zbigniewem Rogalą z Politechniki Wrocławskiej). Tekst „Numerical and experimental investigation of the gyroid heat exchanger” opublikował prestiżowy „International Journal of Heat and Mass Transfer”.

W październiku Krzysztof zacznie studia doktoranckie na PWr. – W swojej pracy zajmę się także modelowaniem numerycznym, ale przyjrzę się innym zjawiskom: awariom infrastruktury kriogenicznej. Doktorat będę pisał pod opieką profesorów Jarosława Polińskiego i Ziemowita Malechy.

***

Prace dyplomowe oceniali naukowcy Politechnik: Śląskiej, Krakowskiej, Częstochowskiej i Gdańskiej, AGH oraz specjaliści z firm MESco i Hitachi Energy.

Absolwent PWr po raz drugi zwyciężył w tym konkursie. W 2022 r. pierwsze miejsce zajął Marcin Opalski, także z W9.

lucy