Marcin Opalski – aktualnie doktorant na Politechnice Wrocławskiej – zwyciężył w ogólnopolskim konkursie prac magisterskich dotyczących zastosowania metod obliczeniowych. Swój dyplom obronił na Wydziale Mechaniczno-Energetycznym.

Konkurs od 2006 r. organizuje Katedra Techniki Cieplnej Politechniki Śląskiej pod auspicjami Komitetu Termodynamiki i Spalania Polskiej Akademii Nauk. Fundatorami nagród są firmy z branży cieplnej i firmy softwarowe: Hitachi Energy, Symkom, MESco i SBB ENERGY.

Organizatorzy chcą w ten sposób promować osiągnięcia studentów w zastosowaniu technik obliczeniowych w szeroko rozumianej technice cieplnej. Jak podkreślają, metody te pozwalają na znaczące zmniejszenie kosztów wytwarzania nowych produktów i skrócenie czasu przygotowania procesu technologicznego.

„Połączenie technik symulacji i optymalizacji jest tanim sposobem obniżenia materiałochłonności konstrukcji i znajdowania najlepszych warunków eksploatacji urządzeń. Właściwie stosowane techniki obliczeniowe pozwalają także zwiększyć bezpieczeństwo personelu i obniżyć niekorzystny wpływ procesu na środowisko. Wszystko to powoduje, że narzędzia obliczeniowe odgrywają coraz większą rolę w pracy inżyniera” – zaznaczają.

Obliczenia przemian w wyjątkowych rurkach

Marcin Opalski w swojej pracy magisterskiej zajął się analizą numeryczną przepływu wielofazowego uwzględniającego przemianę fazową w pulsacyjnej rurce ciepła (PHP, ang. pulsating heat pipe). Dyplom przygotował pod okiem dr. hab. inż. Sławomira Pietrowicza, prof. uczelni z Katedry Termodynamiki i Odnawialnych Źródeł Energii na Wydziale Mechaniczno-Energetycznym.

– Modelowanie numeryczne wykorzystywałem w celu zredukowania kosztów wynikających z konieczności budowy prototypu. Pozwoliło mi także porównać i zoptymalizować rozważane przypadki np. geometrii badanego urządzenia – tłumaczy autor.

W pracy opisał zasadę działania pulsacyjnej rurki ciepła. Ruch oscylujących w jej wnętrzu bąbli parowych jest wymuszony przez różnice temperatur między częścią ogrzewaną a chłodzoną.

– PHP jest o wiele bardziej wydajna od swojego klasycznego odpowiednika, który możemy znaleźć np. w naszych komputerach osobistych – opowiada doktorant. – Transfer energii cieplnej jest w nich oparty na przemianie fazowej czynnika roboczego pochłaniającej ciepło. W przypadku pulsacyjnej rurki ciepła jest rozszerzony o zintensyfikowaną konwekcję wynikającą z ruchu bąbli parowych wewnątrz rurki oraz dyfuzji cieplnej fazy ciekłej w obszarze, gdzie odbierane jest ciepło. Charakter pracy pulsacyjnych rurek pozwala osiągnąć opory cieplne rzędu stukrotnie mniejszych w porównaniu do konwencjonalnych odpowiedników.

Student zbadał wpływ różnych modeli transferu masy. Udowodnił, że porównywane modele nie tylko mają bezpośredni wpływ na intensywność przemiany fazowej, ale także na generowane struktury przepływu.

– Odpowiednie zamodelowanie struktur przepływu, a uściślając: filmu cieczowego, jest kluczowe w prawidłowym prognozowaniu strumieni ciepła wynikających z dyfuzji cieplnej i wnikania ciepła, które jest znacznie intensywniejsze dla cieczy niż dla gazu – podkreśla.

W swojej pracy wykorzystał oprogramowanie OpenFOAM, które pozwala na swobodną modyfikację kodu źródłowego, umożliwiając lepsze zrozumienie natury modelowanych procesów zachodzących w symulacji. Obliczenia przeprowadził przy pomocy politechnicznego superkomputera Bem. Trwały one trzy miesiące.

– Wyniki zweryfikowałem w oparciu o eksperyment, porównując prędkości oscylacji, kształt warstwy przyściennej, kąt menisku bąbla parowego i jego rozrywanie – dodaje autor. – Moja praca pozwoliła wyznaczyć najbardziej optymalny model transferu masy przemiany fazowej i była pierwszą pracą na świecie, która uwzględniała dyskretny transfer cieplny uwzględniający turbulencję w oprogramowaniu OpenFOAM.

Pulsacyjne rurki ciepła w kosmosie?

Jak podkreśla Marcin Opalski, analizy naukowe na polu modelowania PHP są kluczowe do przyszłych aplikacji pulsacyjnych rurek ciepła w przemyśle kosmicznym, ponieważ ich właściwości pozwalają na pracę w warunkach zerowej i hipergrawitacji.

– Modele o wysokiej zbieżności pozwalają na redukcję awaryjności i wzrost niezawodności, co jest kluczowe w aspekcie wyboru technologii w zastosowaniach kosmicznych. Pozwalają na uniknięcie budowy kosztownego prototypu oraz porównanie i zoptymalizowanie rozważanych przypadków, np. geometrii badanego urządzenia – dodaje laureat konkursu.

Marcin Opalski jest absolwentem kierunku Computer Aided Power and Mechanical Engeering. Studenci zdobywają na nim umiejętności w zakresie metod numerycznych dla szerokiego zakresu zastosowań w energetyce i mechanice i budowie maszyn. Potrafią wykonywać złożone symulacje cieplno-przepływowe z wykorzystaniem komercyjnego i niekomercyjnego oprogramowania, sztucznej inteligencji i konwencjonalnego podejścia do rozwiązywania problemów energetycznych.

Obecnie laureat nagrody jest doktorantem w Szkole Doktorskiej PWr. Kontynuuje prace nad  pulsacyjnymi rurkami ciepła pod kątem modelowania numerycznego oraz prowadzi eksperymentalne badania ich pracy w warunkach kriogenicznych. Realizuje podwójny doktorat w programie Cotutelle na Université Paris-Saclay, która jest najlepszą uczelnią we Francji według Listy Szanghajskiej.

lucy