Témakiírások
Az anizotróp turbulencia hatásainak kísérleti és elméleti vizsgálata
témakiírás címe
Az anizotróp turbulencia hatásainak kísérleti és elméleti vizsgálata
intézmény
doktori iskola
témakiíró
tudományág
témakiírás leírása
Korábban kutatást végeztünk szélcsatornában egy új típusú és robosztus, félig aktív sugárrács általgenerált turbulencia jellemzésére. A vizsgált rács rugalmas csövekkel van ellátva, mint mozgó elemek, amelyek rögzített, szabályos rács csomópontokban elhelyezett csőcsatlakozásokhoz vannak rögzítve. Ezeket a rugalmas csöveket a szélcsatorna légáram fő irányára ellentétesen helyeztük el, ahol a cső mozgását a fő áramlás és a csövekből kilépő légsugarak közötti többféle kölcsönhatás szabályozza, ami kaotikus sebesség-ingadozást és magas turbulencia-intenzitást eredményez a vizsgálati szakaszban. A rács utáni légáramlás turbulens tulajdonságait passzív és aktív módban egyaránt hődrótos áramlásmérő segítségével mértük. A rács aktiválása jelentősen megnöveli a turbulencia intenzitását, a turbulens kinetikus energiát, valamint a Taylor és Reynolds számot is. Ezenkívül a turbulens energiaspektrum tehetetlenségi alrendszere szélesebbé válik, és a hálózat aktív állapota esetén szorosan követi Kolmogorov -5/3 törvényét. Ezek az eredmények azt mutatják, hogy a fejlett félig aktív rács, szemben a passzív rendszerekkel, magas turbulencia intenzitási szintet képes előállítani, még kisebb belépő sebesség mellett is. Ezen felül aktív módban a turbulencia homogenitása és izotrópia jelentősen megnőtt.
A félig aktív sugárrács kutatása mellett egy másik típusú turbulencia rácsot fejlesztettünk ki és kísérletileg is vizsgáltuk. Ez a rács párhuzamos, rugalmas függőleges irányban elhelyezett fémszalagokat tartalmaz (ebben az esetben hiányoznak a merőleges rácselemek). A rács síkja merőleges a szélcsatorna fő áramlására, miközben az egyes szalagok síkja párhuzamos a rács passzív módjában levő főárammal. A szalagokat egyenként és azonos feszítő erővel állítjuk üzembe. Az áramlás gerjesztése eredményeként a szalagok elfordulnak. A rezgés a rács szilárdsági arányának gyors változásait okozza, ami számos turbulencia tulajdonság jelentős növekedését idézi elő. Mivel a rezgések csak egy függőleges tengely körül jönnek létre, a kialakuló turbulencia erősen anizotróp hatású a rács közelében.
A kutatás célja az anizotróp turbulencia intenzitások, azaz a Reynolds-féle feszültség eloszlás és az energia-spektrumok kísérleti vizsgálata egy rácsban, anizotróp turbulens légáramot generálva. A sebesség eloszlása és a turbulens intenzitások vizsgálata mellett a PhD munka egyik fő célkitűzése az anizotrop turbulencia Kármán-féle energia-spektrumának mérése, amely az elérhető irodalomban való hiányosságok kiegészítésére és kutatására irányul. Elméleti szempontból ismert, hogy Monin tanulmányt végzett a Kármán-Howarth-féle izotróp főfeszültség egyenletének anizotrop kiterjesztésére és általánosítására. A tervezett új kísérleti munka szilárd kísérleti hátteret kíván biztosítani a Monin-féle egyenlet fizikai helyességének és érvényességének igazolására és validálására, amely egy új elméleti alapokon történő megértését és felfogását eredményezheti az anizotróp turbulencia főbb kérdéseinek. Mivel az anizotróp energia-spektrumok várhatóan eltérő viselkedést fognak mutatnak, mint az izotróp Kolmogorov spektrumok, ezért az új kísérleti eredmények új anizotróp- és a műszaki gyakorlatban alkalmazható turbulencia modellek kifejlesztéséhez járulhatnak hozzá, amelyek felhasználhatók valós ipari alkalmazásokhoz. A Miskolcon végzett új kísérleti munka alapján az elméleti kutatásokat a Cranfield Egyetemmel együttműködve kívánjuk folytatni.
Kutatási feltételek
• A téma kutatásához szükséges szélcsatorna, CTA, PIV és termovíziós mérőeszközök a mérési eredmények validálására rendelkezésre állnak, valamint további számítások elvégzésére az ANSYS-FLUENT programrendszer biztosítja a hátteret.
Téma ipari háttere
A kutatás alapkutatás jellegű, de számos ipari alkalmazása lehet a későbbiekben, minden olyan esetben, amikor az áramlás turbulenciájának fontos szerepe van (pl. keverők).
Külföldi részképzés:
A téma kutatását a tanszék a Cranfieldi Egyetemmel közösen végzi, amely a Ph.D. doktori képzés során lehetőséget biztosít a doktorandusz hallgatóknak részképzés keretében bekapcsolódni az ott folyó kutatásokba is.
További elvárások:
Nyelvtudás: a szakirodalom tanulmányozásához elengedhetetlen angol nyelv megfelelő ismerete
Előtanulmányok: jó, vagy jeles MSc képzésben szerzett gépészmérnöki/energetikai mérnöki oklevél; energetikai és gépészeti ismeretek; kutatás-releváns számítógépes programok ismerete
Ajánlott irodalom a kutatómunkához:
SZASZÁK, N., ROLOFF, C., BORDÁS, R., BENCS, P., SZABÓ, S., & THÉVENIN, D. (2018). A NOVEL TYPE OF SEMI-ACTIVE JET TURBULENCE GRID. HELIYON, 4(12), E01026.
LÁSZLÓ KÖNÖZSY: A NEW HYPOTHESIS ON THE ANISOTROPIC REYNOLDS STRESS TENSOR FOR TURBULENT FLOWS, VOLUME I: THEORETICAL BACKGROUND AND DEVELOPMENT OF AN ANISOTROPIC HYBRID K-OMEGA SHEAR-STRESS TRANSPORT/STOCHASTIC TURBULENCE MODEL, FLUID MECHANICS AND ITS APPLICATIONS SERIES, VOLUME 120, SPRINGER INTERNATIONAL PUBLISHING, SPRINGER NATURE, SWITZERLAND, 2019.
M.LESIEUR: TURBULENCE IN FLUIDS SECOND REVISED EDITION, KLUWER ACADEMIC PUBLISHERS (1995)
STEPHEN B. POPE: TURBULENT FLOWS. CAMBRIDGE, CAMBRIDGE UNIVERSITY PRESS (2000)
JEAN MATHIEU, JULIAN SCOTT: AN INTRODUCTION TO TURBULENT FLOW. CAMBRIDGE, CAMBRIDGE UNIVERSITY PRESS (2000)
SZASZÁK NORBERT: EXPERIMENTAL CHARACTERIZATION OF A COST-EFFECTIVE ACTIVE GRID FOR TURBULENCE GENERATION, DIPLOMA THESIS, MAGDEBURG, 2011, 1-87.
HYUNG SUK KANG, STUART CHESTER AND CHARLES MENEVEAU (2003). DECAYING TURBULENCE IN AN ACTIVE-GRID-GENERATED FLOW AND COMPARISONS WITH LARGE-EDDY SIMULATION, JOURNAL FLUID MECH. VOL. 480, PP. 129–160.
NICOLAS MORDANT: EXPERIMENTAL HIGH REYNOLDS NUMBER TURBULENCE WITH AN ACTIVE GRID, (HTTP://NICOLAS.MORDANT.FREE.FR/FREE/BIBLIOGRAPHY_FILES/AJPMORDANT.PDF)
LÁSZLÓ BARANYI, SZILÁRD SZABÓ, BETTI BOLLÓ, RÓBERT BORDÁS: ANALYSIS OF LOW REYNOLDS NUMBER FLOW AROUND A HEATED CIRCULAR CYLINDER, JOURNAL OF MECHANICAL SCIENCE AND TECHNOLOGY 23 (2009) 1829-1834, SPRINGER,
SZ. SZABÓ, A. JUHÁSZ: MESSUNG DER GESCHWINDIGKEITSVERTEILUNG IN GROßEN STRÖMUNGSQUERSCHNITTEN, VGB POWERTECH 7/2003, 51-56. ISSN 1435-3199.
SZ SZABÓ, JUHÁSZ ANDRÁS, LIPTAI ZOLTÁN: HŐDRÓTOS MÉRÉSTECHNIKA ALKALMAZÁSA ÁRAMLÁSI SEBESSÉGTÉR HOMOGENIZÁLÁSÁHOZ, OGÉT 2005 XIII. NEMZETKÖZI GÉPÉSZ TALÁLKOZÓ. SZATMÁRNÉMETI, ROMÁNIA, 2005.04.28-2005.05.01., KOLOZSVÁR: ERDÉLYI MAGYAR MŰSZAKI TUDOMÁNYOS TÁRSASÁG, PP. 227-230.(ISBN:973 7840 03 8)
P. BENCS, SZ. SZABÓ, R. BORDÁS, D. THÉVENIN, K. ZÄHRINGER AND B. WUNDERLICH: INVESTIGATION OF THE VELOCITY (PIV) AND TEMPERATURE FIELD (BOS) OF A HEATED CYLINDER IN A LOW RE-NUMBER FLOW, IN ISFV14 - 14TH INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON FLOW VISUALIZATION. EDS. KYUNG CHUN KIM, SANG JOON LEE, DEOG HEE DOH AND HEUY DONG KIM, 2010. EXCO, DAEGU, KOREA. P. 234/1-234/8, ISBN 978-89-964504
P. BENCS, R. BORDÁS, K. ZÄHRINGER, SZ. SZABÓ, D. THÉVENIN: APPLICATION OF SCHLIEREN MEASUREMENT TECHNIQUE FOR FORCED CONVECTION FROM A HEATED CIRCULAR CYLINDER, 7TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON MECHANICAL ENGINEERING 2010, BUDAPEST, HUNGARY, NO. E. 203-208. ISBN 978-963-313-007-0
BENCS, P., BORDÁS, R., SZABÓ, SZ., THÉVENIN, D.: HŐMÉRSÉKLETMEZŐ MEGJELENÍTÉSE BOS MÉRÉSTECHNIKÁVAL, DOKTORANDUSZOK FÓRUMA, GÉPÉSZMÉRNÖKI ÉS INFORMATIKAI KAR SZEKCIÓKIADVÁNYA, 2010, MISKOLC, HUNGARY, P. 13-18.
BENCS, P., TÓBIÁS, P., SZABÓ, SZ., BORDÁS, R., ZÄHRINGER K., THÉVENIN, D.: DEVELOPMENT OF A PIV-BOS TECHNIQUE FOR SIMULTANEOUS MEASUREMENT OF VELOCITY AND TEMPERATURE FIELD, MICRO CAD INTERNATIONAL COMPUTER SCIENCE CONF. KIADVÁNYA, 2011, NO.D, MISKOLC, HUNGARY (2011), PP. 7-12.
P. BENCS, R. BORDÁS, K. ZÄHRINGER, SZ. SZABÓ, D. THÉVENIN: FŰTÖTT RÚD KÖRÜLI KÉNYSZERKONVEKCIÓ MÉRÉSE, MŰSZAKI MAGAZIN 2011/3, 58-62
BENCS, P., SZABÓ, SZ., BORDÁS, R., ZÄHRINGER K., THÉVENIN, D.: SIMULTANEOUS MEASUREMENT OF VELOCITY AND TEMPERATURE DOWNSTREAM OF A HEATED CYLINDER, ASME 2011 PRESSURE VESSELS AND PIPING CONFERENCE, SYMPOSIUM ON OPERATIONS AND MAINTENANCE OF PRESSURE VESSELS, HEAT EXCHANGERS, AND STRUCTURES. BALTIMORE, (2011), ON CD ROM, PP. 1-6, PAPER NO. PVP2011-57789.
BENCS, P., SZABÓ, SZ., BORDÁS, R., ZÄHRINGER K., THÉVENIN, D.: SYNCHRONIZATION OF PARTICLE IMAGE VELOCIMETRY AND BACKGROUND ORIENTED SCHLIEREN MEASUREMENT TECHNIQUES, PROC. THE 8TH PACIFIC SYMPOSIUM ON FLOW VISUALIZATION AND IMAGE PROCESSING, MOSCOW, RUSSIA (2011), ON CD ROM, PP. 1-6, PAPER NO. 003
A félig aktív sugárrács kutatása mellett egy másik típusú turbulencia rácsot fejlesztettünk ki és kísérletileg is vizsgáltuk. Ez a rács párhuzamos, rugalmas függőleges irányban elhelyezett fémszalagokat tartalmaz (ebben az esetben hiányoznak a merőleges rácselemek). A rács síkja merőleges a szélcsatorna fő áramlására, miközben az egyes szalagok síkja párhuzamos a rács passzív módjában levő főárammal. A szalagokat egyenként és azonos feszítő erővel állítjuk üzembe. Az áramlás gerjesztése eredményeként a szalagok elfordulnak. A rezgés a rács szilárdsági arányának gyors változásait okozza, ami számos turbulencia tulajdonság jelentős növekedését idézi elő. Mivel a rezgések csak egy függőleges tengely körül jönnek létre, a kialakuló turbulencia erősen anizotróp hatású a rács közelében.
A kutatás célja az anizotróp turbulencia intenzitások, azaz a Reynolds-féle feszültség eloszlás és az energia-spektrumok kísérleti vizsgálata egy rácsban, anizotróp turbulens légáramot generálva. A sebesség eloszlása és a turbulens intenzitások vizsgálata mellett a PhD munka egyik fő célkitűzése az anizotrop turbulencia Kármán-féle energia-spektrumának mérése, amely az elérhető irodalomban való hiányosságok kiegészítésére és kutatására irányul. Elméleti szempontból ismert, hogy Monin tanulmányt végzett a Kármán-Howarth-féle izotróp főfeszültség egyenletének anizotrop kiterjesztésére és általánosítására. A tervezett új kísérleti munka szilárd kísérleti hátteret kíván biztosítani a Monin-féle egyenlet fizikai helyességének és érvényességének igazolására és validálására, amely egy új elméleti alapokon történő megértését és felfogását eredményezheti az anizotróp turbulencia főbb kérdéseinek. Mivel az anizotróp energia-spektrumok várhatóan eltérő viselkedést fognak mutatnak, mint az izotróp Kolmogorov spektrumok, ezért az új kísérleti eredmények új anizotróp- és a műszaki gyakorlatban alkalmazható turbulencia modellek kifejlesztéséhez járulhatnak hozzá, amelyek felhasználhatók valós ipari alkalmazásokhoz. A Miskolcon végzett új kísérleti munka alapján az elméleti kutatásokat a Cranfield Egyetemmel együttműködve kívánjuk folytatni.
Kutatási feltételek
• A téma kutatásához szükséges szélcsatorna, CTA, PIV és termovíziós mérőeszközök a mérési eredmények validálására rendelkezésre állnak, valamint további számítások elvégzésére az ANSYS-FLUENT programrendszer biztosítja a hátteret.
Téma ipari háttere
A kutatás alapkutatás jellegű, de számos ipari alkalmazása lehet a későbbiekben, minden olyan esetben, amikor az áramlás turbulenciájának fontos szerepe van (pl. keverők).
Külföldi részképzés:
A téma kutatását a tanszék a Cranfieldi Egyetemmel közösen végzi, amely a Ph.D. doktori képzés során lehetőséget biztosít a doktorandusz hallgatóknak részképzés keretében bekapcsolódni az ott folyó kutatásokba is.
További elvárások:
Nyelvtudás: a szakirodalom tanulmányozásához elengedhetetlen angol nyelv megfelelő ismerete
Előtanulmányok: jó, vagy jeles MSc képzésben szerzett gépészmérnöki/energetikai mérnöki oklevél; energetikai és gépészeti ismeretek; kutatás-releváns számítógépes programok ismerete
Ajánlott irodalom a kutatómunkához:
SZASZÁK, N., ROLOFF, C., BORDÁS, R., BENCS, P., SZABÓ, S., & THÉVENIN, D. (2018). A NOVEL TYPE OF SEMI-ACTIVE JET TURBULENCE GRID. HELIYON, 4(12), E01026.
LÁSZLÓ KÖNÖZSY: A NEW HYPOTHESIS ON THE ANISOTROPIC REYNOLDS STRESS TENSOR FOR TURBULENT FLOWS, VOLUME I: THEORETICAL BACKGROUND AND DEVELOPMENT OF AN ANISOTROPIC HYBRID K-OMEGA SHEAR-STRESS TRANSPORT/STOCHASTIC TURBULENCE MODEL, FLUID MECHANICS AND ITS APPLICATIONS SERIES, VOLUME 120, SPRINGER INTERNATIONAL PUBLISHING, SPRINGER NATURE, SWITZERLAND, 2019.
M.LESIEUR: TURBULENCE IN FLUIDS SECOND REVISED EDITION, KLUWER ACADEMIC PUBLISHERS (1995)
STEPHEN B. POPE: TURBULENT FLOWS. CAMBRIDGE, CAMBRIDGE UNIVERSITY PRESS (2000)
JEAN MATHIEU, JULIAN SCOTT: AN INTRODUCTION TO TURBULENT FLOW. CAMBRIDGE, CAMBRIDGE UNIVERSITY PRESS (2000)
SZASZÁK NORBERT: EXPERIMENTAL CHARACTERIZATION OF A COST-EFFECTIVE ACTIVE GRID FOR TURBULENCE GENERATION, DIPLOMA THESIS, MAGDEBURG, 2011, 1-87.
HYUNG SUK KANG, STUART CHESTER AND CHARLES MENEVEAU (2003). DECAYING TURBULENCE IN AN ACTIVE-GRID-GENERATED FLOW AND COMPARISONS WITH LARGE-EDDY SIMULATION, JOURNAL FLUID MECH. VOL. 480, PP. 129–160.
NICOLAS MORDANT: EXPERIMENTAL HIGH REYNOLDS NUMBER TURBULENCE WITH AN ACTIVE GRID, (HTTP://NICOLAS.MORDANT.FREE.FR/FREE/BIBLIOGRAPHY_FILES/AJPMORDANT.PDF)
LÁSZLÓ BARANYI, SZILÁRD SZABÓ, BETTI BOLLÓ, RÓBERT BORDÁS: ANALYSIS OF LOW REYNOLDS NUMBER FLOW AROUND A HEATED CIRCULAR CYLINDER, JOURNAL OF MECHANICAL SCIENCE AND TECHNOLOGY 23 (2009) 1829-1834, SPRINGER,
SZ. SZABÓ, A. JUHÁSZ: MESSUNG DER GESCHWINDIGKEITSVERTEILUNG IN GROßEN STRÖMUNGSQUERSCHNITTEN, VGB POWERTECH 7/2003, 51-56. ISSN 1435-3199.
SZ SZABÓ, JUHÁSZ ANDRÁS, LIPTAI ZOLTÁN: HŐDRÓTOS MÉRÉSTECHNIKA ALKALMAZÁSA ÁRAMLÁSI SEBESSÉGTÉR HOMOGENIZÁLÁSÁHOZ, OGÉT 2005 XIII. NEMZETKÖZI GÉPÉSZ TALÁLKOZÓ. SZATMÁRNÉMETI, ROMÁNIA, 2005.04.28-2005.05.01., KOLOZSVÁR: ERDÉLYI MAGYAR MŰSZAKI TUDOMÁNYOS TÁRSASÁG, PP. 227-230.(ISBN:973 7840 03 8)
P. BENCS, SZ. SZABÓ, R. BORDÁS, D. THÉVENIN, K. ZÄHRINGER AND B. WUNDERLICH: INVESTIGATION OF THE VELOCITY (PIV) AND TEMPERATURE FIELD (BOS) OF A HEATED CYLINDER IN A LOW RE-NUMBER FLOW, IN ISFV14 - 14TH INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON FLOW VISUALIZATION. EDS. KYUNG CHUN KIM, SANG JOON LEE, DEOG HEE DOH AND HEUY DONG KIM, 2010. EXCO, DAEGU, KOREA. P. 234/1-234/8, ISBN 978-89-964504
P. BENCS, R. BORDÁS, K. ZÄHRINGER, SZ. SZABÓ, D. THÉVENIN: APPLICATION OF SCHLIEREN MEASUREMENT TECHNIQUE FOR FORCED CONVECTION FROM A HEATED CIRCULAR CYLINDER, 7TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON MECHANICAL ENGINEERING 2010, BUDAPEST, HUNGARY, NO. E. 203-208. ISBN 978-963-313-007-0
BENCS, P., BORDÁS, R., SZABÓ, SZ., THÉVENIN, D.: HŐMÉRSÉKLETMEZŐ MEGJELENÍTÉSE BOS MÉRÉSTECHNIKÁVAL, DOKTORANDUSZOK FÓRUMA, GÉPÉSZMÉRNÖKI ÉS INFORMATIKAI KAR SZEKCIÓKIADVÁNYA, 2010, MISKOLC, HUNGARY, P. 13-18.
BENCS, P., TÓBIÁS, P., SZABÓ, SZ., BORDÁS, R., ZÄHRINGER K., THÉVENIN, D.: DEVELOPMENT OF A PIV-BOS TECHNIQUE FOR SIMULTANEOUS MEASUREMENT OF VELOCITY AND TEMPERATURE FIELD, MICRO CAD INTERNATIONAL COMPUTER SCIENCE CONF. KIADVÁNYA, 2011, NO.D, MISKOLC, HUNGARY (2011), PP. 7-12.
P. BENCS, R. BORDÁS, K. ZÄHRINGER, SZ. SZABÓ, D. THÉVENIN: FŰTÖTT RÚD KÖRÜLI KÉNYSZERKONVEKCIÓ MÉRÉSE, MŰSZAKI MAGAZIN 2011/3, 58-62
BENCS, P., SZABÓ, SZ., BORDÁS, R., ZÄHRINGER K., THÉVENIN, D.: SIMULTANEOUS MEASUREMENT OF VELOCITY AND TEMPERATURE DOWNSTREAM OF A HEATED CYLINDER, ASME 2011 PRESSURE VESSELS AND PIPING CONFERENCE, SYMPOSIUM ON OPERATIONS AND MAINTENANCE OF PRESSURE VESSELS, HEAT EXCHANGERS, AND STRUCTURES. BALTIMORE, (2011), ON CD ROM, PP. 1-6, PAPER NO. PVP2011-57789.
BENCS, P., SZABÓ, SZ., BORDÁS, R., ZÄHRINGER K., THÉVENIN, D.: SYNCHRONIZATION OF PARTICLE IMAGE VELOCIMETRY AND BACKGROUND ORIENTED SCHLIEREN MEASUREMENT TECHNIQUES, PROC. THE 8TH PACIFIC SYMPOSIUM ON FLOW VISUALIZATION AND IMAGE PROCESSING, MOSCOW, RUSSIA (2011), ON CD ROM, PP. 1-6, PAPER NO. 003
felvehető hallgatók száma
1 fő
helyszín
Energetikai és Vegyipari Gépészeti Intézet
jelentkezési határidő
2025-12-31