Zpráva ze stáže v laboratořích LEGI na Université Grenoble Alpes

Zpráva ze stáže v laboratořích LEGI na Université Grenoble Alpes

Prosinec 2014

Jan Hujer

Poděkování

Na této stránce bych chtěl poděkovat všem, kteří se podíleli na realizaci mé odborné stáže. Protože však zde není místo vyjmenovat všechny, uvádím pouze obecně, že se jedná o realizační tým na Technické univerzitě v Liberci a na Západočeské univerzitě v Plzni. Mimořádný dík patří kolegům v laboratoři LEGI, se kterými jsem po dobu stáže setkával a spolupracoval. Toto poděkování si zaslouží hlavně Jean-Pierre Franc a Michel Riondet a doktorandi z oddělení Energétique. Velký dík pak kolegovi Ing. Milošovi Müllerovi, Ph.D. z Technické univerzity v Liberci za pomoc při přípravě experimentu a konzultace k měření. Neměl bych také opomenout poděkovat za podporu ze strany rodiny a známých. Možná ještě díky všem osobám a to i neznámým, které jsem za dobu své stáže potkal a které mi zpříjemnily den a to i třeba jen tím, že mi na obličeji vykouzlili úsměv. Neboť také i z toho sestává život člověka.

Jan Hujer

1

Obsah:

1. Úvod a základní informace…………………………………………………………………………………………………3 2. Domácí pracoviště a výzkum kavitace na domácím pracovišti……………………………………………4 3. Zahraniční pracoviště…………………………………………………………………………………………………………5 4. Laboratoř LEGI…………………………………………………………………………………………………………………..8 5. Věda a výzkum v laboratořích LEGI obecně……………………………………………………………………….9 6. Význam a historie výzkumu kavitace v Grenoblu a laboratoři LEGI………………………………….16 7. Úvod do kavitace…………………………………………………………………………………………………………….19 8. Úvod do měření a senzor PVDF film………………………………………………………………………………..20 9. Kavitační erozní testy a vysokorychlostní kavitační tunel…………………………………………………21 10. Příprava a návrh umístění snímače na testovacím disku………………………………………………..25 11. Testování lepidel a tloušťky vrstvy lepidel……………………………………………………………………..26 12. Kalibrace senzoru na testovacím disku…………………………………………………………………………..28 13. Měření na vysokorychlostním kavitačním tunelu…………………………………………………………..31 14. Realizace stáže………………………………………………………………………………………………………………34 15. Stáž a život stážisty na zahraničním pracovišti……………………………………………………………….37 16. Závěr……………………………………………………………………………………………………………………………..37 Zdroje informací………………………………………………………………………………………………………………….39 Odkazy na www stránky………………………………………………………………………………………………………40 Další významné publikace v oboru………………………………………………………………………………………40 Přílohy…………………………………………………………………………………………………………………………………41

2

1. Úvod a základní informace Předkládaná zpráva ze stáže v laboratořích LEGI na Université Grenoble Alpes (v průběhu stáže změněn název z Université de Grenoble) podává informace o průběhu stáže v rámci projektu CZ.1.07/2.3.00/20.0139 „Budování excelentního vědeckého týmu pro experimentální a numerické modelování v mechanice tekutin a termodynamice“. Jedná se o projekt OP VK, jehož příjemcem je Západočeská univerzita v Plzni a spolupříjemce je Technická univerzita v Liberci. Cílem projektu je vytvoření excelentního vědeckého týmu, tvořeného členy z ČR a zahraničí, který by měl být zaměřen na experimentální a numerické modelování v mechanice tekutin a termodynamice. Pro realizaci se předpokládají výměnné vědecké stáže akademických pracovníků a doktorandů z ČR s cílem zapojení do mezinárodních vědeckých sítí a projektů, kdy se čerpá z dlouholetých zahraničních vazeb členů realizačního týmu. Uvedená zpráva je určena pro potřeby projektu a rovněž pro budoucí stážisty, kteří budou projektem podpořeni. Snaží se v jednotlivých kapitolách poskytnout širší informace o stážistovi, zahraničním a domácím pracovišti, době trvání stáže, náplni a popisu aktivit v průběhu stáže v laboratořích LEGI na Université Grenoble Alpes. Stážistou v laboratořích LEGI byl doktorand Ing. Jan Hujer, který v současné době studuje doktorský studijní program Strojní inženýrství na Fakultě strojní Technické univerzity v Liberci. Jeho studijním oborem je Aplikovaná mechanika, konkrétně Mechanika tekutin a termodynamika, garantovaná Katedrou energetických zařízení na Fakultě strojní Technické univerzity v Liberci. Školitelem doktoranda je pan Doc. Ing. Karel Fraňa, Ph.D. a odborným konzultantem je pan Ing. Miloš Müller, Ph.D. Stážista se dlouhodobě v rámci svého studia na Technické univerzitě v Liberci zabývá výzkumem jevu kavitace, konkrétně interakcí kavitačních bublin jejich struktur s pevnými a pružnými povrchy. Stáž doktoranda proběhla v období září 2014 - prosinec 2014 v celkové délce tří měsíců na společném pracovišti Université Grenoble Alpes a CNRS, laboratoři Laboratoire des Ecoulements Géophysiques et Industriels (LEGI) na adrese 1209-1211 Rue de la piscine, Domaine Universitaire, 38400 Saint Martin d’Hères, France. Předpokládanou náplní stáže bylo měření a vyhodnocení interakce kavitační struktury, vznikající za tryskou testovací sekce kavitačního tunelu s pevným povrchem testovacího vzorku (disk). Přístupem k tomuto měření je použití piezoelektrických senzorů zatížení - PVDF filmů. S těmito senzory má stážista praxi, neboť s nimi pracoval i v rámci předchozího studia. Získané poznatky lze uplatnit v mnoha odvětvích, kde se s kavitací můžeme setkat, od hydrauliky přes stavbu čerpadel a turbín po ultrazvukové aplikace a medicínu.

3

2. Domácí pracoviště a výzkum kavitace na domácím pracovišti Stážista je studentem doktorského studijního programu na Fakultě strojní Technické univerzity v Liberci, která je následovnicí Vysoké školy strojní v Liberci. Výuka na vysoké škole strojní v Liberci byla zahájena v roce 1953. V roce 1960 byla škola rozdělena na Fakultu strojní a na Fakultu textilní, což znamenalo i změnu názvu školy na Vysoká škola strojní a textilní v Liberci (ve zkratce VŠST). Po roce 1990 vznikaly nové fakulty a 1. ledna 1995 byla VŠST přejmenována na Technickou univerzitu v Liberci (dále jen „TUL“).

Obr.: Technická univerzita v Liberci a znak Technické univerzity v Liberci

[14]

Fakulta strojní TUL je nejstarší fakultou Technické univerzity v Liberci. V době svého založení byla zaměřena především na výchovu inženýrů pro obory textilního, sklářského a automobilového průmyslu. Postupem doby se její profil upravoval a rozšiřoval až do dnešní podoby, kdy lze na fakultě studovat téměř všechny strojírenské obory. Součástí Fakulty strojní TUL je i Katedra energetických zařízení (KEZ), která garantuje doktorské studijní programy pro obory Tepelná technika a Aplikovaná mechanika – Mechanika tekutin a termodynamika, jehož studentem je právě stážista. Historie katedry začíná se založením Vysoké školy strojní v Liberci. Od té doby katedra vychovává odborníky na energetické stroje a zařízení. V současné době se katedra věnuje výzkumu v oblasti kavitace, proudění v tryskách a ejektorech, termoakustiky, magnetohydrodynamiky, klimatizace a životního prostředí, a to v několika laboratořích (Laboratoř tepelně technických měření Laboratoř hydrodynamické vizualizace, Laboratoř energetických strojů a zařízení, Laboratoř optických a termoanemometrických metod, Laboratoř počítačové dynamiky tekutin). Pokud se zaměříme na výzkum kavitace na Katedře energetických zařízení, jedná se především o studium dynamiky kavitační bublinky a doprovodných jevů, dále pak o studium interakce kavitační bublinky s pevnou a pružnou stěnou a výzkum v oblasti kavitace v hydraulickém tlumiči. Na poli kavitace katedra dlouhodobě spolupracuje s Ústavem termomechaniky AV ČR, v.v.i. v Praze a Centrem hydraulického výzkumu v Lutíně, v zahraničí pak s University of Applied Sciences, Hochschule Emden/Leer v Německu. Katedra energetických zařízení disponuje několika zařízeními používanými při výzkumu kavitace, uveďme například kavitační tester, akustický bublinkový spektrometr (ABS), měřidlo tlaku v kapalině - hydrofon RP Acoustic, analogový analyzátor signálu, CCD vysokorychlostní kamery, měřicí ústředna NI a další. 4

3. Zahraniční pracoviště Zahraniční stáž se uskutečnila v laboratořích LEGI. Zkratka LEGI je tvořena počátečními písmeny oficiálního názvu laboratoře – Laboratoire des Ecoulements Géophysiques et Industriels, což ve volném překladu znamená Laboratoř proudění v přírodních vědách a průmyslu. Laboratoř LEGI je veřejná výzkumná instituce, kterou lze na nejvyšší úrovni zařadit pod dvě organizace a to Université Grenoble Alpes a CNRS (fr. Centre national de la recherche scientifique). První popisovanou organizací je CNRS, což je zkratka pro Národní výzkumné centrum ve Francii. Jedná se o největší evropskou výzkumnou a vývojovou organizaci se sídlem ve Francii v Paříži. Národní výzkumné centrum bylo založeno 19. října 1939 zásluhou prezidenta republiky Alberta Lebruna. Bylo založeno jako nástupnická organizace Caisse nationale de la recherche scientifique a Office national des recherches scientifiques et des Inventions. Po založení se CNRS zaměřilo na neaplikačně orientovaný výzkum, tedy ne na vývoj technologií, nýbrž na získávání nových poznatků. CNRS je tvořeno výzkumnými centry po celé Francii a v nejvyšší úrovni je tvořeno 10 instituty, jak je zobrazeno na obrázku v této kapitole. Laboratoř LEGI patří pod instituty INSIS a INSU. Centrum národního výzkumu zaměstnává přes 11 200 vědců z celkového počtu 33 000 zaměstnanců. Rozpočet CNRS v roce 2013 činil 3,4 miliardy euro. Aktivní strategie výměny a spolupráce se zahraničními špičkovými pracovišti umožnila této státní organizaci cestu mezi světovou elitu na poli výzkumu. V současné době má CNRS několik mezinárodních zastupitelstev se sídlem v Bonnu, Bruselu, Johannesburgu, Moskvě, Washingtonu, Tokiu, Pekingu, Santiagu de Chile, Tunisu a Hanoji. Národní výzkumné centrum je velmi úspěšné na poli vědy, je vlastníkem velkého množství patentů a licencí. Jedná se například o licence na vakcínu proti hepatitidě typu B, nebo například i o svobodný software CeCILL. S organizací CNRS je dnes spojeno dvacet laureátů Nobelovy ceny, například Louis Néel, Georges Charpak, Claude Cohen-Tannoudji, Jean-Marie Lehn.

5

Obr.: Logo CNRS a členění na instituty [12] Druhou organizací je univerzita Université Grenoble Alpes. Oficiálně byla založena rozhodnutím papeže Benedikta XII. v roce 1339, ale toto rozhodnutí však zůstalo dlouhou dobu pouze na papíře. Teprve kolem první poloviny 20. století vznikly v Grenoblu první inženýrské instituty a školy. Největší rozmach univerzitního studia přinesla až šedesátá a sedmdesátá léta 20. století. Grenoble se stal mezinárodně uznávaným univerzitním městem a od této doby svou pověstí přitahuje fyziky, matematiky, chemiky a lékaře z celého světa. Každý rok na této univerzitě studuje více jak 66 000 studentů, z toho 3700 doktorandů a několik tisíc zahraničních studentů. Vedle klasického univerzitního zázemí má 120 laboratoří a výzkumných center, z velké části se nacházejících v univerzitním kampusu s nepopsatelnou atmosférou. Kampus byl budován podle vzoru amerických univerzit na ploše 180 hektarů s vysázenými 25 tisíci stromy.

Obr.: Logo Université de Grenoble [11]

6

Obr.: Université Grenoble Alpes [11] Université Grenoble Alpes je tvořena několika univerzitami a vysokými školami. První universitou je Université Joseph Fourier, kde se věnují přírodním vědám, technologiím, medicíně. Université Joseph Fourier navštěvuje přes 15000 studentů a zaměstnává přes 1500 vědeckých pracovníků. Druhou universitou je Université Pierre-Mendès-France, kde se věnují humanitním vědám a sociologii. Tuto univerzitu navštěvuje přibližně 16500 studentů a zaměstnává více jak 750 vědeckých pracovníků. Třetí universitou je Université Stendhal, kde se věnují literatuře, francouzskému jazyku, cizím jazykům, umění a komunikaci. Na Université Stendhal dochází 5900 studentů a je zde zaměstnáno více jak 390 vědeckých pracovníků. Čtvrtou vysokou školou je Grenoble INP (Institut polytechnique de Grenoble), která se věnuje strojírenství, elektrotechnice, stavitelství, informatice, chemii, matematice a fyzice. Grenoble INP navštěvuje přibližně 4500 studentů a zaměstnává více jak 480 vědeckých pracovníků. Tyto školy jsou přímými členy Université Grenoble Alpes. Následně uvedené vysoké školy jsou členy v širším slova smyslu, jedná se o Université Savoie MontBlanc, Sciences Po Grenoble, École Nationale Supérieure d'Architecture de Grenoble (ENSAG) a Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)

Obr. Loga univerzit tvořících Université de Grenoble [11]

7

4. Laboratoř LEGI Jak bylo v úvodu kapitoly řečeno, zahraniční stáž se uskutečnila v laboratořích LEGI – Laboratoire des Ecoulements Géophysiques et Industriels. Jedná se o špičkovou veřejnou výzkumnou instituci, která se zabývá všeobecně problematikou proudění v různých oborech, a to jak v přírodních vědách a životním prostředí, tak i v průmyslových aplikacích. LEGI zaměstnává více jak 180 vědeckých pracovníků a připravuje více jak 70 doktorandů a stážistů z různých zemí světa.

Obr.: Laboratoře LEGI [10] Výzkumná činnost v laboratoři LEGI kombinuje přístupy jako je modelování, experiment na více než 40 velkých experimentálních zařízeních, numerické simulace o vysokém výkonu (paralelní výpočty, národní síť, ...) a vývoj inovativních měřicích přístrojů.

Obr. Logo laboratoří LEGI [10]

Laboratoř LEGI je také členem několika organizací, např.: - Observatoire des Sciences de l’Univers de Grenoble (OSUG) je organizace sdružující pracovníky základního výzkumu s aplikací na vesmírné otázky, ale i planetu Zemi. Témata jsou následující: astrofyzika, planetární věda, geofyzika, geologie, klimatologie, hydrologie, glaciologie, ekologie a pevné a tekuté obaly vzdálených hvězd.

- Envirhonalp je regionální síť pro sdílení experimentů, analýzu, modelování a sledování prostředí) v oblasti životního prostředí.

8

- Institut Carnot Energies du futur sdružuje subjekty zabývající se novými technologiemi v energetice. Usnadňuje transfer a rozvoj technologií a inovací a dále pak vytváří partnerství mezi veřejnými firmami a laboratořemi.

- TEC 21 je sdružení 21 laboratoří a výzkumných center v oblasti mechaniky, procesního inženýrství, fyzikálního inženýrství a biomechaniky.

5. Věda a výzkum v laboratořích LEGI obecně V této kapitole jsou popsány hlavní směry základního a aplikovaného výzkumu laboratoře LEGI a ukázána některá experimentální zařízení. Hlavní témata laboratoře LEGI v oblasti základního výzkumu jsou: - turbulentní proudění: dynamika tekutin a turbulence (nestability, turbulentní struktury, simulace turbulence, vlny, koherentní struktury, mezní vrstvy, směšování, MHD), procesy míchání, přenosové jevy (přenos hybnosti, tepla, hmoty), pokročilé simulace, mikrofluidika. - geofyzikální dynamika tekutin: simulace a výzkum procesů v přírodních systémech (oceán, moře, atmosféra, pobřeží, řeky, horské oblasti, ...) s cílem pochopení změny klimatu a vývoje nástrojů pro správnou prognostiku a výzkum jevů v této oblasti (gravitační vlny, pobřežní proudy, míchání a lom proudů, baroclinic instability, termohalinní výměníky, geostrophic wind, topografické efekty, družicová pozorování, mořské ekosystémy). - dynamika proudění s výrazně se projevujícími hydrodynamickými jevy: fyzikální podstata a modelování proudění kapalin s rozdílnou a vysokou hustotou, vícefázové proudění (proudění diskrétní s bublinami, kapkami, ... a proudění s oddělenými dispergovanými fázemi), výzkum různých jevů, např. povrchově aktivní látky, jevy na rozhraní fází, bubliny, kavitace, kavitační eroze, flokulace, změna fáze, koalescence, … atd. Hlavní témata laboratoře LEGI v oblasti aplikačního výzkumu jsou: - životní prostředí: oceánografie, změny na pobřeží, přírodní toky, výzkum v místě ústí řek, atmosférické jevy, sedimentace, transport znečišťujících látek v horských údolích, vznik bouřek, monitoring ekosystémů, satelitní pozorovací nástroje. V této oblasti laboratoř LEGI spolupracuje s těmito organizacemi: NES, NASA, ESA, EPSHOM, DGA, ADEME, IFREMER, GIP MERCATOR, ONR. - ochrana životního prostředí: chemické inženýrství včetně biochemie a biotechnologie, vývoj tzv. „čistých“ procesů, čištění odpadních vod, sedimentace, separační techniky, výroba papíru (barvení), hluk, ochrana ovzduší, aspekty dopravy, vliv na zdraví. V této oblasti 9

laboratoř LEGI spolupracuje s těmito organizacemi: AFRAN (SNECMA MOTEURS & MESSIERBUGATTI), CNES, EADS, SIEMENS, AIR LIQUIDE, DGA, CETU, ONERA, CEA, IFP, EdF, ADEME, PEUGEOT, THALES + PMEs. - energetika a energetické systémy: alternativní energie, přenos energie, optimalizace, turbíny a čerpadla (výkon, kavitace a eroze), chlazení, výměníky tepla, micro-caloducs. V této oblasti laboratoř LEGI spolupracuje s těmito organizacemi: ALSTOM, DGA, EdF, SAFRAN (SNECMA MOTEURS, TURBOMECA), ALCATEL, ADEME, AREVA.

Obr.: Vlevo - Aerodynamický tunel. Vpravo – Hydrodynamický tunel. [10]

Obr.: Vlevo - Vodní kanál s generátorem vln pro studium morfologie pobřeží. Vpravo - Měřicí stanice na mořském pobřeží. [10] 10

Obr.: Výpočetní centrum laboratoře. [10]

Obr.: Experimentální bazén pro studium mořských vln a proudů a jejich efektů jako je např. transport a sedimentace pevných částic. [10] Laboratoř LEGI se člení na výzkumná odděleni, oddělení technické podpory a administrativní oddělení. Schéma laboratoře včetně personálního obsazení je v příloze na konci této zprávy. V současné době má laboratoř LEGI 4 výzkumná oddělení: - Ecoulements Disphasiques et Turbulences (EDT) – předmětem zájmu oddělení EDT je turbulentní proudění a vícefázové proudění. Cílem je komplexně identifikovat a charakterizovat základní mechanismy dynamických modelových systémů turbulentního a vícefázového proudění včetně studia vazeb mezi mikro-makro měřítkem. Tyto systémy 11

rovněž zahrnují turbulenci, bubliny, kapky, pevné částice, bakterie nebo vliv fázového rozhraní včetně odpovídajících interakcí. Za tímto účelem se v oddělení EDT provádějí excelentní experimenty a vyvíjí nástroje na jejich vyhodnocení. Na následujících obrázcích je ukázka z některých experimentů.

Obr.: Studie dynamických vlastností a přenosu hybnosti u tzv. „sloupců bublin“ s cílem charakterizovat jejich vývoj a koncentraci v závislosti na různých podmínkách proudu. [10]

Obr.: Charakteristické měřítko při studiu role biofilmů v odpadních vodách s cílem pochopení vazby mezi vývojem buněčné tkáně a dynamiky proudění. [10]

Obr.: Studium strhávání a průtoku vody okolo kol automobilu. [10]

12

Obr.: Výzkum atomizace ve dvoufázové trysce pro kontinuální výrobu vodní mlhy a její optimalizace pro průmyslové provozy. [10] - Modélisation, Expériences at Instrumentation pour la Géophysique et l´Environnement (MEIGE) – toto oddělení se zaměřuje na oblast geofyzikální dynamiky tekutin. Sdružují se zde všechny výzkumné aktivity související s životním prostředím na úrovni oceánu, pobřeží a atmosféry s cílem pochopení dynamiky těchto prostředí pomocí fyzikálního modelování v laboratoři nebo skutečném prostředí a numerického modelování. Součástí je rovněž vývoj měřicích a vyhodnocovacích metod. Některé z prací jsou na následujících obrázcích.

Obr.: Vlevo - Výzkum působení vlny na svislou stěnu (vlevo), výsledky měření pole rychlosti metodou PIV. Vpravo - Experiment na Coriolisově platformě, studium barotropního přílivu pomocí umělé vlny u Luzonského průlivu (Čínské moře), horizontální rychlost pole (a) a průřezu (d) získané metodou PIV. [10]

13

Obr.: Vlevo - Transport a sedimentace písečných zrn, lom vlny, duna a její přemisťování. Vpravo - Atmosférická cirkulace v údolí v okolí města Grenoble v zimního období. [10] - Modélisation et Simulation de la Turbulence (MOST) – oddělení MOST se zabývá numerickými simulacemi turbulentního proudění v průmyslovém a geofyzikálním měřítku s cílem vytvořit fyzikální modely a numerické metody pro numerické a geometricky složité simulace (DNS, subgrid model, …). Dalším úkolem je pochopení fyziky turbulentního proudění s jejich následky.

Obr.: Výsledky různých numerických simulací. [10]

14

- Energétique – předmětem zájmu tohoto oddělení je průsečík témat mechaniky tekutin, termodynamiky a energie. Do zájmu tohoto oddělení spadá rovněž výzkum kavitace a v rámci své stáže jsem byl zařazen právě do tohoto oddělení. Toto oddělení řeší široké spektrum základních a i aplikačních úloh, z nich některé jsou následně uvedeny.

Obr.: Výzkum velikosti a změn kontaktních úhlů kapky vody umístěné na různých kovových plochách. [10]

Obr.: Studium vlivu smáčivosti při varu a její vliv na velikost bublinky a součinitel přestupu tepla. [10]

Obr.: Měření teploty a tlaku při kavitaci pomocí fluorescenčních nanočástic. [10]

Obr.: Výzkum tepelných efektů při kavitačním proudění. [10]

15

Obr.: Vývoj modelu kavitační eroze. [10]

Obr.: Výzkum metod pro akumulaci tepla ve stěnách staveb a výzkum materiálů pro tyto aplikace. [10]

Obr.: Vývoj akumulační nádrže vodíku ze speciálních hořčíkových materiálů s výzkumem tepelných jevů doprovázejících skladovací reakci. [10]

6. Význam a historie výzkumu kavitace v Grenoblu a laboratoři LEGI Význam vodní energie pro výrobu elektrické energie je vždy spojen s existencí vodního potenciálu, který je díky horám v oblasti Dauphiné a města Grenoble vysoký. Grenoble tak získal na poli vodních strojů – turbín a pomocných zařízení – potrubí a armatury již v dávné historii věhlas. V oblasti od té doby existuje velké množství výrobců vodních strojů, kteří vodní energii označují jako „bílé uhlí“ (metafora Aristida Bergèse). První výrobci v oblasti vznikali ke konci 19. století, nejvýznamnější byl Bouchayer et Viallet, Joya a výrobci Neyret16

Beylier a Piccard-Pictet, od roku 1948 společně jako Neyrpic. Postupem času prošli tito výrobci několika transformacemi a v roce 1967 došlo k velkému spojení - největším a nejvýznamnějším výrobcem, fungujícím dodnes, se stal Alstom. Strojírenství a výroba vodních strojů tak patří mezi tradiční průmyslová odvětví v Grenoblu a podílí se na rozvoji celého regionu. Na výrobu je často navázána i potřeba technického pokroku. Proto byl na počátku 20. století založen Institut elektrotechniky a posléze Institut hydraulického inženýrství. Už v této době firmy silně spolupracovaly se školami a inženýři a odborníci z průmyslu se podíleli na výuce. V následujícím období s rozrůstající potřebou odborníků na další průmyslová odvětví došlo k založení polytechnického institutu - Institut Polytechnique de Grenoble (Grenoble INP). Vzniklo tak několik škol polytechniky, z nichž se dnes, po několika transformacích, energetickými stroji zabývá Ecole Nationale Supérieure de l'énergie, l'eau et l'environnement (ENSE3) na Grenoble INP. Současně s historií školy vznikaly laboratoře, kde je silně propojována teorie s praxí. Výzkum kavitace v laboratořích LEGI tak patří mezi tradiční a prioritní témata, která jsou zde silně podporována, a to i z komerčního sektoru, např. zmíněným výrobcem turbín Alstom, který financuje některé doktorandské práce. Laboratoř LEGI patří obecně mezi nejvýznamnější centra kavitačního výzkumu na světě. Výzkum kavitace probíhá pod oddělením Energétique, jehož vedoucím je Thierry Maître. Oddělení má velkou historii, mnoho úspěchů a také v něm pracovalo a pracuje mnoho významných osobností na poli kavitačního výzkumu. Mezi pracovníky patřil např. Prof. Jean – Marie Michel a dnes jsou to Prof. Jean – Pierre Franc, Prof. Regiane – Fortes Patella, MCF Eric Congalves, CR Christian Pellone, TI Michel Riondet. Tito jmenovaní, a řada dalších pracovníků, jsou autoři významných publikací v oboru. Prof. Jean – Marie Michel a Prof. Jean – Pierre Franc jsou rovněž autory významných knižních publikací v oboru kavitace.

Obr.: Knižní publikace na téma kavitace z rukou pracovníků LEGI. [10]

17

Obr.: Pracovníci LEGI v oboru kavitace (zleva: Prof. Jean-Pierre FRANC, Prof. Regiane – Fortes Patella, MCF Eric Congalves, TI Michel Riondet). [10] Laboratoř LEGI má mnoho partnerů jak ve Francii, tak i v zahraničí. Jedná se o vysoké školy ve Francii, dále například o organizaci Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives a o řadu průmyslových podniků, uvedených dříve u jednotlivých oddělení. Mezi partnerské vysoké školy na poli kavitace patří École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) ve Švýcarsku, City University London ve Velké Británii, University of Massachusetts Lowell v U.S.A. a University of Michigan v U.S.A.

Laboratoř LEGI a její členové jsou zapojeny do sítě několika výzkumných organizací: - Fédération Galileo Galilei de Grenoble (Fed 3G) je orzanizace pro inženýrské vědy a výzkum na témata týkající se inženýrských materiálů a konstrukcí, mechaniky těles, akustiky, mechaniky tekutin a reaktivních médií, na přenosové a transformační procesy. Obr.: Setkání kolegů pracujících na téma kavitace v roce 1995 při příležitosti vydání společné publikace La Cavitation v Grenoblu (Prof. J.-M. Michel, Prof. J.-P. Franc, Dr. B. Belahadji za laboratoř LEGI, Prof. J.-L. Kueny z laboratoře CREMHYG v Grenoblu, L. Briancon-Marjollet a D. Fréchou z la Division Cavitation et des moyens d´essais au Bassin d´essais des carènes Val de Reuil, Prof. J.-Y. Billard z l´Ecole navale de Brest, Prof. D.-H. Fruman z l´Ecole nationale supérieure des techniques avancées Palaiseau, Prof. F. Avellan a Prof. A. Karimi z l´Ecole polytechnique fédérale de Laussane.) [10] V minulosti se v laboratoři na téma kavitace řešily například tyto úkoly: energetická bilance kavitační eroze materiálů v časovém rozpětí od kolapsu kavitační bublinky po deformaci materiálu; 4-rovnicový model pro neizotermickou kavitaci; nestacionární proudění kavitujícího proudění ve Venturiho trubici; vyšetřování 3D efektů na kavitující proudění ve Venturiho trubici; efekt stlačitelnosti v turbulentním kavitujícím proudění; vliv tepelných efektů na kavitaci; modelování nestacionárního kavitujícího proudění v diagonální turbíně; vliv materiálu a rychlosti proudění na kavitační pitting; aplikace kulového rozhraní na určení tlaku kavitačního impaktu ze znalosti pittingových testů; simulace úbytku hmotnosti v důsledku kavitační eroze; návrh stavových rovnic pro kavitující proudění s termodynamickými jevy; simulace 3D kavitujícího proudění v turbínách, stabilita NavierStokesových rovnic s předpodmiňovači a s kavitačními modely; FEM analýza kavitačního pittu pro odhad tlaku při kolapsu kavitační bublinky; hydrodynamická kavitace 18

v mikrokanálech; hydrodynamická kavitace v mikrosystémech; RANS simulace superkavitujícího proudění; inkubační doba a kavitační eroze pro zpevnění materiálů; využití Rayleighovy-Plessetovy rovnice pro studium aspektů kavitace; modelování nestacionárního 2D kavitujícího proudění s použitím Logvinovichových rovnic; nestability v kavitujícím proudění; numerická simulace kavitujícího proudění založená na předpodmiňovačích; numerická simulace kavitujícího proudění se scale-adaptive turbulentním modelem; řízení kavitace. Na některých úkolech se dále pokračuje a tvoří základ pro současný výzkum. V současné době se kavitaci nebo příbuzné problematice v laboratoři LEGI nebo ve spolupráci s laboratoří věnuje více než deset osob. Jedná se například o konstrukci hydraulického tunelu pro výzkum kavitace, měření účinků kavitace na kmitající lopatkový profil, interakce různých materiálů s kavitací, kavitační eroze u různých materiálů, testy kavitační odolnosti pro nové materiály, modely interakce kavitační bublinky s kapalinou a pevnou stěnou, interakce turbulence a kavitace, vývoj pohybujících se sítí pro numerické simulace proudění v turbínách, optimalizace kavitujícího proudění v turbínách, vývoj modelů kavitace pro numerické simulace. Vzhledem k napojení na průmysl není možné publikovat podrobnější informace o jednotlivých úkolech.

7. Úvod do kavitace Kavitace je složitý fyzikální jev, zahrnující vznik, růst a zánik dutin v kapalině. Kavitace se přirozeně vyskytuje při různých dějích, ale často se i uměle generuje. Při přirozených dějích v oblasti hydraulických strojů a zařízení je výskyt kavitace nežádoucí. Ovlivňuje provoz a dochází ke kavitační erozi materiálu. Příkladem toho může být kavitace ve vodních strojích (turbíny, čerpadla), hydraulických ložiskách a hydraulických tlumičích. Při uměle generované kavitaci naopak účinků využíváme. Jedná se například o čištění tvarově složitých povrchů, při přípravě emulzí a řadě aplikací v medicíně. Kavitace vzniká při poklesu tlaku v kapalině na tlak nasycených par, který musí odpovídat dané teplotě kapaliny. Při tomto tlaku se kapalina začíná odpařovat. Zvětšuje se tak objem páry a vznikají malé bublinky, dochází k fázové změně. Tuto fázi označujeme jako počínající kavitaci, bublinka začíná růst. Kavitační bublina tvoří v původní kapalině nehomogenitu. Její vnitřek je tvořen buď plynem, nebo parami kapaliny, nebo směsí plynu a par kapaliny. Na počínající kavitaci navazuje fáze rozvité kavitace, kdy bublinka při stejném tlaku nebo jeho poklesu dále roste. Její další aktivita je závislá na okolních podmínkách. Konečnou fázi existence bublinky označujeme jako zanikající kavitaci. Pokud by došlo k nárůstu tlaku, pára v bublince zkondenzuje a vzniká prázdný prostor, nazývaný kavitační dutina. Okolní kapalina zaplňuje kavitační dutinu velkou rychlostí, bublinka imploduje. Dochází k rázu a vyzáření tlakových rázových vln, které jsou činitelem při kavitační erozi. Popsaný proces zanikající kavitace nazýváme kolapsem kavitační bublinky. V průběhu života bublinky se může vyskytnout ještě více dalších jevů, jako je jet efekt a splash efekt, kdy oba působí jako další erozní činitel. Život bublinky často sestává z více cyklů - růstů a kolapsů jdoucích za sebou. Při dalších cyklech ale hodnota poloměru nedosahuje velikosti jako při prvním cyklu. Stejně tak je intenzita následných kolapsů menší (obecně od druhého, v blízkosti u stěny od třetího kolapsu). Je to dáno disipací energie bublinky tlumením viskozitou okolní kapaliny. Bublinku 19

si lze totiž představit jako mechanický systém hmota-pružina-tlumič, kterému ve skutečnosti popořadě odpovídá hmota kapaliny - plynný obsah bublinky - viskozita kapaliny. Ve vodních strojích se ale nesetkáváme s jednou bublinkou, ale se strukturou složenou z velkého množství kavitačních bublin různých rozměrů a v různém stádiu života. Tento útvar nazýváme kavitační mrak. Chování mraku kavitačních bublin je velmi složité. Např. Brennen ve svých pracích uvádí, že bublinkový mrak má na své okolí téměř stejný vliv, jako by se jednalo o jednu kompaktní bublinku, nicméně výzkum na toto téma pokračuje.

Obr.: Kavitační eroze na Francisově turbíně. [8]

8. Úvod do měření a senzor PVDF film Předpokládaným cílem stáže bylo připravit, provést a vyhodnotit měření účinku kavitačního mraku na testovacím disku. Prvním úkolem byla příprava a návrh umístění snímače na testovacím disku včetně jeho opracování, dále pak návrh ochrany snímače před silnou kavitační erozí včetně testů kavitačním testerem. Druhým krokem bylo seznámení se se zařízením – vysokorychlostním kavitačním tunelem v laboratoři včetně školení o bezpečnosti. Třetím krokem bylo provedení kalibrace snímače na testovacím disku. Čtvrtým úkolem bylo měření na vysokorychlostním kavitačním tunelu a poslední krok byl o stanovení metody vyhodnocení a vlastní vyhodnocení měření.

Obr.: Neopracovaný testovací disk. 20

Pro měření účinku kavitačního mraku bylo navrženo použít PVDF film, což je dynamický senzor zatížení pracující na principu přímého piezoelektrického jevu, kdy v důsledku deformace dochází k polarizaci jeho krystalů a ke generaci náboje na elektrodách, jehož velikost odpovídá určitému zatížení. Piezoelektrickým materiálem je v tomto případě polyvinylidenfluorid. Pro měření byl použit PVDF film DT1-028K W/TH LEADS/RIVET (výrobce Measurement Specialities Inc.). Základem tohoto senzoru je tenký substrát PVDF polymeru obdélníkového tvaru (tj. činná plocha) o rozměrech 12 mm x 30 mm x 28 μm (délka senzoru byla pro potřeby měření upravena řezem žiletkou na cca. 8 mm). Velké obdélníkové plochy polymeru jsou z obou stran metalizovány. Elektrody jsou vyvedeny na kontakty, na které jsou přinýtovány výstupní vodiče. Substrát s elektrodami je z obou stran pokryt ochrannou vrstvou polyurethanu, přesahující obdélníkovou činnou plochu. Konečná tloušťka je pak 40 μm. Výstupní napětí je v závislosti na zatížení a impedanci obvodu v rozsahu 10mV – 100 V, teplotní interval použitelnosti je 0 ̊ C – 70 ̊ C, minimální impedance obvodu je 1 MΩ a doporučená impedance obvodu je 10 MΩ a kapacitance filmu je 1.38 nF.

Obr.: PVDF film (neupravený).

9. Kavitační erozní testy a vysokorychlostní kavitační tunel Kavitační erozní testy jsou základní možností, jak hodnotit vhodnost materiálu pro jeho použití v průmyslové praxi s výskytem kavitace. Princip kavitačních erozních testů na vysokorychlostním kavitačním tunelu spočívá v umístění vzorku testovaného materiálu do vysokorychlostního kavitačního tunelu a zatěžování kavitací po různě dlouhou dobu a následně vyhodnocení úbytku hmotnosti vzorku a měření profilu eroze na vzorku. V současné době existují dva hlavní přístupy. Testování na discích totožných rozměrů, jako u disku použitého pro naše měření, ale vyrobeného z různých materiálů. Druhým přístupem je použití válečků různých materiálů připevněných do základního nerezového disku s rozměry totožnými našemu disku. Testy na běžně používaných materiálech byly prováděny v posledních deseti letech, dnes jsou testy směřovány na nově vyvíjené materiály a hojně také na plasty. Vysokorychlostní kavitační tunel byl vyroben z nerezové oceli v roce 2004. Sestává se z testovací sekce pro umístění testovacího disku, tlakovacího systému s pracovní atmosférou dusíku, zásobníku pracovního media (kohoutkové vody), výměníku tepla (používá se při dlouhodobých měřeních, kdy kavitace zahřívá medium), odstředivého čerpadla s maximální dopravní kapacitou 11l/s poháněného elektromotorem o výkonu 80kW a řady dalších prvků (potrubí a armatury, průtokoměr).

21

Obr.: Vysokorychlostní kavitační tunel. [10] Nejdůležitější částí je testovací sekce. Na následujících obrázcích je detailní pohled na testovací sekci a její řez. Do testovací sekce vstupuje axiálně proud vody o rychlostech až 90 m/s, za vstupem je změněn směr proudění na radiální, dochází ke vzniku kavitačního mraku. Konec kavitačního mraku je zároveň místem kolapsu a je pro dané kavitační číslo σ vždy na určitém poloměru. Tento poloměr je důležitý právě jako poloha pro umístění senzoru, PVDF filmu. Následně voda za testovacím diskem opět mění směr proudění na axiální, odchází soustavou čtyř potrubních úseků do společného axiálního úseku a do zásobníku vody, a koloběh proudění vody pokračuje.

22

Obr.: Detail testovací sekce včetně výstupních vodičů senzoru.

Obr.: Řez testovací sekcí s diskem. [3] Při každém testu se testovací sekce uzavírá testovacím diskem vyrobeným vždy z jiného materiálu. Následně se kavitační tunel uvede do provozu a po dosažení předepsaných podmínek se provozuje po určitou dobu. Materiál testovacího disku je tak vystaven kolapsům kavitačního mraku a dochází k erozi a k úbytku materiálu testovacího disku. Na předchozím obrázku je vidět oblast poškození na určitém poloměru, jak již bylo uvedeno, právě na konci kavitačního mraku. Toto poškození se hodnotí pomocí profilometru, kdy se měří hloubka poškození vzniklá kavitační erozí. Trn profilometru se pohybuje radiálně od středu disku k jeho okraji, při pohybu kopíruje povrch disku a skenuje tak jeho profil, který je 23

pro účel testu důležitý hlavně v erozní oblasti. Měřením se získá závislost erodované hloubky na vzdálenosti od středu disku. Pracovníky LEGI bylo provedeno mnoho testů různých materiálů. Na následujícím obrázku je ukázka poškození čtyř materiálů – hliníkové slitiny, niklohliníkovo-bronzové slitiny, nerezové oceli a speciálně povrchově tvrzené nerezové oceli. Ve všech případech byl vytvořený obdobný radiální profil erodované části disku, který byl ale získán za různě dlouhou dobu expozice testovacího disku kavitační erozi. Na obrázku je vidět, že stejného poškození dosáhneme u hliníkové slitiny za 38 hodin expozice a u nerezové oceli za 161 hodin expozice. Nerezová ocel je tedy odolnější vůči kavitační erozi než hliníková slitina. Tímto způsobem lze hodnotit různé materiály z pohledu jejich odolnosti vůči kavitační erozi.

Obr.: Porovnání materiálů testem na kavitačním tunelu LEGI [3] Stážista byl během prvního měsíce pobytu seznamován s metodikou uvedeného kavitačního erozního testu, s provozem a funkcí tunelu včetně školení o bezpečnosti a ochrany zdraví při práci v laboratoři. Naučil se provádět přípravné kroky před měřením, přesnou montáž příruby s testovacím diskem, seznámil se s řízením experimentu, měřícím systémem pro měření tlaku, teploty a průtoku na několika místech kavitačního tunelu, principem tepelného výměníku zařazeného do okruhu, čerpadlovou stanicí, filtrací a potrubní sítí, dále se seznámil s tlakovacím systémem tunelu. Stážista se v rámci této části účastnil kavitačních erozních testů prováděných pro potřeby laboratoře na různých vzorcích a byl mu rovněž vysvětlen princip hodnocení vzorků. 24

10. Příprava a návrh umístění snímače na testovacím disku V přípravném období před stáží stážista obdržel vzorek disku včetně potřebných rozměrů pro jeho upnutí a vyvedení vodičů snímače. Testovací disk je vyroben z nerezové oceli AISI 304L, která je velmi odolná vodě, vodní páře a slabým organickým a anorganickým kyselinám, to vše do středních hodnot teploty, zároveň je značně odolná vůči kavitační erozi. Nevýhodou tohoto materiálu je horší obrobitelnost. Rozměry disku mají potřebné tolerance, neboť disk lícuje s přírubou, ve které je upnut v testovacím zařízení. Pro upnutí disku slouží závit v ose na jeho zadní straně. Proběhla řada diskuzí se zahraničním pracovištěm ohledně koncepce umístění snímačů, o jejich počtu, o úpravě povrchu, druhu lepidla a lepení snímačů, vyvedení vodičů snímače, těsnění snímače a jeho vodičů a další. Výsledný návrh je zobrazen na následujícím obrázku (model Creo PTC) s vyznačenou oblastí poškození a vyvedením vodičů senzoru, dále pak detail drážky a upravený příčný rozměr senzoru.

Obr.: Disk s oblastí poškození a umístění senzoru, vyvedené vodiče senzoru.

Obr.: Výsledný návrh umístění snímače na testovacím vzorku.

25

Drážka pro senzor byla obrobena frézováním a díry pro vodiče senzoru vrtáním na obráběcím centru. Jelikož je materiál testovacího disku hůře obrobitelný a zároveň jsou rozměry drážky pro snímač a děr pro vodiče snímače velmi malé, obrábění přinášelo různé další technologické problémy. Také se vyskytl problém se správným umístěním drážky, který byl posléze odstraněn. Na následujícím obrázku je znázorněn testovací disk včetně rozměrů a řezu drážkou.

Obr.: Disk s rozměry drážky a děr pro vodiče senzoru.

11. Testování lepidel a tloušťky vrstvy lepidel Před nalepením senzoru na testovací disk byla provedena analýza vlastností a použitelnosti různých lepidel, lepicích pásek a ochranných folií. Dalším hlediskem vstupujícím do problému byla tloušťka a struktura vrstvy lepidla. Pro vlastní testování byl použit ultrazvukový kavitační tester UIP 1000hd a měřicí karta NI PXI-5105, pro vyhodnocení pak NI Signal Express 2012. Vlastní testování sestávalo z přilepení PVDF filmu na ocelovou destičku pomocí kyanoakrylátového lepidla a následně nanesení vrstvy lepidla různé tloušťky s ochrannou funkcí. Následně byl monolit vystaven působení kavitačního testeru. Trn kavitačního testeru byl v hloubce 25 mm pod vodní hladinou kohoutkové vody, 20 mm od ochranné vrstvy PVDF 26

filmu a uprostřed činné plochy PVDF filmu. Pro toto měření byla testována tato nastavení s požadovanou vlastností lepidla nereagovat se základní ochrannou vrstvou PVDF filmu (polyurethan): ochranné překrytí kyanoakrylátovým lepidlem Loctite Super Attac Power Flex Gel, Epoxy F-05 Clear Alteco, Loctite 3450 A&B Hysol, Bison Epoxy 5 minutes, překrytí hliníkovou páskou a páskou Manutape. Tloušťka vrstvy byla určena třemi vrstvami PVC pásky. Sestava pro testování je na následujícím obrázku.

Kavitační tester

Stojan s ocelovou destičkou PXI box

Počítač

0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 -0,1 -0,2 -0,3 -0,4 -0,5 -0,6 -0,7

0,008333 0,008366 0,008399 0,008432 0,008465 0,008498 0,008530 0,008563 0,008596 0,008629 0,008662 0,008695 0,008727 0,008760 0,008793 0,008826 0,008859 0,008892 0,008924 0,008957 0,008990 0,009023 0,009056 0,009089 0,009121 0,009154 0,009187 0,009220 0,009253 0,009286 0,009318 0,009351 0,009384

Elektrické napětí [V]

Obr.: Sestava pro testování ochranné vrstvy PVDF filmu.

Čas [s] Obr.: Ukázka typického signálu při testování.

27

Na předchozím obrázku je ukázán typický signál z testování ochranné vrstvy PVDF filmu. Dále bylo diskutováno mechanické poškození ochranné vrstvy (následující obrázek), vhodná manipulace při lepení (viskozita lepidla, manipulační doba, doba vytvrzení, …) a vliv tepla vyvíjeného při kavitaci. Toto teplo způsobovalo odlepování hliníkové pásky od povrchu PVDF filmu a u pásky Manutape docházelo k silnému poškození. Pouhé překrytí páskou se jevilo jako nevhodné.

Obr.: Poškození PVDF filmu. Z výsledků testování a mechanických vlastností lepidel vyplynulo použití ochranné vrstvy tvořené vrstvou lepidla Loctite Super Attac Power Flex Gel, které má vhodnou pevnost v tahu (20 N/mm2), dobu manipulace (20 s) a vhodnou viskozitu, odolnost vůči vodnímu prostředí a z testu plynoucí odolnost proti kavitační erozi pro náš případ.

12. Kalibrace senzoru na testovacím disku Výrobce uvádí v technickém listě citlivost PVDF filmu v tloušťkovém módu 0,013 V/N. Tato citlivost je ale použitelná pouze pro případ použití senzoru bez dalších úprav, ty byly v našem případě provedeny. Kalibrace senzoru je tak nutná. Z předchozích znalostí ze studia na FS TUL a článku [15] plyne pro kalibraci použití metody pádu kuličky. Zatížení při metodě pádu kuličky je totiž podobné zatížení od kolabující kavitační bublinky. Princip kalibrace metodou pádu kuličky je podobný testu vrubové houževnatosti Charpyho kyvadlovým kladivem. V tomto případě je ale kladivem ocelová ložisková kulička, která se nechá volně padat ze známé výšky h1. Potenciální energie se mění v kinetickou, v dolní úvrati kulička dopadá na film v čase t1 rychlostí v ⃗ 1 , silově působí na film a přitom se část kinetické energie přemění na elektrickou energii senzoru. Následně se kulička odrazí v čase t2 rychlostí ⃗ 2 a letí po stejné trajektorii ve směru počáteční trajektorie. Protože byla část energie na v senzoru transformována, bude potenciální energie kuličky kyvadla v konečné poloze výšky h2 menší. Při experimentu se zaznamenává signál ze senzoru a poloha ocelové kuličky CCD kamerou pro určení výšky h1 a h2. Síla F(t) působící na film není v průběhu časového intervalu τ = t2 – t1 konstantní. Je nutné vypočítat její střední hodnotu Fk v tomto intervalu a následně lze hodnotu přepočítat na sílu maximální Fmax, kterou lze dopočítat jako dvojnásobek střední 28

hodnoty síly. Úpravami vztahu pro impuls síly a hybnost lze získat následující vztah pro výpočet střední hodnoty síly a následně pro maximální hodnotu síly 𝑡2

1 𝑚 𝐹𝑘 = ∫ 𝐹(𝑡) 𝑑𝑡 = (𝑣1 + 𝑣2 ) ; 𝐹𝑚𝑎𝑥 = 2 ∙ 𝐹𝑘 𝜏 𝜏 𝑡1

Vztah pro rychlost je získán matematickými úpravami ze zákona zachování energie. Do relace se položí kinetická energie a potenciální energie dvou odlišných stavů systému a z rovnice se vyjádří rychlost. Vztah pro výpočet rychlosti před dopadem (1) a po odrazu (2) je 𝑣𝑖 = √2 ∙ 𝑔 ∙ ℎ𝑖

𝑖 = 1,2

Při přípravě na kalibraci bylo řešeno několik problémů. První z nich bylo spouštění kuličky bez vnějších vlivů. Bylo zkoušeno použití válcového elektromagnetu Magno Sphere 12/24 V, ale kulička byla magnetickým polem částečně na krátký časový okamžik magnetována a start z určité polohy byl se zpožděním a zpomalen. Řešením bylo použití hodinářských hladkých kleští.

Obr.: Elektromagnet Magno Sphere 12/24 V. Dalším problémem bylo definovat polohu dopadu pro ocelovou kuličku na činnou plochu PVDF filmu. Činná plocha PVDF filmu byla zmenšena a trefit se byl velký problém. Řešením bylo použití PMMA trubic, kterými je pohyb kuličky usměrněn. Trubice byly objednány s různými vnitřními průměry pro ocelové kuličky a upraveny na nominální délku 200 mm, 400 mm a 600 mm. Byla provedena diskuze nad ovlivněním pádu, možného tření, odporové síly a jiných vlivů, ale bylo usouzeno, že jejich vliv je zanedbatelný.

Obr.: PMMA trubice různých délek. Realizace této metody byla provedena měřením signálu na PVDF filmu pomocí NI oscilografické karty NI USB-5132, kamerováním pozice fotokamerou LUMIX a vyhodnocena v programu NI Signal Express 2012. Byly použity tři kuličky o průměru 5,52 mm; 6,31 mm a 29

6,96 mm a start byl volen ze tří počátečních nominálních výšek 200 mm; 400 mm a 600 mm. Sestavení kalibrace je na následujícím obrázku.

stojan trubice

stojan fotokamery

měřítko

různé délky trubic

oscilografická karta NI USB-5132

počítač s NI Signal Express

Obr.: Sestava kalibrace. Získaná data byla zpracována v prostředí NI Signal Express 2012, odečítal se počáteční a koncový okamžik působení kuličky a elektrické napětí na senzoru. V programu windows media player byla ze série snímků pohybu kuličky odečítána její poloha po odrazu. Na laboratorních vahách byla zjištěna hmotnost kuličky. Z uvedených hodnot byly v programu Microsoft Excel dopočítány střední síla působící na film a maximální síla působící na film, a po přiřazení elektrickému napětí na filmu získána kalibrační závislost. Dále byla jednotlivými body proložena kalibrační přímka, jejíž tvar je U [V] = 0,0015 . F [N] + 0,207. Na tomto místě je vhodné zopakovat, že kalibrační závislost je nutné získávat z důvodu originality daného kompozitu film-lepidlo-podklad a že i v rámci výměny filmu, například z důvodu poškození, je nutné získat novou kalibrační křivku, způsob a průběh lepení může ovlivnit její tvar.

30

3,5

Elektrické napětí (V)

3 U = 0,0015F + 0,207 2,5 2 1,5 1 0,5 0 0

500

1000

1500

2000

Maximální síla (N) Obr.: Kalibrační křivka.

13. Měření na vysokorychlostním kavitačním tunelu Po seznámení se zařízením, přilepení PVDF filmu na testovací disk a jeho kalibraci bylo provedeno několik testovacích měření za účelem otestování přilepení a metodiky měření. Testovací disk byl vložen do příruby, která se vkládá do testovací sekce kavitačního tunelu. Na obrázku sestavy měření jsou vyznačeny: příruba s testovacím diskem, oscilografická karta NI USB-5132, počítač a sluchátka (při provozu je kavitací generován nepříjemný hluk).

Obr.: Testovací disk se senzorem v přírubě pro připevnění do kavitačního tunelu.

31

Příruba s testovacím diskem

NI USB-5132

Počítač s NI SignalExpress 2012

Sluchátka

Obr.: Sestava měření. Při měřeních jsme se setkali s řadou problémů. Mezi největší z nich patřilo narušení ochranné vrstvy PVDF filmu, destrukce kompozitu filmu a lepidla na disku, odlepení filmu a další. Ukázky problémů s narušením a odlepením PVDF filmu jsou na následujících obrázcích.

Obr.: Odlepení a poškození PVDF filmu. Tyto problémy byly řešeny výměnou PVDF filmu a použitím jiných druhů lepidlel (různá doba vytvrzení, různá pevnost, interakce s povrchem testovacího disku), zdrsněním povrchu drážky, atd. Následují obrázky několika přilepení.

32

Obr.: Nové zkoušené alternativy přilepení PVDF filmu. Vlastní měření sestávalo z měření různých režimů a tím získání několika signálů z PVDF filmu s různou vzorkovací frekvencí (obvykle 20 MS/s) a v různé délce (obvykle 50 ms). Ukázka signálů je na následujících obrázcích, kde důležité a řídící hodnoty jsou: σ je kavitační číslo; pu (upstream), což je tlak před diskem a pd (downstream), což je tlak za diskem; Q je průtok a v je rychlost proudění. Ze signálů je na první pohled poznat změna režimu, kde při prvním režimu získáme špičky kolapsů do několika desetin voltu a u druhého režimu se špičky přibližují blízko k jednomu voltu. Signály z měření jsou v současné době zpracovány, probíhá rozbor signálu a diskuze nad metodikou zpracování. Předpokládá se publikace zjištěných výsledků na konferenci.

Elektrické napětí (V)

0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 -0,1 -0,015

-0,005

0,005

0,015

0,025

Čas (s) Obr.: Signál pro režim: σ=0,868; pu=2,41 bar; pd=1,29 bar; Q=1,92 l/s; v=15,3 m/s.

33

Elektrické napětí (V)

2,5 2 1,5 1 0,5 0 -0,5 -0,01

-0,005

0

0,005

0,01

0,015

0,02

Čas (s) Obr.: Signál pro režim: σ=0,881; pu=5,70 bar; pd=3,03 bar; Q=2,98 l/s; v=23,7 m/s.

14. Realizace stáže V následující části o realizaci stáže budou vyjmenovány a popsány pouze nejdůležitější kroky a úkony provedené před, během a po stáži. Jedná se zejména o administrativní záležitosti, ale je zde uvedeno i několik praktických rad. Z uvedeného mohou čerpat budoucí stážisti, kteří zatím nemají se zahraničním pobytem tohoto typu zkušenosti, jako tomu bylo v mém případě. V tomto úvodním odstavci je také dobré říci, že uvedené platí zejména pro francouzské prostředí, které je svým způsobem specifické a českého studenta může leckdy překvapit. Obecně ještě uvádím, že v některých krocích bude potřeba určité oficiálnosti, která vyplyne z dané situace. Prvním krokem k realizaci jakéhokoliv výjezdu je dle mého názoru pevné rozhodnutí. Člověk by se měl po pečlivé úvaze zastavit a říct si jednoznačné ano nebo ne. Musí se totiž přípravě věnovat naplno a to samozřejmě stojí čas a námahu nejen sebe, ale i ostatních. Pokud ale již stážista čte tento odstavec, pravděpodobně už rozhodnutí udělal. V tento okamžik už tedy máme to „hlavní“ za sebou a nyní je důležité zjistit co nejvíce o možnostech, pravidlech a podmínkách pro stáž. Prvořadě je nutné zjistit, kdo za co zodpovídá a čím se na koho lze obrátit. Pak si připravit plný papír dotazů a hurá na ně! Je jasné, že zpočátku to budou obecné dotazy typu, která pracoviště jsou pro můj profesní záběr vhodná, čím je možno se na stáži zabývat, existuje už nějaká konkrétní spolupráce, … ale i typu, jak dlouho by měl můj pobyt trvat, jaký typ ubytování mohu volit, jak se do místa stáže mohu dopravit, jak bude stáž financována a další. Protože je projekt tematicky zaměřen právě na náš studovaný obor, pomoc s výběrem pracoviště, prvním kontaktem s tímto pracovištěm a diskuze se zahraničním pracovištěm o možném tématu by nemělo být problémem. Pokud druhá strana souhlasí a známe téma stáže, nic nestojí v cestě pro stanovení konkrétnějších podmínek a období pobytu. V tomto kroku mohou nastat potíže. Zahraniční pracoviště může mít totiž stanoven harmonogram prací dlouho dopředu a stážista by mohl harmonogram pracoviště 34

„nabourat“. Tak tomu bylo i v mém případě, v laboratoři LEGI pracovali na důležitém úkolu a náš návrh období stáže byl posunut o pět měsíců. Vytížení laboratoří typu LEGI je obrovské. Co se týká dalších podmínek, vše závisí na konkrétním případě a pracovišti. Pokud vše „dopadlo“, stážista se může věnovat vlastní přípravě stáže. Přípravu stáže je pravděpodobně ve všech případech možné rozdělit na dva hlavní směry, a to studijní přípravu a přípravu cesty a přípravu zázemí v zahraničí. Studijní příprava zahrnuje konkrétnější studium problematiky témata stáže (rešerše literatury, studium článků, …) a jazykovou přípravu. Nejlepším případem je, pokud stážista ovládá jazyk země, kam vyjíždí. Pokud tomu tak není, doporučuji se věnovat cizímu jazyku po celou dobu před odjezdem, a to co nejvíce. Nejenom že potěšíte své hostitele zájmem o jazyk, ale v některých případech se bez základů zkrátka neobejdete. Pravděpodobně v univerzitním prostředí problém nenastane, ale pro běžný život ve Francii stále platí nutnost znalosti základů francouzštiny. V některých případech, zejména experimentálně orientovaných stáží, tato část zahrnuje také přípravu experimentu včetně mnoha konzultací s odborníky jak z vysílající vysoké školy tak i zahraničního pracoviště. Dalším úkolem stážisty je připravit veškeré formální záležitosti související s dlouhodobým pobytem v zahraničí (na pracovišti: příkaz k pracovní cestě do zahraničí, plán stáže a rozpočet stáže, finanční záloha; osobní záležitostí: povolení přebírání poštovních zásilek osobou blízkou, plná moc v zastupování, …). Souběžně probíhá příprava zázemí v zahraničí. Je nutné zajistit ubytování a registraci na zahraničním pracovišti. Zajištění ubytování je důležité neodkládat. V mém případě se jednalo o téměř měsíc a půl trvající krok. Po pečlivém prostudování a vyhledání všech informací na internetu jsem kontaktoval osobu na místní správě kolejí a menz, tzv. CROUS (Centres Régionaux des Œuvres Universitaires). Po týdnu jsem obdržel email ve francouzštině, kde bylo požadováno několik základních dokumentů (kopie pasu, potvrzení o financování pobytu, přihlášku, …). Odeslal jsem tyto formuláře nutné pro přihlášení a obdržel jsem nový mail, kde bylo vyjmenováno několik podmínek a upozornění. Součástí emailu bylo několik příloh (přihláška, potvrzení o ručiteli, …) a dokumentů (stanovy kolejí, doporučení pro platby, …). Některé požadavky byly nesplnitelné, např. potvrzení o ručiteli ve Francii, který měl doložit vlastní daňové přiznání, nějaké prohlášení a tři poslední výplatní pásky a zaručit se za ubytovaného. Dále pak vyplnění údajů o platebním styku, kde bylo požadováno mezi cizinci mystické číslo RIB (Relevé d'Identité Bancaire), které existuje pouze ve Francii. Po týdnu a pomoci od francouzštináře jsem se zmohl na anglický mail s dotazy a otázkou splnitelnosti a obdržel jsem odpověď ve francouzštině, která konstatovala, že při nepředložení všech dokumentů nemůže být přidělena kolej. Tato situace mi upevnila názor, že nejlepší je se dopravit do místa osobním automobilem, které bych v případě nutnosti mohl využít pro přespání. Pokud přeskočím další problémy, že například pro mne nebyl k dispozici potvrzený pokoj a měsíc jsem musel bydlet jinde, musím konstatovat, že po umístění na nově domluvenou kolej a vyřízení administrativních kroků to dopadlo vcelku dobře. Některé dokumenty jsem sice nemohl odevzdat, ale zmíněný dokument o ručiteli byl vyřešen zaplacením větší kauce, číslo RIB jsem získal po otevření studentského účtu u francouzské banky. S otevřením bankovního účtu získá klient rovněž šekovou knížku a knížku na vklady šekem, dále pak platební kartu a přístup do internetového bankovnictví. Zde se lze setkat s problémem funkčnosti českého telefonního čísla při ověřování přístupu do internetového bankovnictví. V mém případě bylo nutné založit si rovněž francouzské telefonní číslo. Ve Francii lze v současné době nalézt řadu velmi výhodných operátorů, např. free. Po cenové revoluci proběhlé v posledních letech ve 35

Francii lze získat tarif v ceně 2 eura/měsíc za 2 hodiny volání na mobilní a pevné sítě ve Francii a do pevných linek do více než 100 destinací na celém světě, dále pak neomezené SMS a MMS a internet 50 Mo. Nabídka je to velmi výhodná a dle mého názoru ji každý využije nejen pro potřeby internetového bankovnictví. V předchozím odstavci byla zmíněna výhoda dopravy vlastním automobilem. Tato možnost v sobě skrývá řadu dalších výhod, jedná se zejména o dopravu „všeho možného“ s sebou do místa stáže. V mém případě se jednalo například o oblečení a obuv na letní, podzimní a i zimní sezónu, množství studijních pomůcek a materiálů, polštář, peřinu i povlečení (nejsou k dispozici na koleji), apod. Dopravu takového množství v zavazadlech veřejnou dopravou by bylo pravděpodobně nemožné. Pokud se ale stážista rozhodne cestovat vlastním automobilem, je vhodné, aby technický stav automobilu odpovídal určitému standardu a aby splnil veškeré podmínky provozu na pozemních komunikacích. Zde zejména zákonné pojištění vozidla a havarijní pojištění vozidla. Existují i další požadavky, např. ve Francii je nutné mít v automobilu připraven alkoholtester. Při zmínce o pojištění každého napadne vlastní pojištění stážisty. Je samozřejmostí mít zdravotní pojištění u některé z českých pojišťoven a vézt s sebou evropský průkaz pojištěnce, dále je doporučeno připojištění pro cesty do zahraničí včetně pojištění úrazového (pro sportovce nutno další připojištění) a odpovědnosti za škodu. Je vhodné využít některé z několika výhodných nabídek (např. tarif opakované výjezdy) pro studenty od pojišťoven AXA, UNIQA, atd. V mém případě bylo vše vyřízeno ještě před cestou, ale ve Francii bylo požadováno další pojištění odpovědnosti za škodu. Toto pojištění bylo podmínkou registrace na zahraničním pracovišti a bylo ho možné sjednat přímo při registraci. Posledním požadovaným pojištěním bylo pojištění ubytování požadované CROUSem při převzetí ubytování. Obecně je dle mého názoru nejvýhodnější využít nabídky „balíčku“ v rámci svého francouzského bankovního účtu, existují ale i jiné výhodné nabídky. Ačkoliv uvedená pojištění tvoří nemalou částku, určitě se vyplatí a zajisté i tvoří základ pobytu v zahraničí. Nyní, když už bylo „nakousnuto“ téma různých registrací, např. v knihovně, na zahraničním pracovišti, v menze, …, je vhodné uvést seznam potřebných dokumentů, které je třeba přivézt s sebou. Je možné, že některé z nich stážista nevyužije, ale protože „štěstí přeje připraveným“, doporučuji je připravit všechny. Pro pobyt je tedy vhodné připravit: 10 fotografií pasového formátu, 5 barevných kopií pasu (případně několik kopií občanského průkazu), 5 kopií evropské karty pojištěnce, kopie všech pojištění (vhodné mít i v anglickém jazyce a včetně podmínek pojištění), několik potvrzení o studiu na české vysoké škole (potvrzení o účasti na stáži lze získat po registraci na zahraničním pracovišti), kopie zvacího dopisu, informace o českém účtu (IBAN), dokumenty pro ubytování, potvrzení o finanční podpoře z projektu. Někdy může být požadován rodný list, nebo jeho překlad. Nejlepší je získat kopii rodného listu na matrice, se kterou je možné případně pracovat a původní originál zanechat doma. Překlady dokumentů vyhotovené českými překladateli nemusí být obecně uznávány. Pomoc s vyhledáním místního překladatele mohou poskytnout pracovníci honorárních konzulátů (např. v Lyonu) nebo pracovníci generálních konzulátů a velvyslanectví (Velvyslanectví České republiky v Paříži), a dále Stálé mise, Stále delegace a Česká centra. Případně lze žádat o pomoc organizaci Čeští studenti a mladí profesionálové ve Francii. Velvyslanectví České republiky v Paříži dokonce překlady samo vydává. Při zahraničním pobytu se mohou vyskytnout různé situace a komplikace. Je třeba mít na paměti, že uvedené organizace mohou při řešení pomoci. 36

15. Stáž a život stážisty na zahraničním pracovišti K vlastní stáži by bylo možné napsat mnoho stran doporučení. Z velké části se ale jedná o individuální záležitost a tak se zmíním pouze o několika důležitých doporučeních. Těsně před příjezdem do zahraničí je více než vhodné se předem ohlásit a rovněž přijet ve vhodnou dobu (to samé platí i o odjezdu). Francouzi dodržují řadu zvyklostí (brzo ráno a pozdě odpoledne před koncem pracovní doby nikoho neshánět - začátek práce kolem 8 – 9 hodiny ráno, konec kolem 18 hodiny; oběd kolem 12 hodiny s pauzou hodinu a půl; řada svátků, …). Po příjezdu proběhne první kontakt, během kterého je samozřejmostí prezentace svého domácího pracoviště. Stážista by měl být schopný přednést jeho odborný profil. Vhodná je i prezentace své vlasti České republiky a svého místa bydliště. V dalších dnech obvykle probíhá registrace stážisty v laboratoři, knihovně, menze a další jiné „papírování“. Na to je třeba se obrnit trpělivostí a udržet si profesionální klid a odstup. Současně začíná fáze aklimatizace na místní podmínky (umět pozdravy, dobré chování a slušné vystupování je samozřejmostí, což ve Francii platí dvojnásob; pracovní doba; kultura a zvyklosti). Aklimatizace přechází pozvolna v zapojení do života zahraničního pracoviště (účast na seminářích, exkurzích, veřejných obhajobách závěrečných prací, ale i společné obědy a případný sport, společný úklid laboratoře, společná hrdost na laboratoř, účast na Ph.D. days, atd.). V pracovní oblasti je vhodné se zaměřit na její kvalitu, nad prací diskutovat, vznášet nové nápady a otázky, dále pak konzultace s ostatními. Existuje řada dalších doporučení a rad pro úspěšné začlenění do prostředí zahraničního pracoviště, není je však možné v rozsahu této práce uvést a popsat. Obecně ale platí, že pokud má stážista vštípené základy slušného chování a novým zvyklostem se naučí, neměl by vzniknout při jeho stáži větší problém. Na konec této kapitoly, a vlastně i s blížícím se závěrem celé zprávy, si dovolím už jen osobní vzkaz a přání všem dalším stážistům – ať vám stáž dobře dopadne, držím vám palce!!!!!

16. Závěr Cílem popsané stáže na zahraničním pracovišti - v laboratoři LEGI, Université Grenoble Alpes v rámci projektu CZ.1.07/2.3.00/20.0139 „Budování excelentního vědeckého týmu pro experimentální a numerické modelování v mechanice tekutin a termodynamice“ bylo provést společný výzkum české a francouzské strany na téma interakce kavitačního pole a kavitačního poškození. Na tomto významném zahraničním pracovišti totiž existuje potenciál napojení českého týmu do špičkové vědecké práce a sítě zahraničních univerzit a laboratoří zabývající se problematikou kavitace. Uvedený cíl byl realizován tříměsíční stáží studenta doktorského studia, který praktikoval výzkumnou činnost v podmínkách zahraniční laboratoře. Byla prováděna různá měření na vysokorychlostním kavitačním tunelu v laboratoři LEGI, včetně nepřímého zapojení do probíhajících prací. Během pobytu stážista rozšiřoval své znalosti v oboru kavitace, získával zkušenosti s metodikou práce na zahraničním pracovišti a zkušenosti při práci s jedinečnými zařízeními a zároveň navazoval nové kontakty s pracovníky laboratoře. 37

Projekt CZ.1.07/2.3.00/20.0139 „Budování excelentního vědeckého týmu pro experimentální a numerické modelování v mechanice tekutin a termodynamice“ poskytl stážistovi příležitost prestižní stáže včetně financování. Stážista získal obrovskou profesní zkušenost a kontakt na pracovníky zahraničního pracoviště zabývajícího se kavitací. Stážista předpokládá zhodnocení a využití svých nových znalostí a zkušeností ve svém dalším působení při výzkumu v problematice kavitace, včetně využití možnosti konzultace s odborníky a kolegy v laboratořích LEGI na Université Grebnoble Alpes, a to zejména v oblasti měření interakce kavitačního pole s povrchem lopatky v kavitačním tunelu, včetně porovnání výsledků měření obou pracovišť.

38

Zdroje informací [1] Franc, J. - P. (1995). La cavitation: mécanismes physiques et aspects industriels. EDP Sciences. [2] Franc, J. - P., & Michel, J. M. (2004). Fundamentals of cavitation. In Fluid Mechanics and its applications. Kluwer Publ. [3] Kim, K. - H., Chahine, G., Franc, J. - P., & Karimi, A. (2014). Advanced Experimental and Numerical Techniques for Cavitation Erosion Prediction. Fluid Mechanics and Its Applications. Springer. [4]

NOSKIEVIČ, J.: Kavitace. Praha: ACADEMIA, 1969.

[5]

BRDIČKA, M.; SAMEK, L.; TARABA, O.: Kavitace Diagnostika a technické využití. Praha: SNTL, 1981.

[6]

NOSKIEVIČ, J. A KOL.: Kavitace v hydraulických strojích a zařízeních. Praha: SNTL, 1990.

[7]

BRENNEN, CH., E.: Cavitation and Bubble Dynamics. Oxford: Oxford University Press, 1995

[8]

KUMAR, P., SAINI, R.,P.: Study of cavitation in hydro turbines—A review, Renewable and Sustainable Energy Reviews 14, 374–383, 2010.

[9]

MÜLLER, M.: Dynamic behaviour of cavitation bubbles generated by laser. Liberec: TU v Liberci, 2008. ISBN 978-80-7372-241-8.

[10] LEGI, interní dokumenty, internetové stránky. [11] Université Grenoble Alpes, internetové stránky. [12] CNRS, internetové stránky. [13] Wikipedia, internetová encyklopedie. [14] Technická univerzita v Liberci, internetové stránky. [15] WANG, Y., C.; CHEN, Y., W.: Application of piezoelectric PVDF film to the measurement of impulsive forces generated by cavitation bubble collapse near a solid boundary. Experimental Thermal and Fluid Science, 32, 403-414, 2007.

39

Odkazy na www stránky Université Grenoble Alpes http://www.univ-grenoble-alpes.fr Université Joseph Fourier www.ujf-grenoble.fr Université Pierre-Mendès-France www.upmf-grenoble.fr Université Stendhal http://www.u-grenoble3.fr Grenoble INP www.grenoble-inp.fr LEGI http://www.legi.grenoble-inp.fr

Další významné publikace v oboru Fortes Patella, R., Challier, G., Reboud, J. - L., & Archer, A. (2013). Energy Balance in Cavitation Erosion: From Bubble Collapse to Indentation of Material Surface. J. Fluids Eng., 135(1), 011303. Goncalves Da Silva, E., Decaix, J., & Fortes Patella, R. (2010). Unsteady simulation of cavitating flows in Venturi. Journal of Hydrodynamics, 22(5), 753–758. Goncalves Da Silva, E. (2014). Modeling for non isothermal cavitation using 4-equation models. International Journal of Heat and Mass Transfer, , 1–17. Decaix, J., & Goncalves Da Silva, E. (2013). Compressible effects modelling in turbulent cavitating flows. European Journal of Mechanics – B/Fluids, 39, 11–31. Sansone, E., Pellone, C., & Maître, T. (2010). Modeling the Unsteady Cavitating Flow in a Cross-Flow Water Turbine. Journal of Fluids Engineering, 132(7), 071302. Franc, J. - P., & Riondet, M. (2012). Material and velocity effects on cavitation erosion pitting. Wear, 274, 248–259. Carnelli, D., Karimi, A., & Franc, J. - P. (2011). Application of spherical nanoindentation to determine the pressure of cavitation impacts from pitting tests. Journal of Materials Research, 27(01), 91–99. Franc, J. - P., Karimi, A., Chahine, G., & Riondet, M. (2011). Impact Load Measurements in an Erosive Cavitating Flow. Journal of Fluids Engineering, 133(12), 121301. 40

Přílohy Schéma členění laboratoře LEGI a personální obsazení

41