Laboratorij za vodne in turbinske stroje Laboratorij za vodne in turbinske stroje predstavlja skupina (slika 1), v kateri so poleg vodje rednega profesorja dr. Braneta Široka še dva docenta, raziskovalec z doktoratom in dva mlada raziskovalca. Razvil se je iz Oddelka za aerodinamiko Turboinštituta in je od ustanovitve leta 1998 del Katedre za energetsko strojništvo na Fakulteti za strojništvo Univerze v Ljubljani, v kateri danes nastopa skupaj z Laboratorijem za termoenergetiko in Laboratorijem za toplotne batne stroje. Poleg tega smo tudi Ïlani ERCOFTAC-a, združenja Glass technology in Slovenskega društva za mehaniko. V delu skupine se zrcalijo temeljne in aplikativne raziskovalne in pedagoške aktivnosti, ki vsebinsko obsegajo nu- meriïno in eksperimentalno modeli- ranje snovnih in energijskih pretvorb v turbinskih strojih, konstruiranje turbinskih strojev in eksperimentalno modeliranje proizvodnih procesov. Moïno je poudarjeno sodelovanje z domaïo in tujo industrijo, kjer se LVTS pojavlja pri reševanju zahtevnih tehniïnih problemov, razvoju opre- me in izobraževanju. Za LVTS je znaïilno prepletanje na eni strani med raziskovalnim in pe- dagoškim delom ter na drugi strani med eksperimentalnim, analitiïnim in numeriïnim delom. Baziïne raziska- ve se preko aplikativnih pretvorijo v konkretne projekte, ki jih izvajamo v sodelovanju z industrijo, kjer so naši glavni partnerji v slovenskem prostoru Hidria, korporacija Knauf Insula- tion, Gorenje in Geoplin Plinovodi. Izhajajoï iz referenc na EU projek- tih, kot je bilo vodenje 5. okvirnega projekta na podroïju kavitacije, pa se raziskovalna skupina vkljuïuje v nove raziskovalne in izobraževalne projekte v evropskem prostoru. Na pedagoškem podroïju je LVTS prisoten tako na dodiplomskem kot tudi na podiplomskem študiju. V okviru obstojeïih programov se študentje sreïajo s predmeti îrpalke, Dinamika tekoïin v turbinskih strojih, Hidravliïni stroji, Hidroenergetski sistemi, Preizkušanje energetskih strojev in Teorija turbinskih strojev, kjer jih predvsem skušamo usposo- biti za samostojno delo pri raziska- vah, uporabi, vodenju in razvoju obstojeïih strojev in sistemov na podroïju energetike, kjer bodo lahko kompetentno presojali procese in skr- beli za njihovo trajnostno delovanje. V ta namen študente še posebej spod- bujamo k samostojnemu kreativne- mu delu, ki jih vodi v realni tehniïni svet. Izkaz tega so tudi podatki, da je bilo v obdobju zadnjih petih let pod okriljem LVTS opravljenih 5 doktora- tov (in še eden s somentorstvom), 2 magisterija in kar 32 diplom (in še 8 s somentorstvom). LVTS izvaja pedagoške aktivnosti tudi na Univerzi v Mariboru v sklopu pre- dmetov Ekoinženirstvo za program Tekstilstvo na Fakulteti za strojništvo in Tehniške meritve na Fakulteti za kmetijstvo. S prepletanjem raziskovalno-peda- goških aktivnosti pa se Laboratorij 234 Ventil 14 /2008/ 3 Slika 1. Îlani Laboratorija za vodne in turbinske stroje PREDSTAVITEV 235 Ventil 14 /2008/ 3 za vodne in turbinske stroje povezuje še s tujimi inštitucijami, kot so Uni- versity of Hertfordshire (Velika Brita- nija), SRH Hochschule Heidelberg (Nemïija), TU Darmstadt (Nemïija), E.N.S.A.M. Lille (Francija), Tehniïna univerza v Bitoli (Makedonija) in Center for Supercomputing Applica- tions St. Petersburg (Rusija). Na podroïju raziskovalnega dela velik del še vedno izhaja iz tradicije, ki pokriva vodne in turbinske stroje, kamor sodijo npr. vizualizacijske diagnostiïne metode kavitacije v turbinskih strojih in razvoj simula- torjev turbopropelerskih letalskih motorjev za letalo IL-114, precejšen del aktivnosti pa se je že prenesel tudi na druga podroïja. Aktualno delo je podrobneje predstavljeno v nadaljevanju. Na podroïju turbinskih strojev je la- boratorij moïno povezan z industrijo, kjer poteka sodelovanje pri izdelavi prototipnih radialnih in aksialnih ventilatorjev (slika 2). Izvedenih je bilo veï numeriïnih modeliranj in ekspe- rimentalnih analiz na integralnem in lokalnem nivoju. Za tovrstne meritve je na voljo oprema za lasersko me- rjenje hitrosti z laserskim Dopplerje- vim anemometrom, merjenje hitrosti z vroïo žiïko, petluknjiïna sonda in hitrotekoïa kamera. Na voljo imamo sodobno merilno opremo, ki vsebuje natanïne merilnike pretoka, tlaka, analizator moïi in sistem za re- gulacijo merilne postaje. Sode- lovanje s Hidria Inštitutom Klima iz Godoviïa pa omogoïa upo- rabo tudi preo- stale najnovejše eksperimental- ne opreme, ki zagotavlja mak- simalno kako- vost opravljene- ga dela. Poleg tega na po- droïju ventila- torjev raziskuje- mo vpliv deformacij lopat aksialnega ventilatorja, kar merimo s pomoï- jo vizualizacije s hitro kamero. Razvili in izdelali smo prototipni hibridni aksialni turbinski stroj z votlimi lopa- tami, ki izkorišïa notranji – radialni tok za zmanjšanje odlepljanja mejne plasti po profilu lopatice (slika 3). V novozgrajenem vetrovniku lahko profile lopatic tudi preizkušamo. Poleg tega smo z uporabo vizua- lizacijskih metod posneli tokovne razmere na profilu, razvijamo pa tudi metodo za doloïevanje hitrostnega polja s pomoïjo raïunalniško pod- prte vizualizacije (slika 4). Kvantifikacija kinematiïnih lastnosti toka predstavlja eno izmed pomemb- Slika 2. Laboratorij s preizkuševališÏema za kondenzatorje in aksialne ven- tilatorje Slika 3. Hibridni aksialni turbinski stroj z votlimi lopaticami Slika 4. Vetrovnik z opremo za vizualizacijo toka (a) in primer vizualizacije tokovnih razmer na profi lu (b) PREDSTAVITEV 236 Ventil 14 /2008/ 3 nih podroïij dela skupine. Metoda, ki smo jo razvili, omogoïa oceno hitro- stnega polja preko polja koncentracij polutanta v toku brez uporabe drugih merilnih metod (slika 5). Vizualiza- cija tokovnih struktur neposredno omogoïa vpogled v kvalitativno sliko toka na osnovi skalarnega polja kon- centracij. Advekcijska enaïba omo- goïa doloïitev kinematiïnih lastnosti toka preko polja koncentracij, ki ga z metodami raïunalniško podprte vizualizacije lahko merimo preko jakosti sivin na slikah. Poznavanje ki- nematiïnih lastnosti toka ima kljuïno vlogo v dinamiki tekoïin. Tako kot na podroïju ventilatorjev se s tokom zraka ukvarjamo tudi na eksperimentalni postaji za merjenje lastnosti prenosnikov toplote. V prostorih laboratorija v sodelovanju z Gorenjem izvajamo študije in me- ritve prenosnikov toplote in konden- zatorjev za sušilne stroje (slika 2). S preteklimi raziskavami smo ugotovili, da je s stališïa emisije hrupa ugodno, da imajo kondenzatorji sušilnikov perila porozno strukturo. Trenutno potekajo raziskave keramiïnih kon- denzatorjev, ki bi bili izdelani iz enega kosa. Na podroïju vodnih strojev se uk- varjamo predvsem s turbinami, v so- delovanju z industrijo pa v zadnjem ïasu tudi z ventili. Tu predstavlja pomembno raziskovalno podroïje kavitacija (slika 6), saj nastanek ka- vitacije v hidravliïnih strojih vodi k problemom, kot so vibracije, po- veïanje hidrodinamskega upora, pulzacije tlaka, spremembe kinema- tike toka, hrup in kavitacijska erozija trdnih površin. V laboratoriju intenzivno preuïujemo vse vidike kavitacije – od dinamike posameznega mehurïka do vpliva kavitacije na integralne karakteri- stike stroja. Poseben poudarek je na razvoju novih simulacij, s katerimi bi lahko natanïno napovedali nastanek kavitacijske erozije. Od lanskega leta dalje pa lahko za eksperimentalno delo na podroïju kavitacije upo- rabljamo raziskovalno kavitacijsko postajo, ki smo jo sami postavili in je locirana v prostorih Hidria Inštituta Klima v Godoviïu (slika 7). Naše znanstvenoraziskovalno delo pa ne obsega le eksperimentalnega, ki veïinoma v nadaljevanju vodi k industrijskim rešitvam, temveï smo zelo aktivni tudi na podroïju numeriï- nega modeliranja (slika 8). Numeriïno modeliranje je namenjeno študijskim raziskavam kompleksnejših tokovnih razmer, npr. izboljšanje napovedi vpli- va kavitacije na izkoristek turbine. Razvili smo tudi model za napove- dovanje erozijskih poškodb zaradi kavitacije, rezultati numeriïnih si- mulacij pa so bili veïkrat tudi ek- sperimentalno potrjeni z vrhunsko opremo (PIV-merjenje hitrosti, vizua- lizacija s hitro kamero). Dosedanje izredno obsežno raziskovalno delo je zaradi svoje kakovosti privedlo tudi do izdaje monografije Kavitacija, ki je prva takšna publikacija s tega po- droïja v slovenskem jeziku. Kavitacijo pokrivamo tudi z baziï- nimi raziskavami, kjer smo s hitro IR-kamero posneli temperaturna polja, ki so posledica ultrazvoïno vz- bujevane kavitacije, v zadnjem ïasu pa nam je uspelo numeriïno simuli- rati kolaps kavitacijskega mehurïka (slika 9). Kot osnovni mehanizem za veïino negativnih posledic kavita- cije predstavlja to nov prispevek k boljšemu razumevanju pojava. Slika 5. DoloÏevanje kinematiÏnih lastnosti toka z vizualizacijo Slika 6. Vizualizacija kavitacije in mer- jenje hitrostnega polja s PIV-metodo Slika 7. Merilna postaja za raziskovanje hidrodinamiÏne kavitacije Slika 8. CFD-analiza tokovnic v Fran- cisovi turbini PREDSTAVITEV 237 Ventil 14 /2008/ 3 Na podroïju dinamike tekoïin pa se ne ukvarjamo le s stroji. V sodelovanju z Morsko biološko postajo v Piranu (Na- cionalni inštitut za biologijo) raziskuje- mo plavanje meduz. Na podlagi pred- hodnega eksperimenta nam je uspelo numeriïno simulirati premikanje me- duze (slika 10). S strojniškega vidika je problem zanimiv predvsem zaradi kompleksnosti simulacij in tokovnih razmer, poïasi pa se odpirajo tudi možnosti prenosa nekaterih spoznanj na strojniške aplikacije. LVTS sodeluje tudi pri diagnostiki hladilnih stolpov. Na podlagi nume- riïnih in eksperimentalnih metod je bil razvit postopek doloïanja lokalnih termodinamskih lastnosti, na podlagi katerih se lahko izboljša delovanje hladilnega stolpa in s tem dvigne iz- koristek termoelektrarne (slika 11). Pri tem je bila za eksperimentalno delo v zahtevnem okolju hladilnega stolpa razvita tudi mobilna enota (slika 12). Pomembno podroïje dela LVTS je po- vezano s proizvodnjo kamene volne. Na podroïju nastanka kamene volne je bilo opravljenih veï prvenstvenih raziskav v proizvodnem procesu, ki vodijo do konïnega produkta v obliki izolacijskih plošï. Na sliki 13 je predstavljen nastanek kamene volne z razvlaknjenjem taline na centrifugi in tvorjenjem kosmov, posnet s hitro IR-kamero. V okviru laboratorija se razvijajo diagnostiïne metode v proizvodnem procesu kamene volne in fenomenološki modeli razv- laknjenja, ki zajemajo procese soli- difikacije taline, oblikovanje osnovne vlaknaste strukture in oblikovanje primarne plasti kamene volne v tur- bulentnem zraïnem toku. Delo na tem podroïju obsega tudi meritve proizvodnega procesa od na- stanka taline do razreza izolacijskih plošï: meritve pretoka taline, meri- tve in analiza razvlaknjenja taline, CFD-analizo komor, poleg tega pa še meritve, analizo in konstruiranje centrifug, merilnih sistemov za tehtanje primarne plasti, polimeri- zacijskih komor itd. V laboratoriju imamo na voljo merilno postajo za simulacijo procesa polimerizacije v trdilni komori. Merilna oprema omo- Slika 9. Merjenje temperaturnih polj ultrazvoÏno vzbujevane kavitacije s hitro IR-kamero (a) in numeriÏno modeliranje kolapsa kavitacijskega mehurÏka (b) Slika 10. CFD-analiza gibanja me- duze Slika 11. Diagnostika delovanja hladilnih stolpov Slika 12. Mobilna enota za eksperi- mentalno delo v hladilnih stolpih PREDSTAVITEV 238 Ventil 14 /2008/ 3 goïa merjenje pretokov, temperatur in dovedene elektriïne in termiïne energije. Na podlagi obsežnega znanja s podroïja kamene volne je bila prav pred kratkim pri priznani mednaro- dni založbi CRC izdana monogra- fija. Znanstvenoraziskovalno delo uspešno združujemo z industrijo, saj na podroïju proizvodnje kamene volne sodelujemo s partnerji v Slove- niji, Hrvaški, Avstriji, Nemïiji, Rusiji, Veliki Britaniji itd. Med aktualna podroïja, ki jih s svojim delom pokriva LVTS, spada tudi analiza tveganja na cevovodih za zemeljski plin. To podroïje je tudi v širšem evropskem prostoru zelo mlado, obravnava pa neželene izpuste in vžige plina in posledice teh dogodkov na ljudi in okolico. V LVTS smo razvili lasten model za ugota- vljanje in doloïevanje oz. oceno priïakovanih dogodkov na izbranih odsekih cevovoda, njihovih posle- dic na ljudi ter njihove pogostosti, s ïimer je mogoïe neposredno oceniti individualno tveganje v odvisnosti od oddaljenosti od plinovodnega sistema. Model se opira na statistiïne podatkovne baze, posledice nesreï pa so modelirane na podlagi izto- ka plina iz cevovoda in toplotnega sevanja goreïega plina. Model nad- grajujemo z izboljšanjem napovedi posledic nesreï, ki jih doloïimo s pomoïjo numeriïnega modeliranja, in z razvojem novih metod za ugo- tavljanje vpliva zunanjih dejavnikov na pogostost nesreï, kot so npr. ze- meljska dela, naravne nesreïe itd. Naj na koncu omenimo še eno zani- mivo podroïje aktivnosti LVTS. Na po- dlagi mednarodnega projekta Razvoj robotskega sistema za ciljni nanos fitofarmacevtskih sredstev v sadov- njakih in vinogradih izvajamo študijo kinematike toka v sadovnjakih in vi- nogradih, katere namen je zmanjšanje porabe fitofarmacevtskih sredstev pri škropljenju, na kar cilja okvirna uredba EU o trajnostni rabi fitofarmacevtskih sredstev. Pri delu smo v sodelovanju s partnerji razvili robotizirani pršilnik, ki na podlagi vizualizacije s kamero meri delež zelenih delov rastlin in glede na to vklaplja in usmerja šobe pršilnika. Lahko reïemo, da se ïlani LVTS ukvarjamo s pestro paleto raziskoval- nih podroïij, ki jih tudi uspešno obv- ladujemo. Visok dosežen znanstveni nivo se kaže v tem, da je bilo v za- dnjih petih letih objavljenih veï kot 50 izvirnih znanstvenih ïlankov in veï konferenïnih prispevkov, ob tem pa ne smemo spregledati soïasnega uspešnega sodelovanja z industrijo, ki je v tem ïasu privedlo do 8 paten- tov v Sloveniji in EU. Res pa je tudi, da je zadovoljevanje potreb industrije precejšnjega po- mena za laboratorij, saj finanïni prilivi na osnovi uspešno izpeljanih industrijskih projektov predstavljajo dobršen del sredstev. Za delo v prihodnosti imamo jasno zaïrtane smernice. Na pedagoškem delu želimo uspešno izvesti prehod na bolonjski študij, pri tem pa ohraniti dosedanjo kakovost študija. Krepiti želimo povezovanje z industrijo med študijem, na raziskovalnem podroïju in pri reševanju konkretnih proble- mov, ki se pojavljajo v praksi. V ta namen želimo nadgraditi obstojeïe sisteme in metode, kar vkljuïuje tudi posodabljanje merilne opreme in poveïevanje raïunske moïi raïu- nalnikov za izvajanje numeriïnih simulacij. îe nam to uspe vsaj deloma izpolniti, potem ne dvomimo, da bo naše delo uspešno tudi po znanstve- nih kriterijih. Aljaž Osterman, univ. dipl. inž., Fakulteta za strojništvo Ljubljana Slika 13. Tvorjenje vlaken kamene volne, posneto s hitro IR kamero PREDSTAVITEV nadaljevanje s strani 225 Making Virtual A reality VR 2009 (Svetovna konferenca o virtualni realnosti – VR 2009) 25. in 26. 02. 2009 Francija Organizator: ASME Europe Tematika: – Smeri razvoja VR – nizkocenovni pristop – Inovativna VR – razvoj in uporaba – Sistemi VR – tehnologija in metode – Napredni vmesnik – îloveški faktorji in aplikacije VR – Sodelovalna VR – Investicijski menedžment sistemov VR – VR pri izobraževanju in usposabljanju Informacije: – internet: www.asmeconferences.org/WINVR09 (tudi informacije o aktivnem sodelovanju – prispevki, sponzoriranju in razstavi) nadaljevanje na strani 274