Syntetizovaný proud (Synthetic Jet)

Začátkem března 2006 byla na ženevském autosalonu představena koncepce sportovního combi Renault Altica. Tak jako většina takovýchto studií je to především přehlídka estetické dovednosti designérů, ale také ukázka aplikace nových technických řešení. Jedním z takových řešení je použití zařízení pracujícího na principu tzv. „Synthetic Jet" (SJ) pro snížení odporu vzduchu a tím i pro snížení spotřeby paliva. V případě vozu Renault Altica je střecha vozu v blízkosti odtokové hrany opatřena štěrbinou, která umožňuje výtok a nasávání vzduchu z okolí. Autory automobilu je pro toto uspořádání udávaná velmi optimistická hodnota snížení spotřeby paliva až o 15 %, přičemž příkon samotného zařízení je udáván neuvěřitelně malých 10 W(!).

Příkladem aplikace s obdobnou funkcí je řešení korejské automobilky Kia Motors Corp. (pravděpodobně ještě nikdy nepředvedené v Evropě), kdy je zadní nárazník vozu osazen řadou kruhových trysek generujících SJ.

Třebaže se uvedené příklady zdají být v současné době přinejmenším futurologické, nelze je jen proto odmítat - i v těchto případech totiž může platit onen známý a okřídlený výrok „nikdy neříkej nikdy". Navíc je na těchto příkladech možné ukázat jednu z mnoha aplikací poznatků vzešlých ze základního výzkumu prováděného během posledních let.

Se zařízeními pracujícími na principu SJ se můžeme setkat nejen v automobilovém průmyslu, ale také v letectví (kde slouží ke zvětšení vztlakové síly popř. redukci aerodynamického odporu), v konstrukci čerpadel a ejektorů, v oblasti chlazení i ohřevu, při směšování v chemických reaktorech apod.

První průkopnické práce zabývající se SJ pocházejí z dob, kdy termín „Synthetic Jet" ještě ani nebyl znám. Jedna z prvních zdařilých aplikací byla stručně popsána již před půl stoletím v zařízení používajícím oscilující membránu k vytvoření proudu vzduchu pro kalibraci teplotních sond.

V druhé polovině 20. století se můžeme setkat s publikacemi, které se zabývají vytvářením tekutinových proudů pomocí oscilujících pístů a některými speciálními případy oscilujícího proudění, jako např. tzv. „akustické proudění" ("acoustic streaming"), proudění způsobované oscilujícím tělesem nebo proudění vytvářené ať již stojatým nebo postupným akustickým vlněním.

Koncem 20. století se problematika SJ stala předmětem intenzivního bádání. Samotný anglický termín „Synthetic Jet" byl zaveden Smithem a Glezerem v práci The formation and evolution of synthetic jets v roce 1998. Počátek 21. století pak přinesl velmi rozsáhlý výzkum v řadě významných světových laboratoří.

Velmi potěšitelnou skutečností je fakt, že se výzkum SJ provádí na světové úrovni také v Česku. Od roku 2001 je rozsáhlý výzkum prováděn v Ústavu termomechaniky AVČR (ÚT) - například článek Trávníček & Tesař (Annular synthetic jet used for impinging flow mass-transfer, Int. J. Heat Mass Transfer 46, 3291 - 3297, 2003) je jedním ze dvou prvních známých časopiseckých publikací na světě, které pojednávají o použití SJ pro chlazení. Dnes se tématu SJ věnují na vysoké úrovni kromě ÚT-AVČR již i na dalších spolupracujících institucích, kterými jsou TU Liberec a ČVUT Praha.

Do češtiny termín „Synthetic Jet" překládáme jako „syntetizovaný proud", tj. proud vzniklý skládáním („syntézou") z řady po sobě následujících pulzů tekutiny. Možný překlad „syntetický proud" není používán, neboť může evokovat zavádějící představu jakéhosi „umělého" proudu.

Syntetizované proudy jsou tekutinové proudy, které jsou generovány z periodických pulzací tekutiny, jež je cyklicky vyfukována a nasávána vhodným otvorem (tryskou). Třebaže v otvoru samotném je časově střední průtok nulový, v dostatečně velké vzdálenosti od otvoru může posloupnost výfuků způsobovat nenulový tekutinový proud, který je takto „syntetizován" z periodických pulzací. Zařízení se mohou podstatně lišit svojí konstrukcí, ale uvedený základní mechanismus a princip činnosti je vždy stejný. Na obr. 1 je znázorněno nejjednodušší uspořádání: Akční (budicí) člen je na jedné straně opatřen otvorem, kterým je periodicky nasávána/vytlačována tekutina do/z dutiny akčního členu. Generátor pulzací tekutiny může pracovat na principu reproduktoru, piezokrystalu, elektromagnetu, pístu, popřípadě jiného zařízení. Optimální typ a konstrukci celého budicího členu je nutné volit s ohledem na předpokládaný rozsah pracovních frekvencí, pracovní teploty, druh pracovního média a požadovaný výkon zařízení.

Pro snazší pochopení funkce SJ je vhodné si podrobněji rozebrat jeden pracovní cyklus (viz obr. 2). Pracovní cyklus začíná pohybem membrány z nulové polohy (poloha 0a) ve směru -z, který způsobí nasávání tekutiny otvorem do dutiny akčního členu. Po dosažení maximální výchylky (poloha 1), dochází k vytlačování tekutiny z otvoru. Největší rychlosti vytlačování je přitom dosaženo v pozici nulové výchylky membrány (poloha 0b). Dále se membrána pohybuje ve směru +z až do polohy 2. Po dosažení této polohy dochází opět k nasávání tekutiny do dutiny a celý cyklus se opakuje. Pro správnou funkci SJ musí být splněna podmínka, že vytlačovaný proud tekutiny musí mít dostatečně velkou rychlost k tomu, aby byl při dalším cyklu vzdálen od trysky tak, aby proud již nemohl být ovlivněn nasáváním zpět do dutiny akčního členu.

Jak je vidět na obr. 3, na okraji akčního členu se ve fázi vytlačování začínají tvořit vírové prstence. Vlivem disipativních procesů probíhajících v tekutině se tyto zprvu velmi zřetelné vírové struktury rozpadají a ve větší vzdálenosti od trysky se ztrácí periodický charakter proudění a proud tekutiny je svým charakterem velmi blízký stacionárnímu výtoku z trysky. Vývoj proudění v ose trysky z se zvětšující se vzdáleností od trysky je znázorněn na obr. 4.

Důležité pro optimální funkci SJ je provést konstrukci a zvolit budicí frekvenci tak, aby toto zařízení pracovalo v rezonanci, tj. ve stavu, kdy bude vlastní frekvence pulzujícího sloupce tekutiny totožná nebo velmi blízká vlastní frekvenci budicího členu. Zařízení pracující v takovémto stavu má při stejném příkonu nejvyšší amplitudu, a tak je hmotnostní tok tekutiny při daném výkonu maximální.

Z předchozího popisu funkce je patrná jedna z výhod SJ, a to generace proudu bez přívodu tekutiny. Ačkoliv je střední hmotnostní tok tryskou nulový, v dostatečné vzdálenosti od trysky jsou hmotnostní tok i hybnost proudu ve směru osy z nenulové. Tato vlastnost eliminuje potřebu potrubí pro přívod tekutiny a dává nám možnost mít proud vzduchu v zařízení k dispozici právě na požadovaném místě.

Další z vlastností, která bývá využívána v aplikacích, je vysoká hodnota intenzity turbulence takto generovaného proudu tekutiny, což bývá využíváno hlavně při ohřevu nebo chlazení.

SJ má mnoho aplikací, jejichž počet se stále rozrůstá. Nejdůležitější typické aplikace je možné rozdělit do dvou základních skupin: řízení hlavního (primárního) proudění a samostatné užití SJ nebo jeho soustav.

V těchto aplikacích může být směrován jak proud tekutiny vytékající paralelně s řídicí tryskou, tak proud tekutiny proudící kolmo na řídicí trysku. Vliv SJ na proud tekutiny je zřetelný z obr. 5. Obr. 5a zobrazuje případ se zapnutým řídicím SJ, kdy hlavní proud je vychýlen z přímého směru a dopadá do tzv. kolektoru, kterým odchází. Není-li řídící SJ zapnutý, není hlavní proud ničím ovlivněn, a tak proudí přímým směrem (obr. 5b). Zařízení SJ je v tomto případě řízeno elektrickým proudem a celé takové zařízení, které je schopné směrovat i velmi velké průtočné objemy tekutiny, se obejde bez nutnosti složitých mechanických součástí.

Příkladem může být řízení turbulence a řízení odtržení mezní vrstvy. To může v důsledku přinášet snížení odporu, zvýšení vztlaku, popřípadě snížení hluku. Jednou z aplikací je již v předchozím textu zmíněná koncepce automobilu Renault Altica. Další možnosti uplatnění je možné najít na profilech křídel letadel (obr.6) či na lopatkách vrtulníků, přitom některé případy jsou interpretovány jako tzv. „virtuální změna tvaru" profilu („virtual shaping effect").

V poslední době se velmi intenzivně uvažuje o tzv. „inteligentním řízení" („smart control"), kdy charakteristiky profilu se přizpůsobují jednak momentální situaci v mezní vrstvě, jednak respektují záměry vnějšího řídicího systému. To umožňuje zlepšit parametry profilu a manévrovací schopnosti stroje, popřípadě dovoluje zjednodušit či zcela odstranit mechanické systémy v křídle. Zvláště perspektivní se jeví tyto technologie u malých a velmi malých bezpilotních létajících a podvodních prostředků (Micro Air Vehicle MAV, Unmanned Aerial Vehicle UAV, Autonomous Underwater Vehicle, AUV).

Jiná perspektivní aplikace SJ, která je v současné době řešena v laboratořích ÚT, se zaměřuje na zlepšení vlastností vrtulí větrných elektráren. Cílem experimentálního výzkumu je zvýšení výkonu a snížení aerodynamického hluku.

Příklad vlivu proudění SJ na aerodynamický odpor „špatně obtékaného tělesa" („bluff body") je možné najít např. v práci, kde je ukázán vliv správného „naladění" na velikost odporu. Na obr.7 je obtékané těleso, které je v blízkosti odtokových hran opatřeno tryskami, z nichž je střídavě vytlačován a nasáván proud tekutiny. Na obrázku je znázorněno proudové pole za tímto tělesem v případě, kdy trysky nepracují, trysky pracují ve fázi a kdy pracují v protifázi. Z výsledků je patrné, že použitím takovéhoto zařízení můžeme dosáhnout poklesu součinitele odporu o 25 %. Podmínkou pro dosažení optimálních vlastností je samozřejmě možnost regulovat frekvenci a výkon SJ v závislosti na rychlosti okolo proudící tekutiny. Obdélníkový profil může být v tomto případě například modelem automobilu.

Typickým příkladem je řízení turbulence a řízení odtržení mezní vrstvy. Například průtok široce rozevřeným difuzorem, který je náchylný k odtržení od stěny, je možno pomocí SJ stabilizovat. Potlačení nežádoucího odtržení proudu pak velmi účinně snižuje energetické ztráty.

Intenzifikace směšování pomoci SJ má význam v mnoha chemických procesech, např. při spalování. Soustava SJ zlepšuje směšování paliva a vzduchu, což přispívá ke zlepšení parametrů zařízení, a může např. zvýšit výkon, snížit škodlivé emise, popř. zmenšit celkové rozměry.

Velmi zajímavým příkladem z poslední doby je chlazení elektroniky při velmi malých rozměrech (Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS), kdy proudění je často laminární a sdílení tepla proto malé. Numerická studie modeluje intenzifikaci chlazení elektronického procesoru: Na jednostranně vyhřívaný kanál, kterým protéká laminárně vzduch, je možné působit řídicím SJ. Laminární proud je tak účinně narušován (autoři hovoří o „pseudo-turbulenci"). Třebaže mechanismus interakce je doposud nejasný, pro vhodné uspořádání a vhodné parametry proudu je možno chlazení procesoru zlepšit.

Např. pro řízení autonomních prostředků ve vzduchu i ve vodě. Třebaže se tato oblast aplikací zdá být výzkumu v ČR velmi vzdálená, opak je pravdou. V nedávné době byly v rámci rozsáhlé mezinárodní spolupráce velmi úspěšně vyvíjeny nové generace budičů SJ, především tzv. hybridní SJ a dvojčinné SJ. Cílem těchto prací bylo zdokonalit SJ především pro potřeby chlazení elektroniky. Jako vedlejší výsledek se ukázalo, že zlepšenou geometrii budiče je možno použít pro návrh trysky podvodního autonomního zařízení (Autonomous Underwater Vehicle, AUV).

Činnost SJ ve vodě přináší zvláštní specifika. I když ve vodě pracuje SJ při relativně malé frekvenci (řádově v několika desítkách Hz), dochází vlivem značného zrychlení tekutiny na povrchu akčního členu k uvolňování v kapalině rozpuštěných plynů a ke vniku kavitace. Vzniklé bublinky mohou ovlivnit výslednou tuhost soustavy a tak nepříznivě ovlivňovat funkci zařízení. Výzkumem proudění SJ ve vodě se dnes jako jedno z mála pracovišť na světě zabývají odborníci na TU Liberec.

Pulzační charakter proudu a jeho vysoká intenzita turbulence dává velmi dobré předpoklady pro dosažení vysokých hodnot součinitele přestupu tepla. Samozřejmě i zde opět vystupuje výhoda SJ, kdy mizí potřeba přívodního potrubí. Pokud je zařízení pracující se SJ správně navrženo a teplosměnná plocha je umístěna do optimální vzdálenosti, je přestup tepla výrazně intenzivnější. Z toho důvodu se SJ stává velmi perspektivní alternativou pro mnohé případy chlazení, např. vysoce zatížených součástek v elektronice nebo při chlazení lopatek spalovacích turbín.

Další možnosti přináší kombinace SJ s čerpadlem nebo ejektorem. Příklad konstrukce bezventilového čerpadla je uvedena na obr. 8. Toto bezventilové čerpadlo se skládá ze dvou difuzorů a z komory s akčním členem. Difuzory jsou optimalizovány tak, aby měly v jednom směru daleko větší odpor než v druhém. Periodický pohyb akčního členu způsobí nasávání tekutiny jedním difuzorem a jeho vytlačování druhým. Takovéto zařízení může mít velmi vysoký výkon při velmi malých rozměrech. Využívá se dnes především v systémech MEMS a v medicínských aplikacích.

Zařízení pracující na principu Synthetic Jet jsou konstrukčně relativně jednoduchá, a přitom mají velké množství nesporných výhod. Je možná jen chybou nedostatečné komunikace mezi vědeckými pracovníky a odbornou technickou veřejností, že zařízení pracující na principu SJ nejsou doposud využívána v daleko širším měřítku. Na základě dnes známých teoretických poznatků a získaných praktických zkušeností se zdá, že záleží jen na důvtipu a odvaze konstruktérů a manažerů, zda se odhodlají použít ve svých produktech nové technologie.

Poděkování za podporu této práce náleží GA ČR (grantový projekt č. 101/05/2681).

Tomáš Vít

Petra Dandová

Zdeněk Trávníček

tomas.vit@tul.cz

Technická univerzita v Liberci

www.tul.cz