Ústav geoniky Akademie věd České republiky

Vytvoření nástroje využívající modulovaný vodní paprsek generovaný v důsledku samobuzeného kmitání pro efektivní dělení materiálů a úpravu i čistění ploch.

Zadání projektu

Vytvoření nástroje využívající modulovaný vodní paprsek generovaný v důsledku samobuzeného kmitání pro efektivní dělení materiálů a úpravu i čistění ploch. Nástroj musí být schopen generovat účinné samobuzené pulzace v rozsahu napájecích tlaků od setin po stovky MPa. Dané samobuzené pulzace musí vznikat při dostatečně vysokých frekvencích (pro desítky MPa napájecího tlaku desítky kHz frekvence kmitání), tak aby účinek modulovaného paprsku byl dostatečný. Jako výsledek je požadován funkční prototyp.

Společnost: Ústav geoniky AV ČR, v.v.i.

Název reference: Nástroj se samobuzeným modulovaným vodním paprskem.

Autor reference: Ing. Zdeněk Říha

Použitý SW: Ansys Fluent

Řešení

Návrh nového nástroje vycházel z numerického modelování nestacionárního turbulentního stlačitelného vícefázového proudění ve vnitřním prostoru nástroje a na výstupu z něho. Na základě popsaných výpočtů byl vytvořen CAD model nástroje. Následovala výroba prototypu nástroje.

Dále byla provedena měření vlastního tvaru proudového pole na výstupu z nástroje a měření účinku modulované paprsku na daném materiálu. Konečný tvar nástroje byl verifikován s ohledem na dosažené výsledky na daném prototypu.

Výsledek

Díky vývoji virtuálního modelu v kombinaci s výsledky dosaženými na modelu reálném se podařilo v krátké době navrhnout funkční nástroj pro dělení materiálů a úpravu i čištění ploch vysokorychlostním modulovaným vodním paprskem.

Návrh byl experimentálně ověřen. Získaná data potvrdila kvalitu použitých matematicko-fyzikálních modelů. Ukázalo se, že nástroj poskytuje nové možnosti v oblasti využití vysokorychlostního vodního paprsku.

Vyvinuté řešení bylo patentováno a je poskytováno formou licencí průmyslovým partnerům.

Použitý software

Pro tvorbu matematicko-fyzikálního modelu byl použit program Ansys Fluent. Výpočetní síť byla vytvořena pomocí programu GAMBIT.

Použitý software umožnil modelovat komplikované proudění v čase se zohledněním stlačitelnosti kavitace a odpaření při uvažování 3D turbulentním vícefázovém proudění. Bez takto podrobného fyzikálního popisu by nebylo možné nástroj vůbec navrhnout.

Díky možnosti vytvořit velmi kvalitní výpočetní sítě bylo možné realizovat výpočty v relativně krátkém čase na běžné výpočetní stanici.

Jak hodnotí řešení náš klient

Především díky možnostem programu Ansys Fluent se nám podařilo v relativně krátké době zkonstruovat nástroj dle daného zadání a doložit jeho funkčnost vyrobeným prototypem.  Virtuální prototyp vyvinutý v prostředí programu Ansys nám umožnil aplikovat nový fyzikální princip do stávající technologie za nízkých finančních nákladů. Navíc virtuální prototyp jako takový, může být dále využíván jako součást optimalizace vybraných parametrů, což dále významně rozšiřuje efektivitu a možnosti daného návrhu.

Zdeněk Říha