Górnośląskie Centrum Obliczeń Naukowych i Inżynierskich

kierownik pracowni:

dr hab. inż. Dariusz Choiński, Prof. Pol. Śl.

 

Analiza własności termicznych mikrokalorymetru przepływu ciepła z wykorzystaniem modelu CFD.

 

Wraz z rozwojem takich dziedzin, jak mikroelektronika, pojawiła się możliwość miniaturyzacji kalorymetrów poprzez zastosowanie materiałów półprzewodnikowych do ich budowy, a tym samym redukcji objętości badanych próbek do zakresu kilkunastu µL. Jednakże, miniaturyzacja urządzenia prowadzi do ujawnienia się zakłóceń, które nie były tak istotne, jak w przypadku dużych (konwencjonalnych) kalorymetrów. Ponadto, zastosowanie jakiegokolwiek kalorymetru przepływu ciepła wymaga znajomości jego czułości Sth oraz własności dynamicznych, które według zaleceń producenta urządzenia, należy określić na drodze eksperymentalnej.

W tym celu stworzono trójwymiarowy model matematycznym układu pomiarowego z komercyjnym mikrokalorymetrem NCM-9924 (Xensor Integration), który wykorzystuje metody obliczeniowej mechaniki płynów (Computational Fluid Dynamics, CFD). Model CFD pozwolił na wnikliwą analizę własności termicznych mikrokalorymetru. Trójwymiarowy model CFD został zaprojektowany przy wykorzystaniu dokumentacji oraz danych pomiarowych otrzymanych dla rzeczywistego kalorymetru i zasymulowany w programie ANSYS Fluent 15.0.

Skalibrowany i zweryfikowany model CFD został wykorzystany do zbadania czułości kalorymetru oraz jego własności dynamicznych. Na podstawie badań symulacyjnych pokazano nieliniową zależność czułości Sth od mierzonej mocy cieplnej P w początkowym zakresie pomiarowym. Dla większych wartości mocy P, czułość Sth była stała i układ z kalorymetrem zachowywał się, jak układ liniowy. Informacje o zakresie liniowym mikrokalorymetru umożliwiają opracowywanie procedur pomiarowych dla określania bilansu energetycznego.

 

 image1 

image2

image3

 

Modele biotechnologicznej instalacji pilotażowej wykorzystujące metodę elementów skończonych dla procesów mieszania i  napowietrzania.

 

Został opracowany model numeryczny bioreaktora z dwoma sześciołopatkowymi mieszadłami turbinowymi. Geometria bioreaktora została zaprojektowana w oparciu o urządzenie eksperymentalne Biostat Aplus. Reaktor ten z dołu wyposażony jest w dno o kształcie elipsoidalnym. W bioreaktorze modelowano hydrodynamikę kłaczków osadów ściekowych wraz z modelem bilansu populacji. Do modelowania bilansu populacji kłaczków zastosowano dyskretną metodę, gdzie populacja kłaczków została podzielona na określoną liczbę kłaczków o różnych rozmiarach. Dużą zaletą metody dyskretnej jest możliwość oszacowania rozkładu rozmiarów kłaczków (particle size distribution) bezpośrednio. Opracowane modele umożliwiają również określenie wzrostu, agregacji czy rozpadu kłaczków wraz z analizą fizykochemiczną ich powierzchni. Do modelowania zjawisk mieszania wykorzystano model eulerowsko-eulerowski ze standardowym modelem turbulencji  k-ε. W modelowaniu zjawiska mieszania wykorzystano układ wielokrotnego odniesienia MRF (moving reference frame). Uwzględnienie modelu oporu cząstek stałych w zawiesinie opisany przez model Schillera–Naumana  oraz model poślizgu poszczególnych cząstek opisany przez Gidaspowa. Sprzężnie metody bilansu populacji z obliczeniową mechaniką płynów (CFD-Computational Fluid Dynamics) pozwalało przewidzieć wzrost rozmiarów kłaczków z uwzględnieniem sił ścinających mieszadła, co stanowi efektywne narzędzie do opisu modelowanych bio-procesów.

 

Posiadane oprogramowanie i kompetencje kadry umożliwiają pracowni przeprowadzenie m.in.:

 

•     Analizy termicznej dla stanów ustalonych oraz zmiennych w czasie

•     Analizy przepływów dla stanów ustalonych oraz zmiennych w czasie

•     Analizy wielosystemowej

•     przewodność,

•     konwekcję,

•     promieniowanie,

•     przemiany fazowe,

•     wewnętrzne źródła ciepła,

•     użycie uzyskanych pól temperatur jako obciążenia w analizie wytrzymałościowej

•     płyny ściśliwe oraz nieściśliwe, newtonowskie oraz nienewtonowskie,

•     przepływy laminarne i turbulentne,

•     przepływ z powierzchnią swobodną,

•     możliwość prowadzenia obliczeń rozproszonych,

•     możliwość prowadzenia zaawansowanych analiz maszyn wirnikowych,

•     możliwość prowadzenia zaawansowanych analiz reakcji chemicznych,

•     możliwość prowadzenia zaawansowanych analiz przepływów wielofazowych,

•     możliwość prowadzenia zaawansowanych symulacji aerodynamicznych, 

•     symulacja procesu spalania na wielu poziomach szczegółowości,

•     łączenie symulacji przepływów z symulacjami wytrzymałościowymi,

•     powiązania analizy CFD z analizą elektromagnetyczną (jedno i dwukierunkową).

•     system symulacji złożonych układów fizycznych, automatyki i energoelektroniki,

•     wiele poziomów abstrakcji zachowania modeli,

•     modele o dużej złożoności,

•     modele o zredukowanej liczbie stopni swobody ROM,

•     elementy obwodów elektrycznych,

•     elementy systemów,

•     elementy pomocnicze jak modele rozgałęzień czy wymuszeń,

•     narzędzia do charakterystyki behawioralnej mikroprocesorów i przetworników napięcia,

•     obsługa języków C/C++, VHDL-AMS, SML, SPICE,

•     makro moduły i predefiniowane schematy topologii układów,

•     analiza sprawności systemów,

•     analiza harmoniczna,

•     analiza schematów kontroli,

•     analiza ciągła w czasie,

•     analiza zdarzeń,

•     analiza statystyczne oparciu o metodę Monte-Carlo i standardy SAE,

•     analiza mieszana elementów analogowych i cyfrowych,