Zpráva ze stáže v laboratořích LEGI na Université Grenoble Alpes

42 Pages·2015·2.96 MB·Czech

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 Mont-
Blanc, 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