Potreba po boljši točnosti in zanesljivosti visokofrekvenčnih dinamičnih meritev tlaka izvira iz različnih industrijskih sektorjev. V avtomobilski industriji vedno bolj strogi predpisi o emisijah toplogrednih plinov zahtevajo razvoj motorjev z notranjim zgorevanjem z vedno boljšo učinkovitostjo porabe goriva. Za optimizacijo zmogljivosti motorja, tj. zmanjšanje porabe goriva in emisij, so potrebne točne meritve časovno spreminjajočega tlaka zaradi neuspelega vžiga, ali klenkanja, z amplitudami do nekaj MPa in frekvencami do 10 kHz. Izboljšane dinamične meritve tlaka so potrebne tudi v številnih varnostno kritičnih aplikacijah, kot so preizkusni trki avtomobilov, s čimer bi zmanjšali trenutne zelo široke varnostne rezerve in tako zagotovili varnost uporabnikov na stroškovno učinkovit način. Pri razvoju sistemov zračnih blazin je potrebno točno izmeriti časovni razvoj tlaka v vreči, ki vsebuje dinamično komponento do nekaj kHz. Točne meritve visokofrekvenčnega časovno spreminjajočega tlaka so ključnega pomena tudi v parnih in plinskih turbinah v elektrarnah. V zadnjih desetletjih je razvoj letalske in vesoljske industrije prinesel nujno zahtevo tudi po točnem merjenju hitro spreminjajočih tlakov v številnih sestavnih delih, kot so letalski motor, letalski izpuh in površina letala. V inženirstvu turbinskih motorjev in raketnih pogonskih sistemov se dinamične meritve tlaka s frekvencami do 30 kHz uporabljajo za zaznavanje povratnih informacij, merjenje potiska in zaznavanje tlačnih preobremenitev.

V splošnem bo projekt odgovoril na tri vodilna vprašanja. Kako manipulirati z udarnimi valovi z namenom razširitve območja tlačnih amplitud udarnih cevi? Kako zmanjšati prispevek negotovosti, ki zajema nepopolnost trenutnega merilnega modela udarne cevi? Kako zagotoviti umerjanja merilnega sistema za tlak (MST) v nekaj 10 kHz območju z negotovostjo amplitude 1 % in faze 5°?

Cilj projekta je razviti napreden sistem za visokofrekvenčno tlačno dinamično umerjanje, ki bi imel takšno kalibracijsko in merilno zmogljivostjo, da bi deloval kot primarni etalon za dinamično tlačno umerjanje. Predlagan koncept temelji na brezmembranski udarni cevi s hitro odpirajočim ventilom (HOV), ki je bila razvita v Laboratoriju za meritve v procesnem strojništvu na Fakulteti za strojništvo, Univerza v Ljubljani, in je prikazana na sliki 1. Razvita udarna cev bo nadgrajena tako, da bo omogočala generiranje dobro opredeljenih skočnih sprememb tlaka do 10 MPa. Razvit sistem bo omogočal določevanje amplitudnih in frekvenčnih značilnic MST z uporabo generiranega tlačnega skoka kot vhodni signal v frekvenčnem območju do nekaj 10 kHz z merilno negotovostjo 1% oziroma 5°. Razviti merilni sistem bo prilagojen tudi tako, da bo omogočal dinamična umerjanja merilnikov tlaka z uporabo kapljevine, kar bo prva potrditev načela delovanja kapljevinskega dinamičnega kalibratorja, v katerem se časovno spreminjajoč tlak generira z uporabo udarnih valov. Naš predlagani koncept sistema kapljevinske udarne cevi temelji na dvostransko delujočem aktuatorju, v katerem se bo vpadni ravninski udarni val generiran v plinskem delu udarne cevi gladko preoblikoval v sferični udarni val, ki konvergira, pospešuje in s tem ojača svojo moč. Takšni ekstremni pogoji ustvarjeni z ojačenjem šoka v goriščni točki sferičnega udarnega vala bodo vzbudili bat, ki ločuje plinski del udarne cevi in valj napolnjen s kapljevino, v katerem je vgrajen merilnik tlaka, ki se ga umerja, glej sliko 2. Predlagana konfiguracija kalibratorja bo tako združevala prednosti obeh generatorjev neperiodičnih dinamičnih tlačnih sprememb, udarne cevi kot vioskofrekvenčnega tlačnega generatorja in sistema s padajočo utežjo kot visokoamplitudnega kapljevinskega tlačnega generatorja.

Slika 1. Shematski prikaz razvite brezmembranske udarne cevi s HOV.

Slika 2. Shema predlaganega principa kapljevinskega generatorja na osnovi udarne cevi.

Da bi dosegli končni cilj projekta, bo najprej razvit celovit numerični model za analizo vplivov delovnih pogojev na porazdelitev nadzvočne hitrosti udarnih valov v komercialno dostopnem CFD orodju OpenFOAM, ki je odprtokodna CFD knjižnica napisana v jeziku C++. Cilj numeričnih analiz je določiti splošno funkcijsko odvisnost hitrosti udarnega vala vzdolž cevi od različnih termodinamičnih in transportnih lastnosti uporabljenega plina ter geometrijskih parametrov udarne cevi, kar bo zmanjšalo prispevek negotovosti, ki zajema nepopolnost trenutnega merilnega modela udarne cevi. Poleg tega nam bodo ugotovitve numeričnih analiz pomagale določiti optimalne obratovalne pogoje in geometrijske parametre za povečanje tlačnega in frekvenčnega območja umerjanja udarne cevi ter postavile trdne temelje za nadgradnjo mehanske izvedbe brezmembranske udarne cevi. Pri prilagoditvi udarne cevi za dinamična visokofrekvenčna umerjanja merilnikov tlaka z uporabo kapljevine bo udarna cev sklopljena z dvostransko delujočim aktuatorjem napolnjenim s kapljevino. Ker so dinamične lastnosti takšnega dinamičnega tlačnega generatorja določene z lastnostmi bata, komore valja in kapljevine v komori valja, bodo ugotovitve matematičnih analiz takšnega tlačnega kalibratorja podale pomemben vpogled v medsebojni vpliv med generiranimi udarnimi valovi, gibanjem bata in tlačnim skokom generiranim v valju napolnjenim s kapljevino. Poleg tega bodo podale ključne smernice za dosego glavnega cilja oblikovanja in razvoja prve eksperimentalne potrditve načela delovanja kapljevinskega dinamičnega kalibratorja na osnovi udarne cevi za umerjanja MST v frekvenčnem območju nekaj 10 kHz. Da bi dosegli ciljno negotovost umerjanj MST v frekvenčnem območju nekaj 10 kHz, bo razvita ustrezna metoda digitalne obdelave signalov za določanje amplitudnih in faznih značilnic merjenca z uporabo tlačnega skoka predvidenega z merilnim modelom udarne cevi kot referenčni vhodni tlačni skok.

Faze projekta in njihova realizacija:

DS 1. Študij udarnih valov v udarni cevi

Naloga 1.1: Celovita numerična analiza vplivov obratovalnih pogojev na porazdelitev hitrosti udarnih valov in na generirano tlačno in temperaturno skočno spremembo: ta naloga je v fazi realizacije (ocena realizacije: 70 %).

Naloga 1.2: Numerično ovrednotenje in izbira optimalnih obratovalnih pogojev in geometrijskih parametrov z namenom povečanja tlačnega in frekvenčnega kalibracijskega območja udarne cevi: ta naloga je v fazi realizacije (ocena realizacije: 80 %).

DS 2. Ovrednotenje negotovosti merilnega modela udarne cevi

Naloga 2.1: Postavitev analitične korekcije, ki bo pripomogla k zmanjšanju prispevka merilne negotovosti, ki zajema nepopolnost trenutnega merilnega modela: ta naloga je v fazi realizacije (ocena realizacije: 40 %).

Naloga 2.2: Analize negotovosti odstopanj med napovedanimi tlačnimi skoki z novo razvitim merilnim modelom in preizkusi: ta naloga je v fazi realizacije (ocena realizacije: 20 %).

DS 3. Zasnova in izdelava nadgrajene brezmembranske udarne cevi

Naloga 3.1: Zasnova in izdelava nadgrajene mehanske izvedbe brezmembranske udarne cevi s povečanim tlačnim in frekvenčnim kalibracijskim območjem: ta naloga je v fazi realizacije (ocena realizacije: 30 %).

Naloga 3.2: Prilagoditev udarne cevi z razvitim dvostransko delujočim aktuatorjem, kar bo omogočilo izvedbo dinamičnega umerjanja merilnikov tlaka z uporabo kapljevine: ta naloga še ni bila realizirana.

DS 4. Eksperimentalni popis FOF z udarno cevjo preskušanega MST

Naloga 4.1: Postavitev algoritmov za izračun diskretne FOF iz eksperimentalnih podatkov: ta naloga je v fazi realizacije (ocena realizacije: 90 %).

Naloga 4.2: Določanje FOF izbranih visokofrekvenčnih MST: ta naloga je v fazi realizacije (ocena realizacije: 60 %).

DS 5. Objava in predstavitev rezultatov

Naloga 5.1: Visokokakovostne znanstvene objave in patent: ta naloga poteka ves čas.

Trenutno objavljeni rezultati znanstveni skupnosti, ki so bili pridobljeni v okviru tega projekta:

1. SVETE, Andrej, HERNÁNDEZ CASTRO, Francisco Javier, KUTIN, Jože. Effect of the dynamic response of a side-wall pressure measurement system on determining the pressure step signal in a shock tube using a time-of-flight method. Sensors, ISSN 1424-8220, Mar. 2022, vol. 22, iss. 6, str. 1-15, ilustr. https://www.mdpi.com/1424-8220/22/6/2103, doi: 10.3390/s22062103. [COBISS.SI-ID 100476931]

Naloga 5.2: Posredovanje pridobljenega znanja študentom Fakultete za strojništvo Univerze v Ljubljani na vseh stopnjah študija: ta naloga poteka ves čas.