Studijní program: APLIKOVANÁ MECHANIKA Téma disertační práce Školitel Katedra 1. Výzkum mechanických vlastností vibroizolačních materiálů a jejich modelování Anotace: Modelování a napěťově deformační analýza pružných strukturních materiálů. Předmětem práce je vytvoření simulačních modelů pružných materiálů s vnitřní porézní strukturou a jejich experimentální ověření. Příkladem takového materiálu je polyuretanová pěna, která je velmi často používána pro výrobu čalounění automobilových sedáků. Její vlastnosti účinně snižují vibrační zatížení sedící osoby a zvyšují komfort cestování. Během deformace takových vibroizolačních materiálů dochází k borcení strukturních prvků a dochází k maření energie způsobené materiálovým útlumem. Jedním z cílů práce je analyzovat způsoby disipace energie. Budou stanovovány přenosové charakteristiky zrychlení a další charakteristiky silových odezev při dynamickém namáhání. Výsledky tohoto výzkumu budou zohledněny při úpravě stávajícího materiálového modelu a následně experimentálně ověřeny. Zkoumány mohou být i další vibroizolační materiály. 2. Magnetosensitivní elastomery-experimentální a teoretický výzkum elastického a viskoelastického chování těchto chytrých kompozitů v závislosti na jejich složení a na aplikovaném magnetickém poli Anotace: Magnetosensitivní elastomery výzkum elastického a viskoelastického chování těchto chytrých kompozitů v závislosti na jejich složení a na aplikovaném magnetickém poli. Výzkum jejich útlumových vlastností a možného využití k řízené vibroizolaci. Vlastnosti magnetoreologických kompozitů s elastomerickou matricí, která obsahuje určitý objem železných mikročástic, mohou být rychle měněny pomocí magnetického pole. Předmětem práce bude experimentální výzkum vlivu materiálu matrice a mikročástic na výsledné vlastnosti kompozitu a numerické modelování odezvy kompozitu pomocí MKP na základě navrženého materiálového modelu. 3. Experimentální a teoretický výzkum mechanických vlastností kompozitů vyztužených vybranými typy hybridních textilií a numerické 1 doc. Ing. David Cirkl, prof. Ing. Bohdana Marvalová, CSc. prof. Ing. Bohdana Marvalová, CSc.
modelování jejich odezvy na mechanické zatížení pomocí MKP na základě vhodného materiálového modelu Anotace: Tyto kompozity jsou využívány v inovativních lehkých konstrukcích v leteckém a automobilovém průmyslu. Předmětem práce bude navržení a ověření typu hybridní textilní výztuže a způsobu jejího složení z různých materiálů s ohledem na požadovanou tuhost pevnost a odolnost kompozitu v souladu s technickými požadavky na funkci, zejména s ohledem na dynamické zatížení a impakt. Dále pak výzkum závislosti odezvy kompozitu na rychlost zatěžování a výzkum způsobu porušení kompozitu. 4. Výzkum chování pryžových kompozitů vyztužených textilními kordy a textiliemi a numerické modelování jejich odezvy pomocí MKP Anotace: Tyto kompozity jsou využívány v pneumatikách, dopravnících, vzduchových pružinách ap. Tuhost pryžových kompozitů a jejich směrové vlastnosti mohou být řízeny vhodným výběrem materiálu a směru vyztužujících textilií. Předmětem disertační práce bude zkoumání a popis odezvy pryžových kompozitů na termo-mechanické zatěžování. Deformace těchto kompozitů je nelineární anizotropní a je mnohem větší ve srovnání s klasickými kompozity. Odezva pryžových kompozitů na mechanické zatěžování závisí zároveň na rychlosti zatěžování. 5. Experimentální a teoretický výzkum mechanických vlastností kompozitů s matricí z akrylátové pryskyřice vyztužených přírodními vlákny a textiliemi z přírodních vláken. Numerické modelování jejich odezvy pomocí MKP na základě vhodného materiálového modelu Anotace: Experimentální a teoretický výzkum mechanických vlastností kompozitů s matricí z akrylátové pryskyřice vyztužených přírodními vlákny a textiliemi z přírodních vláken. Numerické modelování jejich odezvy pomocí MKP. Akrylátové pryskyřice jsou založené na vodní bázi a velmi dobře smáčí výztuž z přírodních vláken. Kompozit je 100 % zelený, neboť při jeho vytvrzování se neuvolňují žádné škodlivé organické látky. Tyto kompozity jsou lehké a jsou využívány v automobilovém a leteckém průmyslu. 6. Experimentální a teoretický výzkum elastomerů plněných částicemi ze slitin s magnetickou tvarovou pamětí Anotace: Tuhost, dynamické moduly a tlumení kompozitů s elastomerickou matricí plněných částicemi MSMA (např. Ni-Mn-Ga) jsou řízeny vnějším magnetickým polem. MSMA vykazují vysokou magnetostrikci a velké změny rozměrů, dynamických vlastností a tlumení jako odezva na vnější magnetické pole s relativně nízkou intensitou. Předmětem 2
disertace je experimentální a teoretický výzkum vlivu materiálu matrice a MSMA částic na výsledné vlastnosti kompozitů, navržené konstitutivní vztahy a numerické modelování odezvy pomocí MKP založené na vhodném materiálovém modelu. Zvažuje se také vyšetřování tlumicích vlastností s ohledem na budoucí použití pro řízení vibrací. 7. Experimentální a teoretický výzkum magnetoreologických pěn sestávajících z magneticky permeabilních částic velikosti mikronů dispergovaných v pěnové matrici Anotace: Magnetoreologické pěny jsou novou třídou lehkých inteligentních materiálů založených na polymerní matrici plněnou magnetickými mikročásticemi. Aplikace magnetického pole během pěnění vzorků indukuje uspořádání magnetických částic. Mikročástice zlepšují mechanickou tuhost a dynamický modul. Magnetoreologické chování je dosaženo při poměrně nízké intenzitě magnetického pole. Předmětem výzkumu je příprava MR pěn a určení jejich elastické a viskoelastické odezvy na tlakové kvazistatické a dynamické zatížení. 8. Experimentální a teoretický výzkum chování polymerů s tvarovou pamětí (SMP) Anotace: Vlastnosti a odezva SMP jsou řízeny vnějšími poli elektrickými, magnetickými, tepelnými a jinými. Předmětem disertační práce je experimentální a teoretický výzkum vlivu vnějších podnětů na výsledné vlastnosti SMP, návrh konstitutivních vztahů a numerické modelování odezvy pomocí MKP založené na vhodném materiálovém modelu, dále zkoumání mechanických vlastností z hlediska možných aplikací. 9. Měření teplotního pole v okolí kolabující kavitační bublinky s využitím (PLIF) V současné době existuje minimum informací o rozložení teplot v okolí kolabujících bublinek. Metody jako PLIV (Planar Laser-induced Fluorescence) mohou zaznamenat vývoj teplotního pole v čase i pro rychlé jevy, jakými jsou právě kolapsy bublin. Téma je zaměřeno zejména na návrh a realizaci experimentu pro měření teplotního pole v okolí kolabující bublinky s využitím PLIF. Součástí tématu je i příprava teoretického popisu rozložení teplot v okolí kolabující bublinky a jeho korelace s experimentem. Téma může výrazně přispět k predikci kavitačního poškození. 10. Využití kavitace ke zpevňování povrchů strojních součástí Termín kavitace je spojován především s poškozením čerpadel a turbín. Pokud je však 3 Školitel specialista Ing. Miloš Muller, Doc. Ing. Tomáš Vít,
působení kavitace omezeno na úsek takzvané inkubace, lze ji využít jako náhradu technologií mechanického zpevňování povrchů. Téma je zaměřeno na teoretický návrh systému, který umožní využít kavitaci při zpevnění a jeho ověření experimentem. V rámci řešení bude třeba důkladně identifikovat odezvu materiálu na působící kolabující bublinku a následně stanovit optimální dobu působení kavitačního pole i jeho intenzitu. Výsledky řešení mohou sloužit jako podklad pro průmyslový návrh zařízení pro zpevňování povrchů s využitím kavitace. 11. Numerické modelování a experimentální ověřování proudění v pružných kanálech s důrazem na proudění v cévách Kavitace je jevem, který se může vyskytovat v lidském těle v místech, kterými proudí krev. Interakce vzniklých bublin se stěnami cév a tepen, případně dalších orgánů může způsobovat jejich poškození, případně ucpání. Téma je zaměřeno zejména na numerické simulace kavitujicího proudění v pružných kanálech reprezentujících různé části lidského těla, a to metodou FSI (Fluid Solid Interaction), které kombinuje výpočty CFD (Computational Fluid Dynamic) a FEM (Finite Element Method). V rámci tématu bude třeba identifikovat a implementovat materiálový popis orgánů a sestavit ověřovací experimenty. Výsledky řešení mohou pomoci při identifikaci některých druhů poškození orgánů v důsledku přítomnosti kavitace, případně aplikaci operačních postupů, při kterých ke kavitaci dochází. 12. Smart materiály v aplikacích energetických procesů Chytré materiály se stále častěji uplatňují v oblasti zachycování, ukládání a opětovného uvolňování hmoty a tepla. Existuje celá řada aplikací chytrých materiálů od zachycování plynů až pro ukládání různých forem energie. Předmětem výzkumu bude popis procesu a jeho zdokonalení s ohledem na účinnost a opakovatelnost. Výzkum se bude rovněž věnovat skutečnosti, že chytré materiály ztrácejí svoje vlastnosti během jejich využívaní. Hlavní pozornost bude věnována materiálu TiO2 a podobných materiálů užívaných v oblasti výrobních technologií a ukládání tepla. Jednotlivé části práce budou zahrnovat návrh experimentů, výběr vhodných měřících metod, sestavení matematických modelů a jejich verifikaci. 13. Neizotermická vírová řada v kapalinách a plynech Předmětem této práce je obtékání ohřívaného tělesa v režimu periodického úplavu. Jak známo, ohřev ve vzduchu má stabilizující vliv na úplav, tzn. snižuje frekvenci odtrhávání vírů, popř. může vírovou řadu zcela potlačit. Naopak ohřev ve vodě má účinek 4 Školitel specialista Ing. Miloš Muller, Školitel specialista Ing. Miloš Muller, Prof. Ing. Karel Fraňa, Doc. Ing. Zdeněk Trávníček, CSc. Doc. Ing. Tomáš Vít, /ÚT
destabilizující, tj. zvyšuje frekvenci odtrhávání vírů nebo může způsobit vznik vírové řady. Jak ukazují výsledky z posledních let, pro zobecnění poznatků prozatím není dostatek údajů. Cílem práce je experimentální vyšetřování optickými metodami a termoanemometrickým měřením. 14. Vlastnosti teplosměnných kapalin na bázi vody v podchlazeném metastabilním stavu Předmětem práce bude experimentální a teoretický výzkum termofyzikálních vlastností teplosměnných kapalin na bázi vody, tj. směsí vody s alkoholy (např. etylen glykol, metanol) a solemi (NaCl, CaCl2). Vlastnosti vybraných směsí budou studovány jednak v termodynamicky rovnovážném stavu a dále pak v metastabilním podchlazeném stavu při teplotách nižších než je teplota tuhnutí. V experimentální části bude měřeno zejména povrchové napětí pomocí aparatury vyvinuté v Laboratoři kinetiky fázových přechodů na ÚT AV ČR případně hustota a tepelná vodivost pomocí komerčních přístrojů. V teoretické části budou vyvíjeny korelace vybraných vlastností využitelné v praktickém návrhu chladících okruhů spolu s moderní stavovou rovnicí PC-SAFT spojenou s gradientní teorií umožňující modelování fázových rozhraní a nukleace. Zájemce o téma by měl mít kladný vztah jak k experimentálnímu výzkumu, tak k technickým výpočtům a programování. 15. Experimentální vyšetřování teplotní a hybnostní mezní vrstvy Dizertační práce se bude zabývat vyšetřováním teplotní a mezní vrstvy v blízkosti stěny, kolem které proudí tekutina v intervalu nízkých Reynoldsových čísel. Bude studován vliv povrchových parametrů stěny (např. drsnost, žebrování či hydrofobní úpravy) na stabilitu a charakter toku, rovněž bude studován vliv teplotního gradientu na stabilitu a charakter toku. Pro prvotní experimenty bude požita metoda vizualizace, hlavní experimenty pak budou prováděny metodami 2D a 3D PIV (particle image velocimetry) a CTA (constant temperature anemometry). Veškeré výsledky student důkladně zanalyzuje a porovná s teorií a pracemi ostatních autorů. Důležitou části disertační práce bude literární rešerše studované problematiky. Experimentální část výzkumu bude probíhat výhradně na pracovišti Technické univerzity v Liberci. Analýza výsledku spolu s teoretickou částí bude probíhat v úzké spolupráci s Ústavem termomechaniky AV ČR, v. v. i. v Praze 16. Ejektory a jejich využití v ejektorovém chlazení Výzkum vlivu jednotlivých parametrů nadzvukového ejektoru a chladicího ejektorového systému na účinnost systému a na stabilitu funkce. 5 Ing. Václav Vinš, Ing. Petra Dančová, Ing. Václav Vinš, Ing. Petra Dančová, /ÚT /ÚT
17. Deskové výměníky tepla Rozvoj návrhových metod, hodnocení výměníků z hlediska minimalizace produkce entropie a další parametry, experimentální ověření, vývoj metodiky měření. 18. Experimentální a numerické vyšetřování součinitele přestupu tepla Dizertační práce se bude zabývat určením přestupu tepla na desce odlišné teploty od teploty dopadající tekutiny z trysky. Dále bude v práci zkoumáno teplotní a rychlostní pole dopadající tekutiny. Experimenty budou provedeny metodami CTA (constant temperature anemometry) pro určení rychlosti a součinitele přestupu tepla, DHI (digital holographic interferometry) pro určení teplotních polí a 3D PIV (particle image velocimetry) pro určení rychlostních a tlakových polí. Na základě experimentů budou provedeny numerické simulace pomocí FVM. Veškeré výsledky student důkladně zanalyzuje a porovná s teorií a pracemi ostatních autorů. Důležitou části disertační práce bude literární rešerše studované problematiky. 19. Vývoj numerických metod pro řešení úloh dynamiky kontinua Cílem disertační práce je vývoj a implementace moderních numerických metod pro efektivní řešení úloh šíření vln napětí v poddajných tělesech s uvažováním kontaktních okrajových podmínek. Navržené algoritmy budou uplatněny pro řešení nelineární dynamické odezvy konvenčních i moderních materiálů na bázi struktur vyrobených aditivními technologiemi. Součástí disertační práce je rovněž verifikace navržených metod, jejich validace s experimentem a aplikace v průmyslových problémech. Doc. Ing. Tomáš Vít, Ing. Petra Dančová, Ing. Dušan Gabriel,, Ing. Radek Kolman, ÚT / 6