Bemutatkozás

Kutatócsoportunk nyíró áramlások instabilitásával foglalkozik. Több olyan áramlási jelenség ismert, amelyben egy paraméter (pl. sebesség vagy geometriai méret) növelésével az áramlás elveszíti stabilitását és lengeni kezd. Az egyik legismertebb a henger mögötti áramlás, melyben Kármán-féle örvénysorok jöhetnek létre. Amennyiben az örvénysor leválási frekvenciája megegyezik a henger sajátfrekvenciájával, az komoly problémákat okozhat. Ezek a lengések, oszcillációk más áramlásokban is gondot jelentenek: következményük fáradásos törés vagy nem kívánt zaj lehet. Kutatócsoportunk ezen áramlások közül az élhanggal, az üreghanggal és a határrétegek stabilitásával, azok modellezésével foglalkozik. Célunk új elméleti modellek segítségével a lengések mechanizmusának megértése, azok negatív hatásának megszüntetése, csökkentése.
Kulcsszavak: Nyíró áramlások instabilitása, élhang, üreghang, zaj, járművek zajcsökkentése, orgonasípok, aeroakusztika, áramlási veszteség csökkentése.

Élhang

Ha egy sík szabadsugár éknek ütközik, általában jól definiálható frekvenciával leng és hangot is kibocsájthat. Ezt a jelenséget nevezzük élhangnak, ami többek közt a fúvóhangszerek sípjaiban (orgonasíp, furulya) megtalálható, de alkalmas akár heterogén keverékek homogenizálására is. Más esetekben a jelenség megszüntetése a cél, mivel káros oszcillációkat okozhat a szivattyúk sarkantyújánál vagy Y csőelágazásokban. A szabadsugár általában önmagában is instabil, a kilépéstől távolodva a kis amplitúdójú zavarások exponenciálisan növekednek. Ez azt jelenti, hogy egy tetszőlegesen kicsi zavarás is (ami a gyakorlatban mindig jelen van) jelentősen felerősödik, és észlelhetővé válik. Ha a szabadsugárba egy éket helyezünk, akkor ez a zavarás visszacsatolódhat a szabadsugár kilépés közeli részéhez, ami diszkrét frekvenciájú oszcillációhoz vezet. A visszacsatolás módja még pontosan nem ismert. Kutatócsoportunk az áramlástan stabilitási módszereivel tudta pontosabban modellezni a szabadsugár lengéseit. Igazoltuk a szabadsugár kilépés közeli érzékenységét, és egy új lengési módust is felfedeztünk a kilépés közelébven. A szabadsugár általános lengésképe látható az ábrán, melyet az Orr-Sommerfeld egyenlet segítségével számoltunk. Továbbá módszereket dolgoztunk ki a lehetséges akusztikai és örvényes gerjesztés modellezésére, melyek a visszacsatolásban szerepet játszhatnak. Ezek eredményeit kísérletekkel is összevetettük.

Üreghang

Az üreghang az élhanghoz hasonló alapvető aeroakusztikai konfiguráció, melyben az áramlás instabilitása és egy visszacsatolási kör játszik jelentős szerepet. Itt az élhanggal ellentétben nem a szabadsugár, hanem egy üreg felett elhaladó áramlásban kialakuló nyíróréteg instabil. A visszacsatolás pedig az ék helyett az üreg alvíz oldali sarka miatt jön létre. Ez főleg a járművek zajkibocsátásában okoz gondot. Az autók, repülők illesztéseinél, a vonatok áramszedőinél keskeny, hosszú üregek találhatóak, melyek nem megfelelő kialakítás esetén jelentős zajt bocsátanak ki. Kutatócsoportunk az üreghang visszacsatolási körének jobb megértésén dolgozik. Ehhez örvénydetektálási módszert dolgoztunk ki, illetve aeroakusztikai szimulációkat végeztünk. Az ábrán is egy aeroakusztikai szimuláció eredménye látható, ahol a hangnyomást ábrázoltuk egy adott időpillanatban az üreg környezetében. Érdemes megfigyelni a hullámhossz, illetve az üreg mérete közti nagyságrendbeli különbséget. (Az üreg az ábra közepén, alul helyezkedik el.)

Blasius-határréteg stabilizálása

A határréteg egy folyadékban mozgó test környezetében kialakuló réteg, melyben a sebesség hirtelen változik a falra merőlegesen. Adott Reynolds-szám felett a határréteg instabillá válik, azaz instabilitási hullámok jelennek meg benne. Ezeket felfedezőik után Tollmien-Schlichting hullámoknak nevezzük. Ezek a hullámok áramlás irányában folyamatosan erősödnek, és ez végül a turbulencia kialakulásához vezet. Ez azért okoz gondot, mert a turbulens határréteg azonos Reynolds-szám esetén sokkal nagyobb ellenállást eredményez, mint a lamináris. Az átmenet késleltetésével a veszteségek jelentősen csökkenhetőek áramvonalas testek, például hajók és repülőgépek esetén. Az ábrán egy aktív szabályzóval ellátott fal feletti határréteg stabilitási térképe látható. A színek az áramlásban lévő zavarási hullámok növekedését (piros) illetve csökkenését (kék) jelentik a zavarás frekvenciájának és a határréteg Reynolds-számának függvényében. A szabályozási paraméter (cp) növelésével az áramlás nagy Reynolds-szám esetén is stabilizálható, ezzel az áramlási veszteségek csökkenthetőek. Az aktív szabályzót passzív (tömeg-rugó-csillapítás) elemekkel is helyettesíthetjük, mely ígéretes lehetőségnek tűnik a veszteségek csökkentésére. Jelenleg gyártható geometriák kifejlesztésén és azok vizsgálatával foglakozunk.

Fontosabb publikációk

  • Folyóiratcikkek

    • P. T. Nagy and G. Paál: Modelling the perturbation growth in an acoustically excited plane jet, Physics of Fluids 29:11 p. 114102. (2017) Link

    • P. T. Nagy and G. Paál: On the sensitivity of planar jets, International Journal of Heat and Fluid Flow 62: pp. 114-123. (2016) Link

    • B. Farkas, G. Paál, K. G. Szabó: Descriptive analysis of a mode transition of the flow over an open cavity, Physics of Fluids 24:2 p. 027102. (2012) Link

Kapcsolatok

Kutatócsoport befogadó intézménye:

    Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Gépészmérnöki Kar, Hidrodinamikai Rendszerek Tanszék

Kutatócsoport tagjai:

    Paál György, DSc (csoport vezetője)
    Nagy Péter, PhD (adjunktus)
    Szabó András, MSc (doktorjelölt)