For students [CZ] – Diplomové práce pro rok 2020/2021

Školitel: Petr Kotrbáček

Ochlazování horkých povrchů vodními nebo vodovzdušnými tryskami je proces, který je v technické praxi velice často používán (například při plynulém odlévání ocelí). Do matematických modelů sledovaných procesů je třeba používat realistické okrajové podmínky, jejichž získání je velmi často obtížné a závislé na mnoha parametrech. Objasnění a zobecnění vlivu nejdůležitějších parametrů ostřiku na intenzitu přenosu tepla by byla základní náplň diplomové práce.

Školitel: Martin Chabičovský

Sprchové chlazení horkých (až 1250 °C) ocelových povrchů je doprovázeno různými stádii varu. Tento děj je natolik složitý, že dosud neexistuje vhodný matematický či fyzikální model pro predikci součinitele přestupu tepla.  Znalost součinitele přestupu tepla pro jednotlivé druhy trysek a jejich nastavení je však klíčová pro návrh chlazení pro ocelářský průmysl. Student se v rámci práce seznámí s metodikou měření součinitele přestupu tepla a následně bude využívat rozsáhlou laboratorní databázi změřených hodnot pro následnou statistickou analýzu.

Téma se zabývá statistickým vyhodnocení dat, změřených v laboratoři přenosu tepla a proudění. Jedná se o zobecnění změřených hodnot součinitele přestupu tepla. Tato veličina závisí na více faktorech (množství vody, teplota vody, drsnost povrchu, …). Bude se tedy jednat o vícerozměrnou regresní analýzu. Dále toto téma obsahuje vyhodnocení významnosti jednotlivých faktorů. V rámci práce budou též statisticky porovnány dvě metodiky měření množství dopadající vody (přes dopadající tlaky a přes přímé měření množství dopadající vody) a bude určeno, zda se staticky významně liší změřený profil dopadového tlaku v ploše od přímého měření množství dopadající vody.

Předpokládá se práce s rozsáhlejší databází změřených hodnota a práce v programovém prostředí MATLAB.

Školitel: Jan Komínek

Kovové pasivní chladiče jsou běžně využívány pro chlazení elektronických součástek. Snahou výrobců je snižování výrobních nákladů, přičemž jednou z možností je náhrada stávajících materiálu (slitiny hliníku nebo mědi) vysoce tepelně vodivými plasty.

Chladiče z těchto materiálů mohou být v některých aplikacích nejen levnější, ale lehčí než konvenční kovové chladiče, při zachování stejných chladících účinků.

Teplovodivé plasty mají oproti klasickým materiálům řádově menší tepelnou vodivost a zároveň se vyznačují významnou tepelnou anizotropií, která je dána orientací vysoko tepelně vodivého plniva. Například polymerní chladiče dlouhodobě zkoumané v Laboratoři přenosu tepla a proudění na VUT v Brně (z materiálu polyamid 66 obohacený grafitem) mají vodivosti 5 až 20 W/(m*K). Pro porovnání hliníkové slitiny dosahují tepelné vodivosti až 200 W/(m*K).

Cílem práce je tvarová optimalizace plastového pasivního chladiče pro dosažení co největší chladící efektivity s ohledem na anizotropii tepelné vodivost.

Školitel: Jan Komínek

Práce se bude zabývat metodikou stanovením tepelné vodivosti kompozitních polymerů. Jedná se o plastové materiály, jejichž tepelná vodivost je zvýšena přidáním aditiv (například grafitových částic). Typickou vlastností těchto materiálů je výrazná anizotropie tepelné vodivosti (například 5 až 20 W/(m*K)), která je dána uspořádáním aditiv v základním polymerním materiálu.

Vysoce tepelně vodivé plasty je možné za určitých podmínek využít pro konstrukci pasivních chladičů elektroniky. Například jako chladič LED čipu automobilovém světlometu. Přičemž zásadní vlastností těchto materiálu je, že orientace aditiv, a tím i výsledná tepelná vodivost, je výrazně ovlivněno výrobním procesem vstřikování taveniny do formy.

Cílem práce je navrhnou a porovnat různé metody měření anizotropní tepelné vodivosti plastových vzorků.

Školitel: Jan Boháček

S porézními strukturami se můžeme setkat v některých základních fyzikálních dějích, ale i v různých průmyslových aplikacích. V Laboratoři přenosu tepla a proudění se potkáváme s následujícími případy. V hutnických a metalurgických procesech dochází k tvorbě okují na horkých površích zpracovávaných materiálů. Okuje jsou tenké vrstvy různých oxidů železa s tloušťkami v řádech jednotek až stovek mikrometrů. Okuje často obsahují značné množství různě orientovaných pórů, jež ovlivňují termo-fyzikální vlastnosti materiálu. Různé oxidy mají různý vliv na intenzitu chlazení horkých povrchů, jejíž znalost je pro mnoho procesů zásadní. Jako druhý příklad lze uvést aplikaci polymerních dutých vláken ve výměnících tepla. Vlákna mají průměr často menší než jeden milimetr a jsou relativně dlouhá. V jednom výměníku může být i několik tisíc vláken. Orientace vláken ovlivňuje výkon výměníku a tlakové ztráty, z čehož plyne požadavek na optimum.

Numerické metody bývají často užity k objasňování fundamentálních jevů, ale i k optimalizaci různých procesů. Nejčastěji využívané konečno objemové a konečno prvkové komerční řešiče však narážejí na problém při generaci geometrie a posléze výpočtové sítě pro velmi komplikované porézní struktury. Lattice-Boltzmannova metoda se jeví jako vhodná alternativa, která byla již dříve s úspěchem aplikována v simulacích transportních mechanizmů uvnitř porézních struktur. Například open-source software PALABOS umožňuje práci se surovými daty přímo z tomografu, pomocí něhož byla porézní struktura převedena do voxelové matice. Cílem doktorské práce je simulace proudění a přenosu tepla uvnitř porézních struktur, jejichž topologie je možné získat z tomografu. Předpokládá se, že výpočty budou paralelní a že budou spuštěny na jednom z českých superpočítačů. Vzhledem k velikosti dat se taktéž předpokládá, že I/O operace budou také prováděny paralelně. Pro konfigurace, v nichž porézní struktura zaujímá jen část celkové výpočtové oblasti, bude odzkoušeno lokální zjemňování mřížky. Pro konfigurace s více materiálovými oblastmi funkčně propojených sdruženou okrajovou podmínkou bude navržen vhodný algoritmus tak, aby byl fyzikálně korektní a byla zachována vysoká úroveň paralelizace výpočtu.

Školitel: Jan Boháček

Akumulátory v elektrických vozidlech jsou složené z mnoha Li-ion článků, které při nabíjení a vybíjení produkují teplo, které je nutno efektivně odvádět tak, aby bylo dosaženo minimálního teplotní rozdílu mezi jednotlivými články a nebyla překročena maximální povolená teplota každého z článků. Zatímco lze menší až střední výkony uchladit nucenou konvekcí vzduchu od ventilátoru, pro velké výkony je výhodnější využití kapalinového chlazení. V Laboratoři přenosu tepla a proudění byl ve spolupráci s firmou Promens a.s. vyvinut a vyroben prototyp chladiče pro Li-ion články typu 18650. Chladič se skládá z mnoha dutých polymerních vláken zalitých v lehkém a odolném polymeru. Teplonosná látka např. voda proudí uvnitř vláken.

Práce se bude zabývat testováním prototypu, jeho parametry během nabíjecích a vybíjecích cyklů. Na základě výsledků bude chladič optimalizován, což bude podpořeno numerickým modelem vyvinutým v některém z CFD software.

Školitel: Jan Boháček

V Laboratoři přenosu tepla a proudění byl ve spolupráci s firmou Promens a.s. vyvinut a vyroben prototyp chladiče pro akumulátory elektromobilů. Chladič obsahuje mnoho dutých polymerních vláken, jimiž proudí teplonosná látka např. směs vody a glykolu. Vlákna jsou zalita v lehkém a odolném polymeru. Geometrie s miniaturními rozměry spolu s paralelními větvemi protékaných teplonosnou látkou komplikuje měření tlakových ztrát a průtoků, což bude hlavní náplní práce. Pro zmapování tlaková ztráty a průtoků poslouží taktéž některý z CFD software.