OPUS 23

dr hab. inż. Maciej Jaworski, prof. uczelni oraz dr hab. inż. Mirosław Serdyński, prof. uczelni zrealizują projekt „Badanie procesu krzepnięcia i topnienia materiału zmiennofazowego wypełniającego piankę metaliczną o otwartych porach”, którego zasadniczym celem jest przeprowadzenie badań, zarówno eksperymentalnych jaki i na bazie symulacji numerycznych, wieloskalowych procesów transportu ciepła zachodzących podczas krzepnięcia i topnienia materiału zmiennofazowego (PCM) wypełniającego otwarte pory pianki metalicznej.

Materiały zmiennofazowe są szeroko wykorzystywane w układach magazynowania energii, np. w systemach zarządzania energią budynku, w celu efektywnego wykorzystania odnawialnych źródeł energii, a także stabilizacji temperatury np. urządzeń i systemów elektronicznych. W tych zastosowaniach wykorzystywana jest podstawowa cecha materiałów PCM, tzn. bardzo duża entalpia przemiany fazowej przebiegającej w wąskim zakresie zmian temperatury. Materiały PCM charakteryzują się małymi współczynnikami przewodzenia ciepła, co skutkuje ograniczeniem strumieni ciepła, a tym samym efektywności energetycznej urządzeń i systemów z tymi materiałami. W celu zwiększenia strumieni ciepła przekazywanych do PCM-ów podejmowane są rozmaite działania. Jednym z nich jest zastosowanie pianek metalicznych o otwartych porach nasączonych PCM-em.

Jedno z proponowanych w projekcie działań będzie koncentrowało się na dwóch wybranych zastosowaniach kompozytu pianka metalowa – PCM, tj. układach stabilizacji temperatury elektroniki (układów chłodzenia procesorów) oraz generatorów termoelektrycznych wykorzystujących okresowo dostępne źródła ciepła (np. używanych na satelitach krążących wokół Ziemi) – urządzeń, które dzięki akumulacji ciepła w PCM mogą wytwarzać energię elektryczną również wówczas, gdy źródło ciepła nie jest dostępne. Przeprowadzone zostaną badania eksperymentalne tych dwóch układów w celu określenia wpływu wybranych parametrów (np. porowatość pianki metalowej, przechłodzenie i/lub przechłodzenie podczas topienia i krzepnięcia) na ich charakterystykę pracy.

Aby umożliwić niezawodne modelowanie tych systemów, zostanie opracowany, zweryfikowany i zwalidowany na podstawie danych doświadczalnych, mikroskalowy model symulacyjny wymiany ciepła i masy w kompozycie pianka metaliczna – PCM. Symulacje będą prowadzone w wyidealizowanej geometrii przypominającej złożoną strukturę pianki metalowej i w rzeczywistej geometrii uzyskanej za pomocą obrazowania mikro-tomograficznego. Na podstawie uzyskanych numerycznie mikro-pól temperatury i strumienia ciepła zostaną określone efektywne przewodności cieplne kompozytu dla różnych konfiguracji PCM i pianek metalowych. Model w mikroskali zostanie również wykorzystany do prognozowania liczbowych zależności współczynnika przenikania ciepła i tensora dyspersji.

dr hab. inż. Marek Wojtyra, prof. uczelni będzie kierował projektem "Sformułowanie i eksperymentalna walidacja efektywnych obliczeniowo metod modelowania hybrydowych – sztywno-podatnych układów wieloczłonowych z więzami nadmiarowymi".

Projekt podejmuje wyzwanie opracowania metod modelowania hybrydowych (sztywno-podatnych) układów z więzami nadmiarowymi, zapewniających uzyskanie wiarygodnych wyników przy zachowaniu wysokiej wydajności obliczeniowej.

Pierwszy cel badawczy dotyczy opracowania algorytmów umożliwiających hybrydowe (sztywno-podatne) modelowanie układów wieloczłonowych. W tym celu, w początkowej fazie projektu, zostaną porównane różne metody modelowania podatności członów. Następnie najbardziej efektywne z nich zostaną użyte w proponowanych algorytmach hybrydowych. Dzięki temu symulacje – wykorzystujące model przybliżony, lecz wciąż odpowiadający fizyce – będą efektywne obliczeniowo.
Drugi cel badawczy skupia się na zaproponowaniu zagadnień testowych, pozwalających uwypuklić najistotniejsze problemy dotyczące modelowania układów z więzami nadmiarowymi. Zagadnienia te zostaną wykorzystane do wszechstronnego przetestowania opracowanych metod modelowania. Oceniona będzie poprawność i dokładność modeli, a także ich własności numeryczne, np. czas lub stabilność obliczeń.

Projekt zaowocuje opracowaniem nowych narzędzi numerycznych, gotowych do implementacji w programach do obliczeń metodą układów wieloczłonowych, umożliwiających prowadzenie zautomatyzowanych analiz. Wyniki projektu będą stanowić konstruktywne rozwiązanie problemów związanych z modelowaniem układów z więzami nadmiarowymi. Możliwe będzie uzyskiwanie, z akceptowalną dokładnością, osadzonych w fizyce układu wyników symulacji, przy zachowaniu wysokiej wydajności obliczeń. Rezultaty projektu rozszerzą możliwości dostępnych obecnie metod modelowania.

Wartość obu grantów wynosi ponad 2 170 000 zł.