Kako mehurči uničujejo turbinske lopatice?

Zmagovalni prispevek na 2. natečaju Znanost na delu

Matevž Dular, Fakulteta za Strojništvo, Univerza v Ljubljani

Raziskovanje pomeni “sistematično kreativno delo, ki vodi k boljšemu razumevanju okolice”. Privlačno je, ker ne vemo, kaj bomo našli, velikokrat celo ne vemo, kaj iščemo. Odgovor nas preseneti in nam hkrati odpre nov izziv. Prispevek opisuje 15 letno raziskovanje na videz rešenega problema: “Kako mehurčki uničujejo turbinske lopatice?”.

Kavitacija je pojav, ki spominja na vrenje, s to razliko, da se mehurčki pojavijo zaradi nizkega tlaka in ne zaradi povečanja temperature. Gre za enega najbolj perečih pojavov pri obratovanju vodnih strojev. Problem ni le nastanek mehurčka, pač pa tudi njegov kolaps, ki je lahko izredno silovit in poškoduje stroj. Pojav imenujemo kavitacijska erozija, stroške popravil zaradi nje pa štejemo v milijonih. Kako lahko mehurček poškoduje turbino, je problem, v katerega smo na Fakulteti za Strojništvo prvič zagrizli leta 2001.

Za diplomsko nalogo sem razvil model, ki je pokazal, da lahko iz izgleda kavitacije napovemo velikost in mesto poškodb. Rezultati so bili obetavni, a so dodatne meritve kmalu pokazale, da ima kavitacijska struktura (oblak mehurčkov) premalo energije za poškodbo materiala. Model je sicer nakazal pravo smer razmišljanja, a je bil preveč poenostavljen.

Tekom doktorskega študija na TU Darmstadt smo za opis nastanka kavitacijske poškodbe predlagali koncept t.i. kaskade dogodkov: kolaps oblaka mehurčkov ustvari tlačni val, le ta pa povzroči kolaps posameznega mehurčka, ki leži tik ob steni. Mehurček nato postane nesimetričen, toroiden (podoben ameriškemu krofu), prebode pa ga izjemno hiter vodni curek, ki zadane ob površino in jo poškoduje. Rezultat doktorata je bil spet model, ki je bil splošnejši in sploh prvi, ki se je opiral na fizikalne, in ne na empirične, relacije.

Model smo v naslednjih leti nadgradili in ga celo vključili v komercialni programski paket za računalniško napoved erozije. Pokazal se je za zanesljivega, z eno pomanjkljivostjo. Zaradi omejitve računalniške zmogljivosti smo lahko napovedali poškodbe, ki nastanejo v času 1 sekunde. Verodostojne meritve poškodb pa smo lahko opravili šele po eni uri “kavitiranja”. Postavili smo si nov cilj – zasnovati eksperiment, ki bi bil dolg le sekundo in služil za neposredno vrednotenje modela.

Prve uspešne meritve smo uspeli narediti šele po 6 letih poskušanja. Pokazali smo, da je koncept kaskade dogodkov pravilen. Pojavila pa se je nova težava – nismo našli korelacije med velikostjo in oddaljenostjo oblaka mehurčkov na eni in agresivnostjo kavitacije na drugi strani, kar je bil temelj našega in vseh ostalih obstoječih modelov. Spet smo spoznali, da je realna, fizikalna, slika precej kompleksnejša, kot smo upali. Dve leti kasneje smo eksperiment še nadgradili in pokazali, da je proces precej bolj zapleten kot smo domnevali, saj obstaja kar 5 kaskad (in ne le ena) od kolapsa oblaka mehurčkov do nastanka poškodbe.

Veliki finale se je zgodil letos. Uspeli smo posneti tudi zadnji dogodek v kaskadi – kolaps le enega mehurčka in posledični nastanek poškodbe. Vse skupaj se zgodi v le 3 mikrosekundah. S to študijo smo verjetno prispevali enega izmed zadnjih koščkov sestavljanke, ki podaja fizikalno ozadje kavitacijske erozije.

Feynman je menda rekel, da mu je vseeno, če na koncu odgovor ni napisan z eno samo enačbo, ampak je večplasten, kot čebula. Ko olupimo en sloj, najdemo naslednjega. V 15 letih smo “olupili veliko slojev čebule”. In čeprav nam je šlo pri tem velikokrat na jok je vztrajanje obrodilo številne rezultate – sodelovanje z Evropsko Vesoljsko Agencijo ESA, doktorati, patenti, citati, nenazadnje pa tudi odlično sodelovanje z gospodarstvom, kar je za inženirske znanosti ključnega pomena.

Pa še epilog: Leta 2012 smo prišli na idejo, da bi z agresivno kavitacijo uničili bakterije v vodi. Slika se je takrat zdela popolnoma jasna. Visoki tlaki ob kolapsu oblaka mehurčkov poškodujejo bakterije. 6 let kasneje vodim ERC projekt, kjer je glavno vprašanje: “Kaj je mehanizem preko katerega kavitacija vpliva na uničenje bakterij?” Se sliši znano?

Oblak kavitacijskih mehurčkov, ki nastane ob toku vode skozi zožitev.
Poškodovan vzorec po različnih časih “kavitiranja”.

Prof. dr. Matevž Dular se je rodil leta 1979, diplomiral je leta 2002, doktoriral pa 3 leta kasneje. Lani je bil izvoljen v naziv rednega profesorja. Več kot 4 leta je delal v tujini (TU-Darmstadt, Arts et Metiers Paris Tech, FH Heidelberg, University of Colorado). Vodil je več projektov za Evropsko vesoljsko agencijo ESA. V letu 2017 je uspel na razpisu Evropskega znanstvenega sveta (ERC) in pridobil sredstva za 5 letno bazično raziskovanje kavitacije in njenih možnih aplikacij pri čiščenju voda. Področje njegovih raziskav zajema tako bazične, kot tudi aplikativne raziskave s področja kavitacije in inženirske dinamike tekočin.