“Főáramlás a nagy örvényt,
Nagy a kisebbet táplálja;
Kis örvény a még kisebbet,
S eljututnk a viszkozitásra.”
Elérkezett a pillanat: most, hogy 7 hónap után már minden olvasó elkönyvelhette, hogy a legmegerőltetőbb tevékenységünk az, hogy lemegyünk az edzőterembe kézben-háton-tömegközlekedve haza hozzuk a havi elemózsiát, illetve a legkomolyabb bosszúság, ha a benzin ára literenkénti 200-ról 203 Ft-ra nő, esetleg hogy a különböző nemzeti parkok tőszomszédságában foglalt hotelunkban nem volt reggel tea filter, első ízben beszámolok a kutatási projektemről! Röviden összefoglalva: particle image velocimetry (PIV) segítségével méréseket végzek egy optikailag hozzáférhető motoron, hogy megvizsgálhassuk a szelepeken található különböző peremezések (aki tud jobb magyar szót a shroudra, az ne habozzon megosztani) hengerben történő turbulens áramlásra gyakorolt hatását. A cél, hogy a mérési adatok alapján meghatározott sebesség mezőkből származtatott fluktuáló sebesség komponensekre illesztett Pope féle modell spektrum segítségével kapott turbulens paraméterek (úgy mint turbulencia intenzitás, turbulens Reynolds-szám, Kolmogorov-hossz, ’integral length scale’) és a motor geometriai méretei illetve a fordulatszám közt összefüggéseket találjunk, vagyis a sebességgel és mérettel skálázó általános törvényszerűségeket derítsünk fel. Tovább után differenciálegyenletek, bonyolult fizikai összefüggések és elméleti optika helyett a fenti elrettentő mondattal – amely jó példa arra, hogyan ne kezdjünk egy nagyközönségnek szóló tudományos jellegű írást – szemben szemléletes, és reményeim szerint közérthető formába próbálom önteni napi teendőim alapjait!
Kanyarodjunk tehát vissza az elejére. Az ember talán nem is gondolná – én legalábbis eddig nem gondoltam bele -, hogy a belső égésű motoroknak micsoda tárházára van szüksége az emberiségnek. A különböző feladatokhoz különböző kialakításúakra esetleg csak különböző méretűekre. A motor geometriai adatait a kívánt tulajdonságok határozzák meg. A feladat ismeretében kiszámolható, hogy milyen teljesítményre, erőre, fogyasztásra, fordulatszámra, stb. van szükség, ezek az üzemi paraméterek pedig egyenesen vezetnek el a tervezés során a motor végső méreteihez. A tervezés nehéz, időigényes és költséges folyamat, hiszen gyakorta prototípusokat is igényel. Emiatt minden olyan elv, törvényszerűség, ami egyszerűsítheti a mérnök dolgát, aranyat ér! A projekt annak felderítését célozza, hogy milyen hasonlóságok fedezhetőek fel két olyan motor működése közt, melyek teljesen megegyező felépítésűek, csak a nagyobbik minden alkatrésze pontosan 1,69-szer nagyobb a kisebbénél (a szám teljesen véletlenszerű, nincs semmilyen mélyebb tartalom a háttérben). A geometriai méret mellett a fordulatszám is érdekes, próbálunk összefüggéseket találni a sebesség és bizonyos áramlást jellemző paraméterek közt. Ez azért hasznos, mert ha ezek után esetleg szükség lenne egy meghatározott követelményeknek eleget tevő motorra, akkor elegendő lehet egy a már ismert, hasonló elvű motorok üzemi paramétereiből álló katalógust felcsapni, és egyszerűen felszorozni az észlelt törvényszerűségeknek megfelelően a geometriai méreteket, jelentősen egyszerűsítvén a tervezést.
A puszta teljesítmény mellett a modern idők környezetvédelmi rendelkezései miatt különösen nagy figyelmet kap a szennyező anyag kibocsátás. A korom, nitrogén-oxidok és szénmonoxid mind-mind a tökéletlen égés eredményei, ezért az égés mechanizmusának megértése kulcskérdés. És itt érkezünk el az áramláshoz. A benzinmotorban az égést a levegő-benzin keverék beszívása és sűrítése előzi meg, majd egy megfelelő pillanatban történik a gyújtás. A láng terjedése szempontjából pedig döntőek az áramlási viszonyok. Az égés minősége nagyban függ a befecskendezett levegő-üzemanyag elegy keveredésének milyenségétől, ami pedig jellemezhető a különböző turbulencia paraméterekkel.
Ezen a ponton felmerülhet a kérdés, hogy mi is az a turbulencia? Bizonyára sokan gondolnak valami kavargó, örvénylő képződményre, egy tornádóra esetleg, vagy a lefolyó vízre a kádban. Nem teljesen rossz az elgondolás, de ennél többről van szó. Meglepően bonyolult áramlási képek alakulhatnak ki ugyanis akkor is, amikor még nem beszélhetünk turbulenciáról (például a lefolyó is ilyen nyugodt körülmények közt). Egy mondatban összefoglalva azt szokás mondani, hogy a turbulens áramlásban egy adott pontban a fizikai paraméterek (sebesség, hőmérséklet, stb.) gyorsan, kaotikusan változnak. Kisebb és nagyobb örvények olvadnak össze, válnak szét, kergetőznek, és amint ezek az örvények áthaladnak a megfigyelési ponton, úgy változnak a jellemző fizikai mennyiségek pillanatról-pillanatra.
Az alap példa a csőáramlás. Ha megfestjük egy pontban a csőben áramló folyadékot, akkor alacsony sebességnél azt láthatjuk, hogy a pont mögötti vékony sávban színes lesz a folyadékunk. Ezt nevezzük lamináris áramlásnak. A festékanyag nem keveredik el. De lássuk, mi történik abban az esetben, ha a sebességet el kezdjük növelni!
Egy ponton megtörténik az átalakulás, és az egyre jobban hullámzó, instabillá váló festékcsíkunk egyszer csak gomolygó mozgásba kezd, megfesti az egész folyadékot. Ezt nevezzük turbulens áramlásnak.
Az áramlás lamináris illetve turbulens jellege és a sebesség közt kapcsolat van. Az alábbi videón egy áramlási térbe helyezett meleg kis kocka látható, a kicsi vektorok a sebesség irányába állnak minden pillanatban, a színek pedig a hőmérsékletmegoszlást mutatják. Fentről lefelé haladva a sebesség mindig nő.
Míg az első ábrán egy egyenletes, változatlan megoszlás jön létre, addig az alsón egy örvénylő, gomolygó képet kapunk, mely minden másodpercben változik. Látható, amint az örvények leválnak az áramlás útjában álló kis hasábról és vad táncra perdítik a sebességet reprezentáló nyilakat.
Most, hogy eljutottunk addig, mi is az a turbulencia, abba is hagynám az írást, mert minden bizonnyal érthetőbb az anyag az olvasóknak kisebb dózisokban tálalva (nekem pedig egyszerre kevesebbet kell gépelnem). Legközelebb arról lesz majd szó, hogy miként lehet az áramlást megmérni egy motor égésterében.
