Автор: Дарья Колмина
"Питерские заметки", 06.09.2023:
Процесс перекачки жидкостей может показаться уже решенным вопросом, но оптимизация этой работы остается активной областью исследований. Любое применение насосов - от промышленных до отопительных систем в домах - могло бы получить больше от снижения энергозатрат. Исследователи из Института науки и технологии Австрии (ISTA) продемонстрировали, как импульсное перекачивание может снизить как трение, так и энергопотребление при перекачивании. Для этого они вдохновились системой перекачивания, хорошо известной каждому: человеческим сердцем.
Согласно международному исследованию, около двадцати процентов глобальной электроэнергии расходуются на перекачивание жидкостей - начиная от промышленных насосов, перекачивающих нефть и газ, и заканчивая отопительными установками, перекачивающими горячую воду в частных домах. Группа исследователей во главе с Давиде Скарселли и Бьорном Хофом из Института науки и технологии Австрии (ISTA) искала способ снизить эти энергозатраты, вдохновляясь природой. В новом исследовании, опубликованном в научном журнале Nature, они показали, что перекачивание жидкостей через трубу импульсами - подобно тому, как человеческое сердце перекачивает кровь - может снизить трение в трубе и, следовательно, уменьшить энергопотребление.
"С годами исследователи и инженеры пытались сделать перекачивание жидкостей более эффективным", говорит Давиде Скарселли, первый автор исследования. "Хотя многие решения симулируются или тестируются в лабораториях, они часто слишком сложны и, следовательно, слишком дороги для внедрения реальную промышленность. Мы искали подход, который не требует сложных структурных изменений инфраструктуры.
Вместо изменения конструкции труб для снижения трения между движущейся жидкостью и стенками труб, ученые попробовали другой подход. "Как и любая часть нашего тела, человеческое сердце сформировано миллионами лет эволюции", объясняет профессор ISTA Бьорн Хоф. "В отличие от обычных механических насосов, создающих постоянный поток жидкости, сердце пульсирует. Нас интересовало, может ли быть преимущество в этой особой форме движения жидкости".
Для этой цели Скарселли и его коллега Атул Варшни создали несколько экспериментальных установок с использованием прозрачных труб разной длины и диаметра, через которые перекачивали воду. "Базовым вариантом для наших экспериментов был равномерный поток воды, в котором завихрения двигались хаотично, проходя через трубу", сообщил Скарселли. Эти завихрения называются турбулентностью и создают ощутимое трение между жидкостью и стенками трубы.
Исследователи сделали турбулентность видимой, добавив к воде крошечные отражающие частицы и пропустив через прозрачную трубу лазерный луч. Учёный сообщил, что после они сделали снимки, которые можно было использовать для определения, был ли поток турбулентным или ламинарным - без зафихрений".
Затем ученые опробовали несколько режимов импульсной перекачки. Некоторые режимы импульсов сначала медленно ускоряли поток воды, а затем быстро останавливали его, в то время как другие делали всё наоборот. Хоф прокомментировал результаты: "Обычно пульсация увеличивала сопротивление и энергозатраты на перекачку, что не соответствовало нашим ожиданиям. Однако, когда мы ввели короткую фазу покоя между импульсами, во время которой насос не перемещал воду - так же, как делает человеческое сердце, - мы получили гораздо лучшие результаты."
С наличием этих фаз покоя между импульсами перекачки количество турбулентности в трубе резко уменьшилось. "Во время фазы покоя уровень турбулентности снижается и делает последующую фазу ускорения намного более эффективной из-за снижения трения," добавляет Скарселли.
Для оптимизированного импульсного движения, подобного человеческому сердцу, исследователи обнаружили снижение среднего трения на 27 процентов и уменьшение энергопотребления на 9 процентов. "Снижение трения и завихрений очевидно, имеет преимущества в биологическом контексте, поскольку это предотвращает повреждение клеток, чувствительных к сдвиговому напряжению, образующих внутренний слой наших кровеносных сосудов. Это можно будет использовать использовать в будущих проектах", - объясняет Хоф.
Скарселли добавляет: "Хотя мы продемонстрировали многообещающие результаты в лаборатории, реальное применение наших исследований менее прямолинейно. Насосы должны быть переделаны для создания таких импульсных движений. Тем не менее, это все равно будет гораздо менее затратно, чем модификации стенок труб или установка приводов. Мы надеемся, что другие ученые будут развивать эти результаты, чтобы исследовать эти решения, вдохновленные природой, для промышленных приложений."
Согласно международному исследованию, около двадцати процентов глобальной электроэнергии расходуются на перекачивание жидкостей - начиная от промышленных насосов, перекачивающих нефть и газ, и заканчивая отопительными установками, перекачивающими горячую воду в частных домах. Группа исследователей во главе с Давиде Скарселли и Бьорном Хофом из Института науки и технологии Австрии (ISTA) искала способ снизить эти энергозатраты, вдохновляясь природой. В новом исследовании, опубликованном в научном журнале Nature, они показали, что перекачивание жидкостей через трубу импульсами - подобно тому, как человеческое сердце перекачивает кровь - может снизить трение в трубе и, следовательно, уменьшить энергопотребление.
"С годами исследователи и инженеры пытались сделать перекачивание жидкостей более эффективным", говорит Давиде Скарселли, первый автор исследования. "Хотя многие решения симулируются или тестируются в лабораториях, они часто слишком сложны и, следовательно, слишком дороги для внедрения реальную промышленность. Мы искали подход, который не требует сложных структурных изменений инфраструктуры.
Вместо изменения конструкции труб для снижения трения между движущейся жидкостью и стенками труб, ученые попробовали другой подход. "Как и любая часть нашего тела, человеческое сердце сформировано миллионами лет эволюции", объясняет профессор ISTA Бьорн Хоф. "В отличие от обычных механических насосов, создающих постоянный поток жидкости, сердце пульсирует. Нас интересовало, может ли быть преимущество в этой особой форме движения жидкости".
Для этой цели Скарселли и его коллега Атул Варшни создали несколько экспериментальных установок с использованием прозрачных труб разной длины и диаметра, через которые перекачивали воду. "Базовым вариантом для наших экспериментов был равномерный поток воды, в котором завихрения двигались хаотично, проходя через трубу", сообщил Скарселли. Эти завихрения называются турбулентностью и создают ощутимое трение между жидкостью и стенками трубы.
Исследователи сделали турбулентность видимой, добавив к воде крошечные отражающие частицы и пропустив через прозрачную трубу лазерный луч. Учёный сообщил, что после они сделали снимки, которые можно было использовать для определения, был ли поток турбулентным или ламинарным - без зафихрений".
Затем ученые опробовали несколько режимов импульсной перекачки. Некоторые режимы импульсов сначала медленно ускоряли поток воды, а затем быстро останавливали его, в то время как другие делали всё наоборот. Хоф прокомментировал результаты: "Обычно пульсация увеличивала сопротивление и энергозатраты на перекачку, что не соответствовало нашим ожиданиям. Однако, когда мы ввели короткую фазу покоя между импульсами, во время которой насос не перемещал воду - так же, как делает человеческое сердце, - мы получили гораздо лучшие результаты."
С наличием этих фаз покоя между импульсами перекачки количество турбулентности в трубе резко уменьшилось. "Во время фазы покоя уровень турбулентности снижается и делает последующую фазу ускорения намного более эффективной из-за снижения трения," добавляет Скарселли.
Для оптимизированного импульсного движения, подобного человеческому сердцу, исследователи обнаружили снижение среднего трения на 27 процентов и уменьшение энергопотребления на 9 процентов. "Снижение трения и завихрений очевидно, имеет преимущества в биологическом контексте, поскольку это предотвращает повреждение клеток, чувствительных к сдвиговому напряжению, образующих внутренний слой наших кровеносных сосудов. Это можно будет использовать использовать в будущих проектах", - объясняет Хоф.
Скарселли добавляет: "Хотя мы продемонстрировали многообещающие результаты в лаборатории, реальное применение наших исследований менее прямолинейно. Насосы должны быть переделаны для создания таких импульсных движений. Тем не менее, это все равно будет гораздо менее затратно, чем модификации стенок труб или установка приводов. Мы надеемся, что другие ученые будут развивать эти результаты, чтобы исследовать эти решения, вдохновленные природой, для промышленных приложений."