Być może słyszałaś lub słyszałeś kiedyś frazę „przepływ wtórny”. Jeżeli chcesz wiedzieć, co to takiego, pozwól, że wyjaśnię wspomniane zjawisko w wakacyjnym klimacie. Artykuł jest podsumowaniem projektu, realizowanego w ramach programu „Miniatura”, finansowanego przez Narodowe Centrum Nauki.
Czym są przepływy wtórne?
Mamy środek wakacji, więc zapewne niektórzy z nas odbywają właśnie spływy kajakowe. Przepływ główny to nurt rzeki płynący wzdłuż jej biegu – od źródła aż do ujścia. Ale każdy, kto płynął rzeką, wie, że woda tak naprawdę nie płynie uregulowaną strugą wzdłuż koryta. Oprócz nurtu głównego często porusza się w kierunku poprzecznym. Przyczyną takiego ruchu może być przeszkoda – kamień, pień lub uskok. Ich wystąpienie wpływa na nurt rzeki nawet wiele metrów za samą przeszkodą. W skrajnych przypadkach przepływy wtórne mogą powodować powstawanie wirów i przepływów zwrotnych, tzw. cofek. Przepływy wtórne związane z siłą odśrodkową są też odpowiedzialne za tzw. meandrowanie rzek.
Podobnie zachowuje się gaz w kanale sprężarki przepływowej. „Główny nurt” przepływu ma kierunek od wlotu do wylotu i jest to najbardziej pożądany uregulowany przepływ. Poza nim obserwuje się wiele rodzajów przepływów wtórnych. Gaz pod wpływem licznych zjawisk fizycznych (siła odśrodkowa, siła Coriolisa, przepływy nadłopatkowe) może poruszać się w kierunku poprzecznym. Przepływy wtórne są najczęściej niepożądane – powodują straty energetyczne i w rezultacie zmniejszają sprawność sprężarki.
Przepływy wtórne mogą również powstać na skutek niewielkich nieregularności w kształcie kanału sprężarki; niewielkie z nich powodowane są przez zmiany powierzchniowe bądź drobne wyszczerbienia. Celem naszego projektu jest dopracowanie sposobu ich wykrywania. Robimy to za pomocą algorytmów matematycznych, analizujących sygnały ciśnienia.
Wróćmy do analogii rzeki. W tym przypadku nasz projekt oznaczałby, że monitorujemy ciśnienie na lewym brzegu rzeki. Na podstawie tego pomiaru wyciągamy wnioski, czy przy prawym brzegu pojawiły się jakieś nowe obiekty, zakłócające przepływ. Brzmi jak duże wyzwanie – algorytm musi być bardzo czuły, ale i zdolny do izolowania określonego zjawiska. Inaczej mówiąc, musi umieć odróżnić zmianę powstałą w wyniki pojawienia się stałej przeszkody od zmiany spowodowanej innymi czynnikami.
Dlaczego to jest ważne?
Badania podstawowe są motywowane ciekawością i chęcią głębszego zrozumienia zjawiska. Ale w dalszej perspektywie można sobie wyobrazić przyszłe obszary zastosowania, wynikające z tego projektu. Zmiana geometrii kanału może wynikać ze zużycia maszyny bądź wyszczerbienia łopatki. Jeżeli będziemy w stanie identyfikować niewielkie zmiany w odczytach ciśnienia, spowodowane taką sytuacją, będziemy mogli zaprojektować systemy monitorowania stanu pracy takiej maszyny.
Obecnie rozwija się wiele systemów monitorowania stanu pracy oraz przewidywania awarii opartych o algorytmy sztucznej inteligencji (AI). Jest to obiecujący kierunek zmierzający do mniejszej awaryjności maszyn. Problemem AI jest fakt, że nie dostarcza on fizycznego wyjaśnienia. Algorytm może nam powiedzieć, że niebawem nastąpi awaria maszyny, nie wytłumaczy jednak, dlaczego tak „uważa”. Z tego powodu ważne jest kontynuowanie badań podstawowych nad fizyczną genezą zjawisk, które wspólnie z algorytmami AI mogą dostarczyć kompletny system monitorowania i przewidywania pracy sprężarek.
