Delfinek és cápák bőre segíti az energiatakarékos vízi járművek megalkotását

Hidrodinamikai kutatásainak legutóbbi eredményeiről számolt be a bme.hu-nak a GPK fiatal szakembere.

„Az áramlástani kutatások „Szent Grálja” a folyadékban mozgó test által keltett turbulencia matematikai leírása, valamint az, hogy miképpen lehet e sajátos áramlásokat megelőzni, vagy az általuk okozott energiaveszteséget csökkenteni” – válaszolta a bme.hu kérdésére Nagy Péter Tamás, a BME Gépészmérnöki Kar (GPK) Hidrodinamikai Rendszerek Tanszék adjunktusa, aki kutatásaival összefüggő írásáért a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, a Pro Progressio Alapítvány, valamint az Élet és Tudomány legutóbbi, közös ismeretterjesztő cikkpályázatán az oktatói kategóriában egyedüliként nyert díjat. Cikkének címe: Delfinek a cápák ellen.

A fiatal kutató a szombathelyi Nagy Lajos Gimnáziumban érettségizett és mivel egyaránt érdekelték a villamosmérnöki, az informatikai, valamint a gépészeti tudományok, a BME mechatronikai mérnök alapszakon folytatta tanulmányait. Idővel az elméleti területet találta vonzóbbnak, ezért a gépészeti modellezés szakirányt választotta. Később, a mechanical modelling (gépészeti modellező) MSc képzés során találkozott Paál Györggyel, a GPK Hidrodinamikai Rendszerek Tanszék tanszékvezető egyetemi tanárával, aki az orgonasípok rezgéseinek kutatását javasolta számára. „A téma felkeltette az érdeklődésemet, ezért ebből TDK-ztam, ami eredményesen végződött: Rektori Különdíjjal jutalmazták pályamunkámat” – idézte fel kutatói pályájának első sikerét Nagy Péter Tamás.

A diplomamunkájának témája – az ún. üreghangok aeroakusztikai vizsgálata, amelyet a Bécsi Műszaki Egyetemen végzett – ugyan kis kitérőt jelentett, de doktori témaként az orgonasípok által inspirált kutatási témát választott: szabadsugarak és nyírórétegek érzékenységvizsgálatát, Paál György témavezetése mellett. Ennek távlati célja az ún. öngerjesztett áramlási lengések jobb megértése volt. Az itt kifejlesztett matematikai módszereket alkalmazta később a cikk témáját képező fali súrlódást csökkentő kutatásokhoz. Az oktató egy másik volt hallgatójával, az Edinburghban, majd Oxfordban kutató Józsa István Tamással a csatornákban kialakuló turbulencia csökkentésének lehetőségeit vizsgálták. „Az általam használt elméleti módszert jól lehet a folyadékkal érintkező falakra is alkalmazni, innen jött az ötlet, hogy végezzünk közösen tudományos munkát. Ő főként szimulációkkal foglalkozott, én pedig elméletileg vettem górcső alá, hogy a különféle elmozduló falak mérsékelhetik-e a turbulenciát” – ecsetelte a fiatal szakember.

Az áramlási ellenállásról szólva a műegyetemi adjunktus elmondta: a folyadékban mozgó test mellett ún. határréteg jön létre. Az ebben a környezetben kialakuló áramlástani viszonyok határozzák meg a súrlódás mértékét. A kutatók kétféle áramlást különböztetnek meg: a rétegzett, ún. lamináris, valamint a kaotikusan, összevissza gomolygó turbulens áramlást. Kialakulásuk több tényezőtől, főként a sebességtől függ. „Ez egy homályos terület, ahol többféle elmélettel próbálják magyarázni a megfigyeléseket” – emlékeztetett a Gépészmérnöki Kar munkatársa, hozzátéve: „azt nagyjából tudjuk, hogy az áramlás bizonyos sebesség fölött elveszíti rétegzettségét és bekövetkezik a turbulencia, valamint azt is egész jól meg lehet jósolni, hogy ez milyen körülmények – fizikai tényezők, például sebesség – között történik, de hogy miért és miképpen, azt nem”.


Síklap feletti határrétegben a turbulencia kialakulása

Az áramlástani szoftverekben a turbulens tartományban lévő szimulációhoz a kutatónak egy turbulencia-modellt kell kiválasztania. „Mindig van valamilyen előzetesen meghatározott elmélet a munka elindításához, de ezek nem eléggé kiforrottak. A tapasztalati modellek adott esetben jól figyelembe tudják venni a turbulencia hatását, ám ez koránt sincs mindig így: az áramlástanban ezért szükségesek mind a mai napig elméleti kutatások és empirikus modellkísérletek” – hangsúlyozta a szakember.

A turbulens áramlás fenntartásának komoly energiaigénye van, ami plusz ellenállást és így energiaveszteséget eredményez a vízben mozgó eszközöknél, például hajóknál. Csővezetékekben a folyadék mozgatásához szükséges energiafelhasználás a turbulencia megelőzésével akár 90%-kal, a hajózásnál pedig a felére is csökkenthető.

A vízben mozgó eszközökön végzett kutatásoknak több iránya van: az egyik szerint a turbulenciát úgy módosítják, hogy az ellenállás csökkenjen, és ne okozzon nagy veszteséget. Nagy Péter Tamás a másik irányvonalat követi: eszerint a testet úgy módosítják, hogy a turbulencia ne, vagy késleltetve alakuljon ki, ez a felület minőségétől függ. „A kutatók eddig főként olyan bevonatokat vizsgáltak, amelyek benyomódhatnak, én pedig olyat szeretnék, ami az áramlás irányában oda-vissza kissé el tud mozdulni” – hangsúlyozta a műegyetemi adjunktus, hozzátéve, saját kutatásai eddig csupán azt a kérdést járták körül, hogy elméletileg lehet-e ebben az irányban tapogatózni. „Az előzetes vizsgálatok alapján úgy tűnik, jó úton járunk: bizonyos sebességhatárokig – 30-40 km/óra alatt – a viszonylag könnyen hozzáférhető szilikongumi turbulencia-csökkentő bevonatként működhet a vízben mozgó tárgyakon” – árulta el a kutató.

A díjat nyert ismeretterjesztő írás címe a nagyközönség által befogadhatóbb, ráadásul a természetben már működő számos példák egyikét idézi. A cápák bőrén mikroszkopikus méretű kitüremkedések vannak, amelyek módosítják a turbulenciát – hasonlóan az elsőként említett kutatási elképzelésekhez. A delfinek bőre ezzel szemben gátolja magának a turbulenciának a kialakulását. A cápáé ún. passzív, a delfiné aktív rendszer, azaz utóbbi bőrfelületének bizonyos anyagi tulajdonságait meg tudja változtatni. A delfin képes a legfelső bőrrétegének hőmérsékletén vegetatív úton „állítani”, ami a rugalmasságát is megváltoztatja, egyúttal beállítja a megfelelő sebességhez szükséges puhaságot.


Elektronmikroszkóppal készített felvétel a cápa bőrén található apró fogakról (Forrás:Pascal Deynat/Odontobase)

A tengeri állatok hidrodinamikájával kapcsolatos vizsgálódások alapja egy neves kutató, Max O. Kramer által 1960-ban publikált tanulmány. A szakemberek korábban kiszámolták, hogy a delfin úszásakor a sebességéhez kétszer annyi energiára lenne szüksége, mint ami az elméleti modell szerint lehetséges. Kramer kísérletekkel bizonyította, hogy a delfin bőréhez hasonló rugalmas bevonat be tud nyomódni és a külső, zavaró energiát elnyelve csökkenti az ellenállást. „Én személyesen nem vizsgáltam az állatvilág példáit, de a puha bevonatok ötlete innen jött” – hangsúlyozta a fiatal oktató, hozzátéve, hogy a delfin „stratégiáját” vette figyelembe. „Azért ebben az irányban indultam el, mivel ha nem ismerjük pontosan, mi az a turbulencia, azt sem tudjuk igazán, miképpen kell módosítani – ahogyan ezt a cápa bőre egyébként mindenfajta elmélet nélkül „magától” tudja” – nyomatékosította Nagy Péter Tamás.


A Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, a Pro Progressio Alapítvány, valamint az Élet és Tudomány legutóbbi, közös ismeretterjesztő cikkpályázat díjának átvétele Józsa János rektortól

A szakember elméleti kutatásainak befejezése után a következő cél egyszerű geometriájú, szerszámmal könnyen gyártható minták kialakítása, amelyek a gyakorlati modellkísérlethez szükségesek. Ezeket a vizsgálatokat a GPK Hidrodinamikai laboratóriumában szeretnék majd elvégezni. „A bevonatot mikroméretű szőrszálakhoz lehetne hasonlítani, amelyek elmozdulásukkal elnyelik az energiát, és megakadályozzák a turbulenciának bizonyos sebesség alatti kialakulását. Fontos a megvalósíthatóság: az ilyen típusú bevonatokat már a gyakorlatban meg lehet alkotni, és a csatornakísérletek elkezdhetők általuk: a nyílt felszínű kísérleti csatorna alsó falába a bevonatot tartalmazó mintákat tesznek és megmérik az áramlási paramétereket az optimális bevonat megtalálásához. „E kutatások első eredményei egy-két év múlva lesznek publikálhatóak” – emelte ki Nagy Péter Tamás. Hozzátette: a távolabbi cél, hogy a bevonatot az üzemanyagköltségeket és a károsanyag-kibocsátást is hatékonyan csökkentő vízi járműveken, hajókon vagy tengeralattjárókon alkalmazzák.

HA-GI
Fotó: Philip János