 |
A nemegyensúlyi termodinamika matematikai és kísérleti módszereinek fejlesztése
|
súgó 
nyomtatás 
|
Ezen az oldalon az NKFI Elektronikus Pályázatkezelő Rendszerében nyilvánosságra hozott projektjeit tekintheti meg.
vissza »
|
| |
Projekt adatai |
|
|
| azonosító |
130378 |
| típus |
KH |
| Vezető kutató |
Kovács Róbert Sándor |
| magyar cím |
A nemegyensúlyi termodinamika matematikai és kísérleti módszereinek fejlesztése |
| Angol cím |
The development of mathematical and experimental methods in non-equilibrium thermodynamics |
| magyar kulcsszavak |
numerikus módszerek, parciális differenciálegyenletek, lézer impulzus kísérletek |
| angol kulcsszavak |
numerical methods, partial differential equations, laser flash experiments |
| megadott besorolás |
| Áramlás- és Hőtechnika (Műszaki és Természettudományok Kollégiuma) | 70 % | | Ortelius tudományág: Hőtechnika | | Energetika (Műszaki és Természettudományok Kollégiuma) | 30 % | | Ortelius tudományág: Hőtárolás |
|
| zsűri |
Gépész-, Építő-, Építész- és Közlekedésmérnöki |
| Kutatóhely |
Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék (Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem) |
| résztvevők |
Fodor Tamás Attila
Gróf Gyula
Rieth Ágnes
Szücs Mátyás Egon
|
| projekt kezdete |
2018-12-01 |
| projekt vége |
2020-11-30 |
| aktuális összeg (MFt) |
19.988 |
| FTE (kutatóév egyenérték) |
5.25 |
| állapot |
lezárult projekt |
magyar összefoglaló A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A kutatás a nemegyensúlyi termodinamikai keretek között származtatott, főként hővezetési egyenletek numerikus és analitikus megoldásaival foglalkozik, valamint azok kísérletekkel való összevetésével. A pályázat alapjául szolgáló cikkben lefektettük egy olyan numerikus módszer (eltolt mezőkkel való diszkretizáció) alapjait, amely minden mérlegszerkezetű, parciális differenciálegyenlet-rendszerre alkalmazható és elősegíti a peremfeltételek kísérletekkel konzisztens megadását. Ez lehetővé tette például az úgynevezett ballisztikus hővezetés - mint hangsebességgel terjedő "hőmérséklet-hullám" - modellezését. De a módszer nem korlátozódik a hővezetésre, cél a módszer kiterjesztése szilárd testek mechanikai, termo-mechanikai és gázok (sűrű és ritka) modellezési eszköztárának a bővítése. Az ide vonatkozó modellek elméleti háttere már kidolgozott, vagyis az egyenletek ily módon adottnak tekinthetőek. Az is jól ismert, hogy a kereskedelmi végeselemes módszerre épülő eljárások sem használhatóak hatékonyan, sőt, egyes esetekben rossz megoldásra is vezet. Ezért további cél a meglévő 1 dimenziós numerikus módszer 3 dimenzióra való kiterjesztése is. A vonatkozó kísérletek kiértékelését és az új numerikus közelítő megoldások tesztelését pedig analitikus megoldások keresésével lehet hatékonnyá és megbízhatóvá tenni.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A kutatás egyik alapkérdése az általánosított (például inhomogén anyagokra is kiterjesztett érvényességi körű) modellek matematikai kezelése, fizikailag is konzisztens megoldások megtalálásának feltételeinek rögzítése.
Az említett kiterjesztett modellek esetén megváltozik a peremfeltételek klasszikusan ismert értelmezése. Ez kihat a megoldási módszerre és annak felépítésére is. Több olyan eset is létezik és megtalálható az irodalomban, ahol a peremfeltételek ilyen esetben való téves értelmezése és megadása fizikailag nem elfogadható, inkonzisztens eredményre vezetett.
A kutatás főként a klasszikustól eltérő anyagi modellekre fókuszál, valamint azok fizikai hátterének kísérleti aspektusait elemzi. Az eddigi kutatásaink alapján már részben világos, hogy milyen körülmények mellett és milyen módon jelentkezik szobahőmérsékleten a Fourier-egyenlettel nem modellezhető viselkedés. Annak méretfüggése, valamint gyakorlati alkalmazásokba való átültetése (például 3D nyomtatási technológiába) viszont fontos, és elengedhetetlen szempont.
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
Az inhomogén anyagok (például kőzetek, kolloidok, biológiai eredetűek) modellezési módszerei rendkívül divergensek. A jelenleg uralkodó általános szemlélet igyekszik figyelembe venni az anyagi szerkezet lehető legtöbb sajátosságát (például a pórusok statisztikailag várható eloszlását, vagy biológia esetén az érrendszer pontos elhelyezkedését), ami ebből kifolyólag bonyolult, sőt, sokszor gyakorlati célra alkalmazhatatlan modelleket eredményez (példa: van olyan biológiai hővezetési modell, ami igényli a teljes véráram pontos sebességeloszlását minden időpillanatban). Ezek a nehézségek a belső változókkal kiegészített, nemegyensúlyi termodinamikára épülő modellezéssel részben, vagy akár egészben is kikerülhetőek és olyan modellek származtathatóak, amelyek effektív módon ("kiátlagolva") veszik figyelembe az anyagi szerkezet tulajdonságait, de mégsem épít a konkrét szerkezetre. Ez azt jelenti, hogy az így származtatott modellek erős fizikai - termodinamikai háttere mellett univerzálisan (anyagtól függetlenül) alkalmazhatóak, melyeket több ízben teszteltünk több különböző kőzeten, fémhabon, biológiai anyagon, alacsony (10 K) és szoba hőmérsékleten egyaránt.
Az előbb említett tesztelésnek és a későbbi, főként ipari alkalmazásoknak alapfeltétele egy hatékony, stabil, megbízható megoldási módszer. Mivel a kezelt modellek - hővezetés, mechanika, áramlások - alapvetőek a mérnöki tudományok jelentős részében, ezért az alkalmazási lehetőségek száma potenciálisan nagyságrendekkel növekszik egy biztos és jól kezelhető módszer segítségével.
Az eddigi kutatások azt mutatják, hogy a meglévő, 1 dimenziós numerikus módszer felbontástól függően 3-4 nagyságrenddel gyorsabb és ugyanolyan pontos megoldást ad, mint a kereskedelmi végeselemes szoftverek. Ez az előny 3 dimenzióban várhatóan tovább növekszik.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
Egy mai mérnöknek számos olyan fizikai jelenséggel és folyamattal kell foglalkoznia, amely új modelleket, gyorsabb, hatékonyabb, pontosabb eljárásokat követel meg. A kereskedelmi programok bár előre adott feladatokra jól és könnyen alkalmazhatóak, de a modern, újabb és újabb anyagtípusok megjelenésével ez az eszköztár korlátozottan használható.
A kutatás tárgya a mérnökök kezében lévő alapvető módszertan, tervezési eszköztár bővítése a kor kihívásainak megfelelően.
További előny, hogy a kutatásban alkalmazott elméleti fizikai háttér nem korlátozódik egy adott anyagtípusra (például fémhabokra), hanem annál sokkal általánosabb és szélesebb keretet tesz lehetővé: folyadékokra, gázokra, szilárd testekre, azok konkrét eredetétől és szerkezetétől függetlenül alkalmazható. Ezáltal nem egy szűk, specializált mérnöki csoportnak válnak hasznára az itt elért eredmények, hanem széles körben, a gépészettől az építéstudományon keresztül a biomérnöki alkalmazásokig érvényesek maradnak.
| angol összefoglaló Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The research deals with numerical and analytical solutions mainly of heat conduction equations derived from the non-equilibrium thermodynamic framework, and their comparison with experiments. In the article underlying the present application, we have laid the foundations of a numerical method (shifted field concept of discretization) that can be applied to all balance equation-like, partial differential equation systems and promotes definition of boundary conditions consistent with experiments.
This has enabled, for example, the modeling of the so-called ballistic type heat conduction, the wave-like propagation of heat with the speed of sound. But the method is not limited to heat conduction, the goal is to extend the method to mechanical, thermo-mechanical modeling of solid bodies and modeling of gases (both dense and rare). The theoretical background of relevant models has been elaborated, so the equations can be considered as given. It is also well-known that methods based on commercial finite element methods can not be used efficiently, and in some cases they lead to poor solutions. Therefore, the additional aim is to extend the existing 1-dimensional numerical method to 3 dimensions. Therefore, the evaluation of relevant experiments and testing of new numerical approaches can be made efficiently and in a reliable way by searching for analytical solutions.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
One of the fundamental questions of the research is the mathematical management of generalized models (e.g. extended validity range for heterogeneous materials), and the fixing of conditions for finding physically consistent solutions.
For these extended models, the classical understanding of boundary conditions changes, that also affects the solution method and its structure. There are several cases in literature, where erroneous interpretation and definition of boundary conditions yielded physically unacceptable, inconsistent results.
The research focuses primarily on material models other than classical and the experimental aspects of their physical background. Based on our previous research, it is already partially clear that in what circumstances and in what way occurs the behavior at room temperature, that can not be modeled with the Fourier equation. Though its size dependence and transposition into practical applications (such as 3D printing technology) is an important and essential consideration.
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
Methods for modeling heterogeneous materials (e.g. rocks, colloids, or one from biological origin) are extremely divergent. The current general approach seeks to take into account most of the specific features of the material structure (e.g. the statistically expected distribution of the pores or, in biology, the exact location of the vascular system), resulting in complicated and in many cases unsuitable models for practical purposes (for example: the heat conduction model, which requires exact velocity distribution of the whole blood stream at all times). These difficulties can be partially or fully eliminated by modeling based on non-equilibrium thermodynamics, extended with internal variables, and models can be derived that effectively consider the properties of the material structure (by "averaging"), but are not based on the specific structure. This means that the derived models, with strong physical-thermodynamical background, can be used universally (irrespective of material), which has been tested multiple times on several different types of rock, metal foam, biological material, at low (10 K) and room temperature as well.
The prerequisite for the aforementioned testing or industrial applications is an efficient, stable and reliable solution. As the treated models - heat conduction, mechanics, fluid flows - are fundamental in most engineering disciplines, therefore the number of application possibilities increases potentially by magnitudes with a reliable and well-manageable method.
Research has shown that the existing 1-dimensional numeric method is faster by 3-4 orders of magnitude and as accurate as the commercial finite-element software, depending on the resolution. This advantage is expected to continue to grow in 3 dimensions.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
A modern engineer needs to deal with a number of physical phenomena and processes that require new models, faster, more efficient, more accurate procedures. Commercial programs are well-suited and easy-to-use for predefined tasks, but with the appearance of modern, newer and newer types of materials, this toolbar is limited.
The aim of the research is to expand the basic methodology and design tools in the hands of engineers in line with the challenges of the era.
Another advantage is that the theoretical physical background used in the research is not limited to a particular type of material (for example, metal foams), but it allows a much broader and wider frame: liquids, gases, solid bodies, regardless of their specific origin and structure.
Thus, not a narrow, specialized engineering group will benefit from the results achieved here, but it will largely remain valid from mechanical engineering to biomedical applications.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
