Budapest University of Technology and EconomicsFaculty of Civil Engineering - Since 1782

A szokásos euleri mérnöki gyakorlatban a folyadékok áramlási jellemzőinek hely és idő szerinti változását vizsgáljuk. Ezzel szemben a lagrange-i folyadékdinamikában az áramlást mint az áramló anyag helyváltozását tekintjük. Ez utóbbi megközelítésben a vizsgálatok tárgya az anyag – maga a hordozóközeg, illetve az általa szállított egyéb anyag — transzportja; az áramló anyag (fizikai, vegyi, biológiai stb.) tulajdonságai és az áramlástechnikai szempontból legfontosabb fizikai mennyiségek, mint az impulzus, hő- és mechanikai energia, örvényesség, folyadékáramláshoz kötött transzportja.

A lagrange-i folyadékdinamika alkalmazási területei tipikusan interdiszciplináris jellegűek. Ilyenek például:

    1) a passzív sodródás (pl. reagensek és reakciótermékek vegyipari reaktorokban, szennyvízkezelő medencékben);

    2) szennyeződések terjedése a természetes vizekben és a légkörben;

    3) a természetes vizekben lezajló tápanyagtranszport és az élőhelyek ehhez kapcsolható dinamikája;

    4) vízbeesett ember, sodródó hajó- vagy repülőgéproncs lokalizálása;

    5) aktív sodródás pl. többfázisú áramlásokban, vagy biokonvekció esetén;

    6) a természetes vizekben lezajló hordaléktranszport, ennek meder-morfodinamikai következményei.

A folyadékdinamika kutatási módszerei három fő csoportba sorolhatók: mérések, úgymint laboratóriumi kísérletek és terepi mérések; elméleti számítások, matematikai modellezés; numerikus modellezés (Computational Fluid Dynamics — CFD). Az euleri folyadékdinamika előrehaladott fejlődése miatt abban új tudományos eredmény eléréséhez jellegzetesen legalább két kutatási módszer kombinációja szükséges. A lagrange-i folyadékdinamikában viszont viszonylagos új volta miatt kisebb apparátussal is el lehet érni érdemi haladást.

Tanszékünkön elsősorban az ún. részecske-nyomkövető sebességmező-méréssel (Particle Tracking Velocimetry — PTV) szereztünk mind laboratóriumi, mind terepi (folyami) kísérleti tapasztalatokat. Numerikus folyadékdinamikai modellezést pedig az ún. simított részecskehidrodinamikai (Smoothed Particle Hydrodynamics — SPH) részecskealapú eljárással végeztünk jelentős számban. Az elméleti eredményeink között a gerjesztett sekélyvízi áramlás több matematikai modelljét említhetjük, mint a lagrange-i folyadékdinamikához köthető most is folyó kutatást.

Jelen témakiírásban az alábbi nyitott problémák egyikének kutatására várok jelentkezőt:

    • A felszíni áramlás és a mélyáramlás közötti kapcsolat: az összetartozó síkbeli és térbeli áramlási struktúrák vizsgálata.

    • Ehhez kapcsolódóan a szabad felszíni gázcsere és az áramlási struktúrák kapcsolata.

    • Az SPH továbbfejlesztése a minél egyszerűbb gyakorlati mérnöki alkalmazhatóság irányában.

    • Az SPH gazdagítása további áramlási jellemzők és dinamikai mennyiségek transzportjának modellezésére.

    • A folyami és tavi diszperzió lagrange-i modellezése a prímér és a szekundér áramlások, illetve a hullámmozgás kölcsönhatásának együttes figyelembevételével.

    • Térbeli PTV-algoritmusok fejlesztése és valós idejű kiértékelése térbeli gépi látás és FPGA (Field Programmable Gate Array) technológia segítségével.

    • Lagrange-i koherens struktúrák vizsgálata.

    • A folyadékdinamikai kontinuum-hipotézis érvényességi határainak vizsgálata.

A kutatási téma részletesebb meghatározásánál szempont a fent számozott műszaki területeken való gyakorlati alkalmazhatóság lehetősége. A jelentkező rendelkezzen már meglévő háttérismertekkel az adott területen vagy a gyakorlattal a problémánál alkalmazandó módszer(ek) használatával.

 

******************

 

The usual engineering approach of fluid systems is to find the variation of flow properties in space and time. The Lagrangian fluid dynamics, in contrast, considers the flow as the motion of the streaming matter in space. In the latter approach the objects of study are the transport of the material — the carrier fluid itself and the possible conveyed material; the (physical, chemical, biological etc.) properties of the advected/flowing material; the advection/flow related transport of the most important fluid engineering properties like linear momentum, thermal and mechanical energy, vorticity.

The major fields of application of Lagrangian fluid dynamics are typically interdisciplinary in nature; these include, for example,

    1) passive advection (e.g. reactants and reaction products in industrial chemical reactors or sewage treatment basins);

    2) pollution propagation in natural waters and in the atmosphere;

    3) nutrient transport in natural waters and the related dynamics of biotopes;

    4) localization of a man overboard, drifting ship or airplane wreckage;

    5) active advection e.g. in multiphase flows, or in case of bioconvection;

    6) sediment transport in natural waters and its consequences in bed-morphodynamics.

The research methods of fluid dynamics can be classified into three major groups: measurements (including both laboratory and field experiments); theoretical research with the related mathematical analyses; numerical modelling (Computational Fluid Dynamics — CFD). In Eulerian fluid dynamics — due to its developed stage — the achievement of new scientific results requires the combination of at least two of the above mentioned methods. However, in Lagrangian fluid dynamics — due to its relative novelty — significant progress can be achieved even with smaller effort. In our Department we have gained experience both in field (fluival) and laboratory experiments using the so called Particle Tracking Velocimetry (PTV) method. We have also developed numerous computational fluid dynamical models with the Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) method. Among our theoretical results we can mention several mathematical models of externally driven shallow water flow as ongoing research related to Lagrangian fluid dynamics.

In this announcement I invite one applicant for the research of one of the following open problems:

    • The relationship between the surface and underwater flow, study of the corresponding planar and spatial flow patterns.

    • In connection to the previous problem, the relationship between the surface gas exchange and the flow patterns.

    • The further development of SPH towards the direction of easier engineering applicability.

    • The further enrichment of SPH modelling by the inclusion of the transport of further flow properties and dynamical quantities.

    • The Lagrangian modelling of dispersion in rivers and lakes with the joint consideration of the primary and secondary flows and wave motion.

    • Development of 3D PTV algorithms and real time evaluation using 3D machine vision and Field Programmable Gate Array (FPGA) technology.

    • The study of Lagrangian coherent structures.

    • The study of the range of validity of the fluid dynamical continuum hypothesis.

In the more detailed specification of the chosen problem the practical applicability in the technical fields numbered above should be considered. The applicant shall demonstrate either background knowledge in the problem at hand or experience in the usage of the methods to be applied.