پمپ الهام گرفته از قلب راندمان انرژی را افزایش می دهد - دنیای فیزیک

پمپ الهام گرفته از قلب راندمان انرژی را افزایش می دهد - دنیای فیزیک

تمبر زمانی: 9 سپتامبر 2023، 10:47 صبح

بیورن هوف در آزمایشگاهش
حرکت با جریان: بیورن هوف در آزمایشگاهش. (با احترام: Nadine Poncioni/ISTA)

محققان اتریشی کشف کردند که الگوهای پمپاژی که ضربان قلب انسان را تقلید می کنند، می تواند به شدت تلاطم را در مایعی که از طریق لوله ها پمپ می شود، کاهش دهد. از طریق مجموعه ای ساده از آزمایشات، بیورن هوف و همکارانش در مؤسسه علم و فناوری اتریش نشان دادند که چگونه پالس‌های پمپاژ با دوره‌های استراحت می‌تواند منجر به توسعه تکنیک‌های پمپاژ بسیار کارآمدتر شود.

پمپاژ سیالات نقش مهمی در صنعت، کشاورزی و تامین آب و برق دارد. در واقع، تخمین زده می شود که 10٪ از کل انرژی الکتریکی مصرف شده در سطح جهان برای پمپاژ استفاده می شود. به دلیل این شدت انرژی، مردم برای مدت طولانی تلاش کرده اند پمپ های بهتر و کارآمدتری تولید کنند. با این حال، کارشناسان هنوز به طور کامل نمی دانند که چگونه فرآیند پمپاژ را بهینه کنند.

برای بیش از یک قرن، محققان دریافته اند که تلاطم در یک لوله باعث افزایش اصطکاک بین لوله و سیال می شود و در نتیجه راندمان پمپاژ را کاهش می دهد. در حالی که پیشرفت هایی در توسعه روش هایی برای از بین بردن تلاطم صورت گرفته است، اما حل این مشکل آسان نبوده است.

در عمل دشوار است

هوف توضیح می‌دهد: «در عمل، روش‌هایی که تاکنون توسعه داده‌ایم، چندان مفید نبوده‌اند. حتی اگر بتوانیم تلاطم را در بخشی از جریان از بین ببریم، تلاطم می‌تواند کمی پایین‌تر توسط فرورفتگی‌ها، خم‌ها یا سایر نواقص در لوله‌ها ایجاد شود و کل اثر از بین برود.

هوف و همکارانش به جای کاوش در طرح‌های جدید پمپ‌ها یا لوله‌ها، بر کنترل سرعت سیال عبوری از آنها تمرکز کرده‌اند. هوف می‌گوید: «ما از کار انتقال خود می‌دانستیم که تغییر در مشخصات سرعت میانگین زمانی می‌تواند در سرکوب تلاطم بسیار کارآمد باشد. این بسیار ساده‌تر از واکنش آنی به تغییرات سرعت است، یک رویکرد کنترل تلاطم که توسط بسیاری از مطالعات قبلی استفاده شده است.

این تیم برای آزمایش ایده خود یک دستگاه ساده ساخت که در آن آب از طریق یک لوله شفاف پمپ می شود. یک پمپ سرنگ سفارشی برای کنترل دقیق سرعت جریان آن استفاده می شود. برای مشاهده الگوهای جریان ظاهر شده، آنها آب را با ذرات بازتابنده کاشتند. تابش پرتو لیزر به مرکز لوله به تیم این امکان را داد تا در فواصل زمانی معینی از مایع عکس بگیرند.

به طرز قابل توجهی مشابه

با استفاده از این تنظیمات، محققان درجه تلاطم ناشی از انواع الگوهای جریان پالسی را کمیت کردند. آنها دریافتند که الگوی پمپاژ که به طور مداوم کمترین تلاطم را ایجاد می کند، به طرز قابل توجهی شبیه الگوی جریان خونی است که توسط قلب انسان هدایت می شود.

هاف توضیح می دهد: «به طور کلی، ما دریافتیم که بهترین عملکرد برای شکل موجی است که بسیار نزدیک به شکل موج موجود در آئورت است، جایی که نوسانات زیاد و سطوح کشش برای پوشش داخلی سلول‌ها مضر است.

در رگ‌های خونی ما، نبض‌های سریعی که در اثر انقباض منظم قلب ایجاد می‌شوند، با دوره‌های استراحت کوتاهی از هم جدا می‌شوند، جایی که قلب آرام می‌شود تا اتاق‌هایش پر از خون شوند. هنگامی که آنها این مرحله استراحت را در الگوی پمپاژ خود گنجانیدند، تیم هاف دریافتند که تلاطم در لوله برای سرعت جریان قابل مقایسه با سرعت جریان در آئورت تقریباً به طور کامل حذف شده است. حتی در سرعت‌های جریان بسیار بالاتر، مقدار پسا ایجاد شده توسط تلاطم بیش از 25٪ کاهش می‌یابد.

محققان اذعان می کنند که قبل از اینکه فناوری الهام گرفته از قلب بتواند در کاربردهای عملی پمپاژ گنجانده شود، چالش های زیادی وجود دارد که باید بر آنها غلبه کرد. هاف می‌گوید: «در حال حاضر، پمپ‌های فعلی ممکن است برای دستیابی به شکل موج مورد نیاز مناسب نباشند، و همچنین مطالعات بیشتری برای مشاهده اینکه آیا افزایش در سرعت‌های جریان بالاتر ادامه دارد یا خیر، مورد نیاز است.

این تیم همچنین قصد دارد به دنبال الگوهای جریان دیگری باشد که می‌تواند حتی در کاهش تلاطم بهتر باشد - به خصوص در سرعت‌های جریان بالاتر. از طریق تحقیقات بیشتر، این تیم امیدوار است که تکنیک‌های پمپاژ جدیدی توسعه یابد که به طور قابل توجهی کارایی پمپاژ را بهبود بخشد - هزینه و اثرات زیست محیطی آن را کاهش دهد.

تحقیق در شرح داده شده است طبیعت.

تمبر زمان:

بیشتر از دنیای فیزیک