Насос, вдохновленный сердцем, повышает энергоэффективность

Насос, вдохновленный сердцем, повышает энергоэффективность

Отметка времени: 9 сентября 2023 г., 10:47

Бьорн Хоф в своей лаборатории
Плывем по течению: Бьёрн Хоф в своей лаборатории. (Фото любезно предоставлено: Надин Понциони/ISTA)

Исследователи из Австрии обнаружили, что схемы накачки, имитирующие сердцебиение человека, могут значительно снизить турбулентность в жидкости, перекачиваемой по трубам. С помощью простой серии экспериментов Бьорн Хоф и его коллеги из Австрийского института науки и технологий показали, как импульсы сцеживания, чередующиеся с периодами отдыха, могут привести к разработке гораздо более эффективных методов сцеживания.

Перекачивание жидкостей играет решающую роль в промышленности, сельском хозяйстве и обеспечении коммунальных услуг, таких как водоснабжение. Действительно, по оценкам, 10% всей электроэнергии, потребляемой в мире, используется для перекачки. Из-за такой энергоемкости люди уже очень долгое время пытаются разработать более качественные и эффективные насосы. Однако специалисты до сих пор не до конца понимают, как оптимизировать процесс откачки.

Уже более столетия исследователи понимают, что турбулентность в трубе увеличивает трение между трубой и жидкостью, тем самым снижая эффективность перекачки. Несмотря на некоторый прогресс в разработке методов устранения турбулентности, решить эту проблему было непросто.

Трудно на практике

«На практике методы, которые мы разработали до сих пор, оказались не такими уж полезными», — объясняет Хоф. «Даже если мы сможем устранить турбулентность в какой-то части потока, турбулентность может возникнуть немного дальше по течению из-за вмятин, изгибов или других дефектов труб, и весь эффект будет потерян».

Вместо изучения новых конструкций насосов и труб Хоф и его коллеги сосредоточились на контроле скорости жидкости, проходящей через них. «Из нашей работы по переходу мы знали, что изменение усредненного по времени профиля скорости может быть очень эффективным для подавления турбулентности», — говорит Хоф. «Это гораздо проще, чем мгновенно реагировать на изменения скорости — подход к контролю турбулентности, использовавшийся во многих предыдущих исследованиях».

Чтобы проверить свою идею, команда сконструировала простой аппарат, в котором вода прокачивается через прозрачную трубу. Для тщательного контроля скорости потока используется специальный шприцевой насос. Чтобы наблюдать за возникающими структурами потока, они засеяли воду отражающими частицами. Направление лазерного луча на центр трубы позволило команде делать снимки жидкости через регулярные промежутки времени.

Удивительно похожи

Используя эту установку, исследователи количественно оценили степень турбулентности, возникающую в результате различных режимов пульсирующего потока. Они обнаружили, что схема перекачки крови, которая постоянно создает наименьшую турбулентность, удивительно похожа на схему потока крови, движимую человеческим сердцем.

«В целом мы обнаружили, что наилучшие характеристики достигаются при форме волны, очень близкой к той, которая наблюдается в аорте, где большие колебания и уровни сопротивления могут быть вредны для внутренней оболочки клеток», — объясняет Хоф.

В наших кровеносных сосудах быстрые импульсы, генерируемые регулярным сокращением сердца, разделяются короткими периодами отдыха, когда сердце расслабляется, позволяя своим камерам наполниться кровью. Когда они включили эту фазу покоя в свою схему сцеживания, команда Хофа обнаружила, что турбулентность в трубе почти полностью устранена при скоростях потока, сравнимых со скоростями в аорте. Даже при гораздо более высоких скоростях потока величина сопротивления, создаваемого турбулентностью, уменьшалась более чем на 25%.

Исследователи признают, что придется преодолеть множество проблем, прежде чем сердечная технология сможет быть внедрена в практические насосные приложения. «На данный момент текущие насосы могут оказаться непригодными для достижения требуемой формы сигнала, и потребуются дальнейшие исследования, чтобы увидеть, сохранится ли выигрыш при еще более высоких скоростях потока», — говорит Хоф.

Команда также планирует искать другие схемы потока, которые могли бы еще лучше снизить турбулентность, особенно при более высоких скоростях потока. Команда надеется, что благодаря дальнейшим исследованиям можно будет разработать новые методы откачки, которые значительно повысят эффективность откачки, снизив как ее стоимость, так и воздействие на окружающую среду.

Исследование описано в природа.

Отметка времени:

Больше от Мир физики