Máy bơm lấy cảm hứng từ trái tim giúp tăng hiệu quả sử dụng năng lượng – Thế Giới Vật Lý

Máy bơm lấy cảm hứng từ trái tim giúp tăng hiệu quả sử dụng năng lượng – Thế Giới Vật Lý

Dấu thời gian: Ngày 9 tháng 2023 năm 10 47:XNUMX AM

Björn Hof trong phòng thí nghiệm của mình
Đi theo dòng chảy: Björn Hof trong phòng thí nghiệm của mình. (Được phép: Nadine Poncioni/ISTA)

Các nhà nghiên cứu ở Áo đã phát hiện ra các kiểu bơm mô phỏng nhịp tim con người có thể làm giảm đáng kể sự nhiễu loạn trong chất lỏng được bơm qua đường ống. Thông qua một loạt thí nghiệm đơn giản, Bjorn Hof và các đồng nghiệp tại Viện Khoa học và Công nghệ Áo đã chỉ ra rằng các xung bơm xen kẽ với thời gian nghỉ có thể dẫn đến sự phát triển các kỹ thuật bơm hiệu quả hơn nhiều.

Việc bơm chất lỏng đóng vai trò quan trọng trong công nghiệp, nông nghiệp và cung cấp các tiện ích như nước. Thật vậy, người ta ước tính rằng 10% tổng năng lượng điện tiêu thụ trên toàn cầu được sử dụng để bơm. Vì cường độ năng lượng này, con người đã cố gắng phát triển máy bơm tốt hơn và hiệu quả hơn trong một thời gian rất dài. Tuy nhiên, các chuyên gia vẫn chưa hiểu đầy đủ về cách tối ưu hóa quá trình bơm.

Trong hơn một thế kỷ, các nhà nghiên cứu đã hiểu rằng sự nhiễu loạn trong đường ống sẽ làm tăng ma sát giữa đường ống và chất lỏng, do đó làm giảm hiệu suất bơm. Mặc dù đã có một số tiến bộ trong việc phát triển các phương pháp loại bỏ nhiễu loạn, nhưng vấn đề này không dễ giải quyết.

Khó khăn trong thực tế

Hof giải thích: “Trong thực tế, các phương pháp chúng tôi đã phát triển cho đến nay hóa ra lại không hữu ích lắm”. “Ngay cả khi chúng ta có thể loại bỏ nhiễu loạn ở một phần nào đó của dòng chảy, nhiễu loạn có thể được kích hoạt xa hơn một chút ở hạ lưu do vết lõm, chỗ uốn cong hoặc các điểm không hoàn hảo khác trong đường ống và toàn bộ hiệu ứng sẽ bị mất.”

Thay vì khám phá những thiết kế mới lạ của máy bơm hoặc đường ống, Hof và các đồng nghiệp đã tập trung vào việc kiểm soát vận tốc của chất lỏng đi qua chúng. Hof nói: “Từ công việc chuyển đổi của mình, chúng tôi đã biết rằng một sự thay đổi trong đặc tính vận tốc trung bình theo thời gian có thể rất hiệu quả trong việc triệt tiêu nhiễu loạn”. “Điều này dễ dàng hơn nhiều so với việc phản ứng tức thời với những thay đổi về vận tốc, một phương pháp kiểm soát nhiễu loạn được nhiều nghiên cứu trước đây sử dụng.”

Để kiểm tra ý tưởng của mình, nhóm nghiên cứu đã chế tạo một thiết bị đơn giản trong đó nước được bơm qua một đường ống trong suốt. Một máy bơm ống tiêm tùy chỉnh được sử dụng để kiểm soát cẩn thận tốc độ dòng chảy của nó. Để quan sát các mô hình dòng chảy nổi lên, họ gieo vào nước những hạt phản chiếu. Chiếu một chùm tia laser xuống giữa đường ống cho phép nhóm nghiên cứu chụp được ảnh chất lỏng trong những khoảng thời gian đều đặn.

Tương tự đáng kể

Bằng cách sử dụng thiết lập này, các nhà nghiên cứu đã định lượng mức độ nhiễu loạn do nhiều dạng dòng xung khác nhau gây ra. Họ phát hiện ra rằng kiểu bơm luôn tạo ra ít nhiễu loạn nhất rất giống với kiểu dòng máu do tim con người điều khiển.

Hof giải thích: “Nhìn chung, chúng tôi nhận thấy rằng hiệu suất tốt nhất được tìm thấy ở dạng sóng rất gần với dạng sóng được tìm thấy trong động mạch chủ, nơi mà mức dao động và lực cản lớn sẽ có hại cho lớp tế bào bên trong của nó”.

Trong mạch máu của chúng ta, các xung chạy nhanh được tạo ra bởi sự co bóp thường xuyên của tim được phân tách bằng những khoảng thời gian nghỉ ngơi ngắn, khi đó tim thư giãn để cho phép các buồng của nó chứa đầy máu. Khi họ đưa giai đoạn nghỉ này vào mô hình bơm của mình, nhóm của Hof nhận thấy rằng sự nhiễu loạn trong đường ống gần như bị loại bỏ hoàn toàn đối với tốc độ dòng chảy tương đương với tốc độ trong động mạch chủ. Ngay cả ở tốc độ dòng chảy cao hơn nhiều, lượng lực cản do nhiễu loạn tạo ra đã giảm hơn 25%.

Các nhà nghiên cứu thừa nhận sẽ có nhiều thách thức phải vượt qua trước khi công nghệ lấy cảm hứng từ trái tim có thể được tích hợp vào các ứng dụng bơm thực tế. Hof cho biết: “Hiện tại, các máy bơm hiện tại có thể không phù hợp để đạt được dạng sóng cần thiết và cũng cần có các nghiên cứu sâu hơn để xem liệu mức tăng có duy trì ở tốc độ dòng chảy cao hơn hay không”.

Đội nghiên cứu còn có kế hoạch tìm kiếm các kiểu dòng chảy khác thậm chí có thể làm giảm nhiễu loạn tốt hơn – đặc biệt ở tốc độ dòng chảy cao hơn. Thông qua nghiên cứu sâu hơn, nhóm nghiên cứu hy vọng rằng các kỹ thuật bơm mới có thể được phát triển để cải thiện đáng kể hiệu quả bơm – giảm cả chi phí lẫn tác động môi trường.

Nghiên cứu được mô tả trong Thiên nhiên.

Dấu thời gian:

Thêm từ Thế giới vật lý