Ing. Václav Vinš, Ph.D. (externí spolupracovník)

Pro vylepšený návrh řady technických aplikací od tepelných čerpadel a klimatizací, energetických okruhů, zpracování zemního plynu až po nové technologie pro zachytávání, ukládání a využití CO₂ (CCS/U) je potřeba co možná nejpřesněji znát stavové chování tekutin za různých teplot, tlaků a v případě směsí i za různých složení. Tým Laboratoře termofyzikálních vlastností na Ústavu termomechaniky AV ČR se dlouhodobě věnuje jak experimentálnímu tak teoretickému výzkumu vlastností technicky zajímavých tekutin.

Předmětem studentské práce je vývoj nelineárních algoritmů pro korelaci látkových parametrů stavové rovnice PC-SAFT [1], která poskytuje dobrý popis termofyzikálních vlastností a fázových rovnováh kapalina-pára širokého spektra látek [2-4]. Cílem je ověřit různé přístupy, tak aby byly nalezeny optimální parametry korelované na dostupná experimentální data. V následném kroku lze pak implementovat model pro Helmholtzovu energii ideálního plynu, tak aby bylo možné modelovat i kalorické vlastnosti, např. tepelnou kapacitu při konstantním tlaku.

Součástí práce je seznámení s fyzikálními základy řešené problematiky, se kterým napomohou pracovníci Laboratoře [5]. Vlastní kód stavové rovnice PC-SAFT spolu se vstupními experimentálními daty jsou rovněž k dispozici. Výsledky studentské práce budou využity členy výzkumného týmu při modelování termofyzikálních vlastností tekutin. Zájemce o téma tak bude moci uplatnit své programátorské dovednosti ve vědeckém výzkumu.

• [1] J. Gross and G. Sadowski: Perturbed-chain SAFT: An equation of state based on a perturbation theory for chained molecules, Industrial & Engineering Chemistry Research 40 (2001) 1244-1260.
• [2] V. Vinš, J. Hrubý: Solubility of nitrogen in one-component refrigerants: Prediction by PC-SAFT EoS and a correlation of Henry’s law constants, International Journal of Refrigeration 34 (2011) 2109-2117.
• [3] V. Vinš, J. Hrubý, B. Planková: Surface tension of binary mixtures including polar components modeled by the density gradient theory combined with the PC-SAFT equation of state, International Journal of Thermophysics 34 (2013) 792-812.
• [4] V. Vinš , A. Aminian, D. Celný, M. Součková, J. Klomfar, M. Čenský, O. Prokopová: Surface tension and density of dielectric heat transfer fluids of HFE type-experimental data at 0.1 MPa and modeling with PC-SAFT equation of state and density gradient theory, International Journal of Refrigeration 131 (2021) 956-969.
• [5] Laboratoř termofyzikálních vlastností

Tým Laboratoře termofyzikálních vlastností [1] z Ústavu termomechaniky AV ČR se dlouhodobě věnuje výzkumu vlastností technicky zajímavých tekutin s aplikačním potenciálem např. pro chlazení elektroniky, klimatizace a tepelná čerpadla či jako technická rozpouštědla a čistidla. Pro efektivní a spolehlivý návrh technických řešení je nutné dobře znát vlastnosti tekutin jako je viskozita, vztah hustota-tlak-teplota či povrchové napětí. Náš tým se aktuálně zabývá jednak popisem vlastností elektricky nevodivých hydrofluoroetherů (HFE) [2,3], které lze využít např. pro ponorné chlazení CPU [4], a dále vodných směsí se solemi [5].

Tématem studentské práce je vývoj výpočetních algoritmů pro analýzu experimentálních dat získaných týmem laboratoře a implementace modelů termofyzikálních vlastností pro ověření a porovnání nových výsledků. Tým laboratoře disponuje řadou kódů pro modelování vlastností tekutin, které jsou postupně vylepšovány a rozšiřovány o nové látky včetně jejich směsí. Dalším cílem je vývoj vlastních prediktivních modelů (například za pomoci gradientní teorie [6]) a polo-empirických korelací vhodných jak pro technický návrh tak pro výzkum [2]. Tým laboratoře má nad tímto tématem širší spolupráci s Technickou univerzitou v Drážďanech, VŠCHT v Praze či UJEP v Ústí nad Labem.

Součástí práce je seznámení s fyzikálními základy řešené problematiky, se kterým napomohou pracovníci laboratoře. Výsledky práce budou přímo využity v souvisejícím experimentálním výzkumu. Zájemce o téma tedy získá nejen základní fyzikální povědomí o vybraných termofyzikálních vlastnostech tekutin, ale bude moci uplatnit své modelářské a programátorské dovednosti ve vědecké práci.

• [1] Laboratoř termofyzikálních vlastností ÚT AV ČR
• [2] Vinš, V., Aminian, A., Celný, D., Součková, M., Klomfar, J., Čenský, M., & Prokopová, O. (2021). Surface tension and density of dielectric heat transfer fluids of HFE type-experimental data at 0.1 MPa and modeling with PC-SAFT equation of state and density gradient theory. International Journal of Refrigeration, 131, 956-969.
• [3] Aminian, A., Celný, D., Mickoleit, E., Jäger, A., & Vinš, V. (2022). Ideal Gas Heat Capacity and Critical Properties of HFE-Type Engineering Fluids: Ab Initio Predictions of C_p^ig, Modeling of Phase Behavior and Thermodynamic Properties Using Peng–Robinson and Volume-Translated Peng–Robinson Equations of State. International Journal of Thermophysics, 43(6), 87.
• [4] Odkaz na populárně naučný článek o ponorném chlazení zde
• [5] Vinš , V., Hykl, J., Hrubý, J. (2019) Surface tension of seawater at low temperatures including supercooled region down to – 25 °C. Marine Chemistry 213, 13.
• [6] Odkaz na Bakalářskou práci používající Cahn-Hilliard gradientní teorii: dostupnou zde

Moderní inženýrské aplikace se dnes neobejdou bez přesného popisu termofyzikálních vlastností látek. Ať už se jedná o chladničku, elektrárnu nebo předpověď počasí, znalost termofyzikálních vlastností kapalin a plynů je klíčová pro správnou funkčnost daného modelu. Chování vlastností tekutin je možné popsat pomocí stavových rovnic (equation of state – EoS) [1]. V případě směsí látek pak vhodnou kombinací stavových rovnic. A právě v této oblasti je zapotřebí zpřesnit a rozšířit schopnosti stávajících stavových rovnic.

Tato práce se zaměřuje na využití nástrojů molekulárních simulací pro popis chování tekutin v experimentálně těžko dosažitelné, tzv. termodynamicky metastabilní oblasti. Při těchto podmínkách se v daném systému začínají v řádu microsekund utvářet shluky nové fáze (např. kapky v plynu). Díky molekulárním simulacím a algoritmům pro detekci těchto shluků (tzv. clusterů) jsme pak schopni chování látek v metastabilní oblasti blíže zkoumat [2,3].

Nabízené téma rozšíří již existující metodu [4] o modelování jednoduchých plynů (např. argon, kyslík, dusík). Tento výzkum zapadá do širší spolupráce Laboratoře termofyzikálních vlastností [5] na Ústavu termomechaniky AV ČR s Ruhr Universität Bochum a Technische Universität Berlin.

Součástí práce je seznámení s fyzikálními základy řešené problematiky, a především porozumění molekulárním simulacím, které mají široké uplatnění nejen v termodynamice ale i v biologii a materiálových vědách. Zájemce o téma tedy nejen získá základní fyzikální povědomí, ale bude moci uplatnit své programátorské a analytické dovednosti ve vědeckém výzkumu.

• [1] Odkaz na naučný text o stavové rovnici
• [2] Poster z konference JETC 2021; doi: 10.13140/RG.2.2.13271.07843
• [3] Celný, David. Development of Paralell Algorithms for Molecular Dynamics Simulation of Heterogeneous Atomistic Systems. Praha, 2023, 176. Disertační práce. České Vysoké Učení Technické, Fakulta Jadern a Fyzikálně Inženýrská. Prof. RNDr. Jiří Kolafa, CSc. K dispozici v knihovně fakulty
• [4] Fingerhut R., Guevara-Carrion G., Nitzke I., Saric D., Marx J., Langenbach K., Prokopev S. et al. \"ms2: A molecular simulation tool for thermodynamic properties, release 4.0.\" Computer Physics Communications 262 (2021): 107860. doi: 10.1016/j.cpc.2021.107860
• [5] Laboratoř termofyzikálních vlastností