Aerodinaminis pasipriešinimas uždaros konstrukcijos biofiltre UAV aplinkoje: kontekstas, tyrimai ir taikymas
Komercinių dronų rinka sparčiai auga. Nesvarbu, ar kuriate didelės keliamosios galios logistikos UAV, pasėlių stebėjimo multispektrines platformas, ar taktines gynybos priemones, viena kliūtis išlieka: skrydžio efektyvumas ir nenuspėjamos oro sąlygos. Būtent čia fizinis modeliavimas tampa kritiškai svarbus.
1. Kodėl virtualių simuliacijų ir bandymų lauke nepakanka
Skirtingai nei komercinė aviacija, kuri kliaujasi stabiliais skrydžių koridoriais, UAV veikia atmosferos ribiniame sluoksnyje. Dinaminis srauto greičio valdymas leidžia adaptuoti skrydžio parametrus pagal vietos sąlygas, tačiau standartinis vėjo tunelis dronams dažnai neatitinka tikrojo pasaulio srautų dinamikos. Statiniai vėjo profiliai neatspindi realaus pasaulio sąlygų, o variklių ir baterijų šiluminė diagnostika darbe uždaroje bandymo sekcijoje išskiria daug šilumos, kas veikia įkrovos efektyvumą ir patikimumą. Todėl integruoti HIL (Hardware-in-the-Loop) sprendimai, kai realaus drono skrydžio kompiuterio paleidimas atliekamas oro sraute, tampa būtini norint pasiekti tikslų modeliavimą ir patikimumą skrydžio sąlygose.
2. Pagrindinės specializuotų UAV tunelių specifikacijos
Standartinis vėjo tunelis, sukurtas sumažintiems automobilių modeliams ar bendriems edukaciniams eksperimentams, dronams netiks. Reikia dinaminio srauto greičio kontrolės, kad būtų atsižvelgiama į realias skrydžio sąlygas. Be to, biofiltrų tyrimams svarbu suprasti aerodinaminio pasipriešinimo pokyčius, kurie tiesiogiai veikia įkrovos veikimą ir drėkinimo efektyvumą. Atsižvelgiant į šias aplinkybes, tyrimų tikslas - sukurti biofiltrų su plokštelinėmis įkrovomis koncepciją, kurioje aerodinaminis pasipriešinimas būtų sumažintas, o efektyvus oro valymas užtikrinamas turint tikslų drėkinimo kapiliarinį mechanizmą.
3. Žaliojo oro valymo biofiltrų kontekstas
Pastaraisiais metais Lietuvoje, kaip ir daugelyje pasaulio šalių, viena didžiausių aplinkosaugos problemų yra gyvenamosios ir darbo aplinkos tarša. Viena iš pagrindinių klimato kaitos priežasčių yra oro tarša lakiaisiais organiniais junginiais (LOJ). LOJ turi neigiamą poveikį žmogaus sveikatai, biologinei įvairovei ir klimatui. Oro valymo biofiltrai skirti iš oro valyti dujinius teršalus pasižymi aukštu efektyvumu, nėra išmetamų kenksmingų produktų ir yra pigūs bei paprasti eksploatuoti. Tačiau jų trūkumai - didelis aerodinaminis pasipriešinimas, sudėtingas drėgmės ir darbinės temperatūros palaikymas įkrovoje, galimas bioįkrovos užsikimšimas mikroorganizmų biomase arba biomasės išplovimas iš įkrovos, biofiltrai užima daug vietos ir reikalauja daug energijos drėkinimui.
Dažniausiai bioįkrovos formuoja durpes, dirvožemis, kompostas ar jų mišiniai. Pavyzdžiui, durpes naudojant iš oro valyti sieros vandenilį pasiektas 97-99 % biofiltro valymo efektyvumas. Tačiau galima naudoti ir tokias įkrovas kaip celiuliozės granulės ar kokoso drožlės, tačiau jos atrodo trumpalaikės - 3-5 metus, po kurių reikia keisti. 2013 m. pradėti eksperimentiniai tyrimai pagal programos VP1-3.1-ŠMM-10-V projektą „BIOFILTER“ tikslas - sukurti aukšto tarptautinio lygio mokslinį pagrindą plokštelinės konstrukcijos oro valymo biofiltrui su kapiliarine įkrovos drėkinimo sistema.
Biotechnologijų ir įkrovos konfigūracijų kertiniai aspektai
Konstrukcija ypatinga tuo, kad įkrovą sudaro vertikaliai greta išdėstytos polimerinės plokštelės, sudarančios kapiliarinį drėkinimo efektą. Viena šalia kitos išdėstytos plokštelės turi tarpus nuo 2 iki 5,0 mm, todėl plokštelinė įkrova sumažina aerodinaminį pasipriešinimą. Iš abiejų plokštelių pusių pritvirtintos silpnai presuotos plokštės sudarytos iš termiškai apdoroto medienos plaušo, kamšytinės neaustinės medžiagos bei aktivuotos anglies. Medienos plaušo ilgaamžiškumas užtikrinamas garo sprogimo reaktoriuje (32 bar slėgis, 235°C temperatūra). Mikroorganizmų geba absorbuoti ir suskaidyti dujinius teršalus, jie pasižymi fermentiniu aktyvumu skaidant specifinius teršalus, todėl jų veiklai būtina tirti bioįkrovos fizines ir aerodinamines savybes bei aplinkos veiksnių įtaką.
Tyrimų tikslas - optimizuoti temperatūrą ir kitus aktyvius mikroorganizmų veiklai būtinius rodiklius bei sukurti naujus žinių srautus apie bioįkrovos aerodinaminę elgseną. Naujasis įrenginys skirtas iš oro valyti lakiuosius organinės kilmės junginius, tokius kaip acetonas, ksilenas, toluenas, butanolis, stirenas, butilacetatas ir kt. Potencialiai biofiltrą galima naudoti chemijos, maisto, baldų gamybos, nuotekų valymo, atliekų tvarkymo, medžio ir naftos apdirbimo įmonėse, spaustuvėse ir kitose pramonės šakose, kur išsiskiria LOJ.
Kiekvienam moksliniam tyrimui parengtos atskiros metodikos, įtrauktos į programos planus: 8 tyrimų metodikos oro valymo biofiltrų konstrukcijų ir įkrovų tyrimams. Atliekami fiziniai, aerodinaminiai, valymo efektyvumo ir mikrobiologiniai tyrimai su introdukuotais mikroorganizmais. Parengta ir rengiamas mokslinių straipsnių rinkinys apie įkrovų fizines savybes, aerodinaminę įtaką oro valymo efektyvumui ir kvapų nustatymą bei mikrobiologinius tyrimus.
Eksperimentiniai įrodymai ir praktiniai įverčiai
Didelę įtaką biofiltro efektyvumui turi pagrindinis elementas - įkrova - jos aerodinaminės bei fizinės savybės. Todėl tyrimuose nustatomos įkrovos aerodinaminio pasipriešinimo priklausomybės nuo plokštelių paviršiaus formos ir tiesiogiai nuo per biofiltrą leidžiamo oro srauto greičio. 2011 m. Zagorskis ir Spiečiūtė atliko eksperimentinę analizę su keturių sekcijų lašelinio biofiltrų modeliu, kuriuose įkrova buvo dirbtinės kilmės ir sudaryta iš plastikinių rutuliukų su dideliu paviršiaus plotu. Aptartos aerodinaminio pasipriešinimo priklausomybės nuo oro srauto greičio ir sekcijų skaičiaus, taip pat įkrovos drėkinimo būdo įtaka.
Pažymėta, kad biofiltras, kai įkrova buvo sausa, turėjo skirtingą pasipriešinimą nei kai įkrova buvo sudrėkinta. Pagrindinis rezultatas - aerodinaminis pasipriešinimas augo iš 30.5 Pa iki 62.5 Pa kylant oro srauto greičiui nuo 0.043 m/s iki 0.076 m/s, kai buvo apklausta keturios plokščių sluoksnių serija. Šie duomenys suteikė realų pagrindą optimizuoti plokštelių dizainą ir sujungti su kapiliariniu drėkinimo sistema, siekiant mažinti pasipriešinimą kartu su išvalymo efektyvumu.
Ši išvesta koncepcija įtraukiama į projektą „BIOFILTER“ ir skirta plokštelinės konstrukcijos biofiltrui, kuris gali būti pritaikytas tolimesnei technologinei plėtrai - žemės ūkio, nuotekų dumblo apdorojimo ir kitose pramonės įmonėse, siekiant sumažinti dujinių teršalų emisijas į aplinką. Taip pat tikimasi, kad šis inovatyvus biofiltras bus naudingas mokslo ir verslo įmonių technologinei plėtrai, skatins mokslininkų mobilumą ir tarptautinį bendradarbiavimą.
Technologinė vizija ir praktinis pritaikymas UAV kontekste
Išplėtus aerodinaminio pasipriešinimo supratimą ir įkrovos dinamikos valdymą, galima sukurti biofiltrą, kuris tinkamai veiktų uždarose skrydžio testavimo kamerose ar specialiai sukurtoje įrangoje HIL koncepcijų metu. Tai leis kurti tikslesnius oro kokybės scenarijus, tyrinėti LOJ emisijų šaltinius ir vertinti biofiltrų našumą realiomis sąlygomis, o kartu - didinti UAV komponentų patikimumą ir skrydžio saugumą bet kokiomis oro sąlygomis. Cablingas tarp aerodinaminių tyrimų su biofiltru ir HIL integracijos gali suteikti unikalų įrankį, padedantį optimizuoti skrydžio efektyvumą ir sumažinti energijos sąnaudas.
Naujojo įrenginio ir laikinosios eksperimentinės bazės pritaikymas
Naujojo plokštelinės konstrukcijos biofiltras gali būti įdiegtas bandymų stotose, kuriose atliekami uždaroje erdvėje besiplečiantys testai ir sukurta tikslinė oro srauto dinamika. Tai suteiks galimybę įvertinti biofiltrado našumą ir oro kokybės rodiklius realiuose UAV testavimo scenarijuose, skatindama greičiau pristatyti naujas technologijas į rinką.
Illustrates aerodynamic filtering concept and capillary wetting arrangement for compact, low-resistance filters.
Video exploring capillary-wetted plate biofilter concept and UAV test integration.
Практичny prijungimai prie UAV skrydžių programų
Siekiant maksimaliai išnaudoti biofiltrų galimybes, būtina integruoti su inžineriniais UAV projektais: HIL skrydžių simuliacija leistų patikrinti oro srauto valdymo algoritmus, o plokštelinė įkrova su kapiliariniu drėkinimu sumažintų aerodinaminį pasipriešinimą, taip pat mažintų energijos suvartojimą. Toks derinys padėtų užtikrinti tvarius, saugius ir ekonomiškai efektyvius dronų darbus, ypač ten, kur svarbi oro kokybė ir biologiškai aktyvių medžiagų surinkimas ar išvalymas.“
Ekonominės ir aplinkos augimo perspektyvos
Projekto rezultatų pritaikymas sustiprins mokslininkų ir verslo įmonių gebėjimus bei mobilumą. Sukurtas plokštelinės konstrukcijos biofiltras pasižymės naujoviška įkrovos drėkinimo sistema, paremta kapiliariniu efektu, o tai leis sumažinti įrenginio eksploatacines sąnaudas ir sumažinti drėkinimo poreikį. Dėl to galima tikėtis platesnio pritaikymo tiek pramonėje, tiek žemės ūkyje, tiek nuotekų valymo įrenginiuose, skatinant technologinę plėtrą ir mažinant energijos suvartojimą.
Nuo 2013 metų projektai ir tyrimai teikia svarbius rezultatų rinkinį, įskaitant tarptautinę konferencinę veiklą Austrijoje, Prancūzijoje ir Italijoje, kuri stiprina žinias apie biofiltrų aerodinaminį pasipriešinimą ir jų įtaką įkrovos efektyvumui.
- Biofiltrės plokštelinės konstrukcijos aero dinamikos tyrimai ir optimizavimas.
- Kapiliarinio drėkinimo sistemos diegimas į įkrovą mažinant vandens sąnaudas.
- HIL ir UAV skrydžio simuliacijų integravimas siekiant patikimo testavimo.
- Pramoninių diegimų įvertinimas atsižvelgiant į LOJ emisijas ir oro valymo efektyvumą.
Taigi, integruojant aerodinaminį pasipriešinimą ir biofiltrų technologinį tobulinimą su UAV programomis, galima pasiekti ženklų skrydžio efektyvumo augimą, sumažinti energijos sąnaudas ir pagerinti oro kokybę veiklos vietose, kur tarša ir LOJ kelia riziką aplinkai bei žmonėms.
tags: #aerodinaminis #pasipriesinimas #uzdaros #konstrukcijos #biofiltre
