Doctoral Thesis

Interaction of spray with ambient flow

Final Thesis 5.7 MB Summary of Thesis 541.18 kB

Author of thesis: Ing. Ondřej Cejpek, Ph.D.

Acad. year: 2024/2025

Supervisor: prof. Ing. Jan Jedelský, Ph.D.

Reviewers: prof. Ing. Jan Vimmr, Ph.D., Ing. Darina Liederhausová, Ph.D., Ing.Paed.Igip

Abstract:

Sprays are deployed across industrial sectors, energy production, and agriculture,
influencing everything from chemical processes to combustion efficiency. Atomizers are
typically developed and tested in controlled laboratory conditions that lack external ambient
flow, which significantly impacts the spray characteristics. Understanding the interaction
between sprays and surrounding flows is crucial for designing efficient atomizers for
practical environments. This work deals with pressure-swirl and effervescent atomizers
under cross and counter-flow conditions. Advanced optical measurement techniques such as
high-speed visualisation and Phase Doppler Anemometry are used to analyse droplet/gas
interactions. It was found that atomizers featuring less stable liquid atomization, under no
ambient flow conditions, may be more suitable atomizer for high-speed cross-flow. Relative
velocity between the liquid sheet and the cross-flow significantly affects the breakup length,
which can be accurately predicted by Linear instability analysis under cross-flow. In counterflow arrangements, reducing liquid velocity can decrease gas side pressure loss (ΔP) and
flow maldistribution. Our findings revealed that an overall droplet size distribution must be
included in the ΔP model to provide accurate predictions. Due to flow maldistribution,
entrained droplets can be significantly larger than predicted by the assumption of uniform
velocity. The results of this thesis provide new insights and clarify previously unknown
aspects of spray behaviour under realistic conditions.

Keywords:

Pressure swirl atomizer, effervescent atomizer, impinging effervescent atomizer, ambient
flow, cross and counter-flow, liquid sheet breakup, high-speed visualization, Phase Doppler
Anemometry

Date of defence

09.01.2025

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaPznamka

Process of defence

Student zodpověděl všechny položené dotazy. Prokázal vysokou odbornou úroveň a přínos výzkumný v uvedené oblasti. Řešené téma je aktuální s aplikační perspektivou.

Language of thesis

English

Faculty

Department

Study programme

Power Engineering (D-ENE-P)

Composition of Committee

prof. Ing. Jiří Pospíšil, Ph.D. (předseda)
Ing. Darina Liederhausová, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Jan Vimmr, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Vítězslav Máša, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Marek Mlkvik, Ph.D. (člen)
Ing. Matouš Zaremba, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
prof. Ing. Jan Jedelský, Ph.D.

Pan ing. Ondřej Cejpek mne poprvé kontaktoval v září 2017, již během bakalářského studia, kdy projevil zájem o práci v laboratoři vícefázové mechaniky tekutin. Zapojil jsem jej do výzkumné činnosti v rámci externích i fakultních grantových projektů a výzkumných úkolů realizovaných v rámci hospodářské činnosti ústavu. Při práci prokázal všestrannost, schopnost řešit technické problémy a efektivně spolupracovat s kolegy. Brzy se tak stal nepostradatelnou součástí týmu.

Po přechodu do magisterského studia, pod mým vedením, realizoval i diplomovou práci. Zkušenosti se studentem mne vedly k zadání rozsáhlé a náročné práce zaměřené na návrh a realizaci aerodynamického tunelu pro rozstřikovací trysky. Ta byla současně podpořena výzkumným projektem a vyústila v nejkomplexnější práci, jakou jsem dosud vedl. Zahrnovala etapy od rešerše přes návrh, konstrukci a realizaci až po zprovoznění tunelu, jeho optimalizaci a praktické zkoušky. S ohledem na její zaměření a potenciální význam jsem ji nechal studenta zpracovat v AJ. Student navíc prezentoval dílčí výsledky práce na vědeckých konferencích a byla podána přihláška na patentovou ochranu díla.

Magisterské studium Ondřej ukončil v roce 2020 s červeným diplomem a za svou diplomovou práci získal ocenění průmyslového podniku. Poté u mne zahájil doktorské studium. Zvolil si téma disertační práce zaměřené na problematiku rozprašování kapalin v proudícím prostředí, motivovanou tématikou CCS.

Již jako diplomant zvládl poměrně velký rozsah dovedností, které po nástupu do doktorského studia v roce 2020 dále uplatnil a rozšířil. Prohloubil si znalosti dvoufázové mechaniky tekutin, konkrétně problematiku sprejů a atomizace kapalin, experimentální práce v laboratoři, a zejména si osvojil používání pokročilých optických měřicích metod a metod analýzy dat.

Jeho disertační práce plynule navázala na práci diplomovou, zaměřil se na výzkum interakce spreje s okolním prouděním, který bylo možno realizovat právě s pomocí jím vytvořeného větrného tunelu. Podstatnou část času věnoval experimentální práci v laboratoři, kde prováděl upgrade zkušebního zařízení pro provoz trysek, seřizování a optimalizaci měřicích zařízení a zejména výzkumu sprejů metodami Dopplerovské anemometrie a vysokorychlostní obrazové vizualizace. Věnoval se sestavení a úpravě měřicích tratí zaměřených na vícefázovou mechaniku tekutin. Při práci využíval odpovídající softwarovou podporu, např. programy Matlab a Origin. Podílel se na vývoji několika scriptů pro automatickou obrazovou analýzu proudění a sprejů.

Po celou dobu se na Energetickém ústavu významně podílí na laboratorních pracích a řešení výzkumných projektů. Konkrétně se účastnil projektu INTER-EXCELLENCE, grantovaného MŠMT, v rámci výzvy Inter-Action, aktuálně je členem týmu několika standardních projektů GAČR. V letech 2021-23 byl spoluřešitelem juniorského projektu Interní grantové soutěže KING a v loňském roce získal vlastní projekt mezifakultního specifického výzkumu. Pro rozšíření svých dovedností absolvoval tříměsíční pracovní stáž na University of Brighton (4-6. 2022) v rámci programu Mezinárodní mobilita výzkumných pracovníků VUT II. Pracoval v chemické laboratoři s týmem profesora Sazhina na odpařování kapek a absorpci CO2. Jeho pedagogickou činností jsou kurzy předmětů Termomechanika a Experimentální metody.

Doktorand prokázal schopnost kvalitní publikační činnosti jako autor resp. spoluautor řady článků v časopisech indexovaných v databázích Scopus a Web of Science. Patří mezi nejaktivněji publikující doktorandy VUT. V rámci studia se aktivně účastnil několika národních a mezinárodních vědeckých konferencí, je spoluautorem národního patentu založeného na jeho diplomové práci. Jako jeden z dokladů ocenění jeho přínosu v rámci výzkumu technologií CCS lze uvést Druhé místo ve vědecké soutěži Francouzského institutu v Praze v kategorii Make Our Planet Great Again (MOPGA) v roce 2024.

Téma doktorského studia, kterému se věnuje v ČR v tomto rozsahu jen naše pracoviště, bylo náročné z pohledu komplexnosti vlastní problematiky dvoufázového proudění i rozsahu prováděných činností. Systematická práce umožnila studentovi získat nové a původní výsledky, které poskytují vědecký přínos v řešeném tématu. Za nepodstatnější výstupy disertační práce považuji soubor nových experimentálních výsledků k interakci spreje s okolním prouděním. Dále jsou to výsledky zaměřené na aplikaci trysek ve sprejové koloně s absorpčními testy, a návrh nového konceptu kombinované trysky.

S ing. Cejpkem mám možnost pracovat již sedm let a za tuto dobu se stal nepostradatelnou součástí týmu. Doktorand se mnou práci intenzivně konzultoval a řídil se mými připomínkami. Prokazoval velmi dobré schopnosti pro samostatnou tvůrčí činnost, i schopnost řešit specifické problémy, které se během studia vyskytly. Efektivně pracoval zejména se zahraniční literaturou a aplikoval takto získané poznatky. Podstatným kladem studenta je systematická a zodpovědná práce při prováděných experimentech i přípravě vědeckých publikací. Celkově hodnotím ing. Cejpka jako všestranně nadaného a motivovaného studenta, se širokým přehledem a schopností řešit náročné úkoly.

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
prof. Ing. Jan Vimmr, Ph.D.

viz. posudek v PDF
File inserted by the reviewer Size
Posudek oponenta [.pdf] 309,39 kB

Reviewer’s report
Ing. Darina Liederhausová, Ph.D., Ing.Paed.Igip

viz. posudek v PDF
File inserted by the reviewer Size
Posudek oponenta [.pdf] 193,71 kB

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová