Search

Disertační práce je zaměřena na návrh nového zařízení pro aeraci vodních ploch s nízkou hloubkou vodní masy. Aerace se řadí mezi ekologické preventivní metody pro omezení růstu sinic. Zvýšení rozpuštěného kyslíku ve vodní mase má za následek podporu růstu organismů, které jsou znevýhodněné nemožností pohybu ve vodní mase, a tím i k podpoře biodiverzity. Nastolená biodiverzita má pozitivní vliv na kvalitu vody, kdy nedochází k přemnožení jednoho druhu organismu, zvláště pak sinic. Navržené aerační zařízení využívá k transportu kyslíku do vody membránu tvořenou dutými vlákny. Při aeraci dochází k rozpouštění vzduchu přímo na povrchu membrány a nedochází tak k úniku vzduchu ve formě bublin. Tento způsob aerace má nízké provozní náklady a vysokou účinnost vnosu kyslíku do vody. Distribuce ve vodním díle je zajištěna speciální loďkou. Tato loďka se pohybuje po vodní hladině a na své svrchní palubě má umístěnou technologii. Aerace se provádí skrz aerační modul umístěný ve vodě. Pohyb loďky je řešen částečně autonomním řízením., This doctoral thesis is focused on design of new equipment for aeration of water surface with low depth of water column. Aeration is one of ecological preventive methods to prevent growth of cyanobacteria. Increase of dissolved oxygen content in water mass leads to support of the growth of organisms which are disadvantaged by impossibility of movement in water mass and thus also to support biodiversity. Given biodiversity has a positive effect on water quality because it avoids the outbreak of one species of aquatic organism, in particular of cyanobacteria. Designed aeration equipment uses membrane formed by hollow fibre to transport oxygen into the water. When aeration dissolution of oxygen occurs directly on the membrane surface which prevents air leak in the form of bubbles. This type of aeration has low operating costs and high efficiency of input of the oxygen into the water. Distribution in the aquatic environment is ensured by special boat. This boat is moving on the water surface and the technology is installed on the upper deck. The aeration is carried out by an aeration module situated in the water. The movement of the boat is partially ensured by autonomous control.

Dizertační práce se zabývá problematikou bezventilových objemových čerpadel s vratným pohybem akčního členu. V práci je předvedeno několik návrhů geometrie čerpadla, jejichž parametry byly určeny pomocí výpočtového modelování proudění. Simulace vratného pohybu pístu byla řešena buď pomocí časově závislé vstupní okrajové podmínky, nebo pomocí dynamických sítí. Jednotlivé varianty byly porovnávány zejména z pohledu objemové účinnosti, která byla hlavním vyhodnocovaným parametrem. Výstupy z výpočtů jsou závislosti objemové účinnosti na frekvenci a amplitudě pohybu pístu, a také na velikosti protitlaku. V rámci práce byly vytvořeny dvě varianty geometrie prototypu čerpadla, na kterých byly experimentálně ověřeny parametry získané z výpočtového modelování. Kromě objemové účinnosti byla z naměřených dat stanovena také hydraulická účinnost., This thesis deals with valveless reciprocating pumps. Within the thesis several designs of pump geometry are demonstrated. Their parameters were obtained using computational fluid dynamics. Reciprocating piston movement was simulated by time dependent inlet boundary condition or by dynamic mesh. The individual variants were compared mainly from point of view of volumetric efficiency, which was the main evaluated parameter. Results of calculations are presented as dependencies of volumetric efficiency on frequency and amplitude of piston motion and on value of backpressure. Two variants of the prototype pump geometry were manufactured to experimentally validate parameters obtained from calculations. Volumetric efficiency together with hydraulic efficiency were evaluated from measured data.

Tato disertační práce se zabývá experimentálním a numerickým výzkumem kavitace vyvolané rotací. Pro potřeby tohoto výzkumu byla využita transparentní osově symetrická Venturiho dýza, díky čemuž bylo možné zkoumat dynamiku kavitujícího proudění pomocí analýzy vysokorychlostních nahrávek., This doctoral thesis deals with experimental and numerical research of cavitation induced by rotation of liquid. The transparent axisymmetric Venturi tube was exploited for this purpose. Thus, it was possible to investigate dynamics of cavitating flow using the captured high-speed records.

V práci je popsán způsob řešení nestacionárního proudění v hydraulických systémech, které mají dominantní jednu složku rychlosti. Tyto systémy mohou být libovolně strukturované a nejsou omezeny počtem prvků. Samotný výpočet probíhá metodou Lax-Wendroff a umožňuje uvažovat proměnnou rychlost zvuku v závislosti na změnách statického tlaku i na vlastnostech potrubí, takže řešená hydraulická soustava může být velmi různorodá. Dále je v práci podrobně popsána samotná numerická metoda a její citlivost na velikost časového a délkového kroku, nikoliv z pohledu stability, ale z pohledu numerického útlumu a jeho porovnání s druhou viskozitou kapaliny. Na uvedených numerických postupech byl sestaven počítačový software s pracovním názvem Ráz, který umožňuje v poměrně krátkém čase namodelovat libovolnou potrubní síť a vypočítat proudění kapaliny v ní., Thesis deals about solution of non-steady flow in hydraulic systems, which have one dominant component of velocity. Such systems can be arbitrarily structured and they are not limited by number of elements. Computation is based on Lax-Wendroff method and enables considering of variable sound peed as function of static pressure and properties of pipe material. It means, that hydraulic system can be very various. Numerical method is described in detail and description is also focused on sensitivity of method for time step and length step. It can be very imported for evaluation of numerical viscosity, which is compared with second viscosity of fluid. Hammer is working title of software, which was developed on the basis of written numerical procedures. This software enables fast computation of flow in pipe-line systems.

Dizertační práce se zabývá analýzou proudění v potrubí kruhového i nekruhového průřezu pomocí metody rozložení hustoty vířivosti po průřezu. Tato analýza je zaměřena zejména na odvození nových rychlostních profilů pomocí zmíněné metody. Práce přináší historický přehled již odvozených rychlostních profilů. Tento přehled rychlostních profilů bude sloužit jako srovnávací měřítko pro nově odvozené rychlostní profily. Odvození nových rychlostních profilů je provedeno pro potrubí kruhových i nekruhových průřezů, přičemž toto odvození je založeno na analogii elektromagnetické indukce pomocí Biot-Savartova zákona. Zmíněnou analogii je nutné nejprve aplikovat na osamocené vírové vlákno. Tímto způsobem lze získat hodnotu indukované rychlosti od jednoho vírového vlákna. Následně je možné získat hodnotu indukované rychlosti od stěny vírových vláken a poté od rozložení hustoty vířivosti po průřezu. Práce dále obsahuje výsledky z experimentálních měření rychlostních profilů a z CFD simulací. Experimentálně naměřené výsledky jsou mimo jiné využity k výběru nejvhodnějšího CFD výpočetního modelu. Vybraný CFD model bude následně prohlášen za referenční, přičemž rychlostní profily platné pro tento model budou sloužit společně s experimentálně naměřenými daty jako srovnávací kritérium pro nově odvozené rychlostní profily., The doctoral thesis deals with the analysis of the flow in the circular and not circular cross-section pipes by methods using the distribution of the vorticity density. This analysis is particularly focused on the derivation of the new velocity profiles formulas using the above mentioned method. In this work is presented a historical overview of the derived velocity profiles. This overview of already derived velocity profiles will be a fundamental benchmark for newly derived velocity profiles. These new velocity profiles are derived for the circular and not circular cross-section pipes and the derivation is based on the analogy of electromagnetic induction by using Biot-Savart law. It is necessary to apply this analogy at first on solitary vortex filament. By taking this step is possible to get the value of the induced velocity from one solitary vortex filament. Subsequently it is possible to obtain the value of the induced velocity from the vorticity wall and afterwards from the vorticity density distribution over the cross section. This work contains also the results of the experimental measurements of the velocity profiles, and of the CFD simulations. Experimentally measured results are used besides other for the selecting of the most suitable CFD computational model. Selected CFD model will be subsequently declared as a reference model and the valid velocity profiles for this model will serve with the experimentally measured data as a benchmark for the newly derived velocity profiles.

V práci je popsán způsob řešení nestacionárního proudění v hydraulických systémech, které mají dominantní jednu složku rychlosti. Tyto systémy mohou být libovolně strukturované a nejsou omezeny počtem prvků. Samotný výpočet probíhá metodou Lax-Wendroff a umožňuje uvažovat proměnnou rychlost zvuku v závislosti na změnách statického tlaku i na vlastnostech potrubí, takže řešená hydraulická soustava může být velmi různorodá. Dále je v práci podrobně popsána samotná numerická metoda a její citlivost na velikost časového a délkového kroku, nikoliv z pohledu stability, ale z pohledu numerického útlumu a jeho porovnání s druhou viskozitou kapaliny. Na uvedených numerických postupech byl sestaven počítačový software s pracovním názvem Ráz, který umožňuje v poměrně krátkém čase namodelovat libovolnou potrubní síť a vypočítat proudění kapaliny v ní., Thesis deals about solution of non-steady flow in hydraulic systems, which have one dominant component of velocity. Such systems can be arbitrarily structured and they are not limited by number of elements. Computation is based on Lax-Wendroff method and enables considering of variable sound peed as function of static pressure and properties of pipe material. It means, that hydraulic system can be very various. Numerical method is described in detail and description is also focused on sensitivity of method for time step and length step. It can be very imported for evaluation of numerical viscosity, which is compared with second viscosity of fluid. Hammer is working title of software, which was developed on the basis of written numerical procedures. This software enables fast computation of flow in pipe-line systems.

Dizertační práce se věnuje studiu nestabilit tenkých kapalných filmů až do fáze odtržení kapek. Dle typu struktur a dějů na povrchu filmu byly na základě literární rešerše klasifikovány čtyři typy nestabilit: dvoudimenzionální pomalé vlny, dvoudimenzionální rychlé vlny, třídimenzionální vlny, solitární vlny a fáze odtrhávání kapek z povrchu filmu. Práce analyzuje fyzikální principy vzniku nestabilit a zabývá se matematickou formulací problému. Jako příčina nestabilit jsou identifikovány smykové napětí a tlak působící na povrch filmu. Matematické modely predikce nestabilit jsou demonstrovány pomocí přístupů založených na řešení Orrovy-Sommerfeldovy rovnice a pomocí řešení pohybových rovnic v integrálním tvaru. Dále jsou uvedeny modely fluktuací smykového napětí a tlaku působících na povrch filmu a vybrané modely tloušťky filmu. Těžiště práce je zaměřeno na predikci iniciace dvoudimenzionálních vln pomocí integrálního přístupu. Charakteristiky fluktuací smykového napětí a tlaku na hladině filmu byly modelovány pomocí simulací proudění vzduchu nad pevným povrchem. V závěru práce jsou uvedena kritéria odtržení kapek v závislosti na rychlosti proudění vzduchu a tloušťce filmu., This dissertation deals with instabilities of thin liquid films up to entrainment of drops. Four types of instabilities have been classified depending on the type of structure and process on the liquid film surface: two-dimensional slow waves, two-dimensional fast waves, three-dimensional waves, solitary waves and entrainment of drops from the film surface. This thesis analyzes the physical principles of instabilities and deals with the mathematical formulation of the problem. Shear and pressure forces acting on the surface of the liquid film are identified as the cause of instabilities. Mathematical models for predicting instabilities are demonstrated using approaches based on solving the Orr-Sommerfeld equation and the equations of motion in integral form. Models of shear and pressure forces acting on the surface of the film and selected models of film thickness are presented. The work is focused on the prediction of the initiation of two-dimensional waves using the integral approach. Shear stress and pressure forces acting on the liquid film surface have been modeled using the simulation of air flow over a solid surface. Finally, criteria for drop entrainment are presented with their dependence on air velocity and film thickness.

Tato práce představuje zcela novou metodu návrhu hydraulického tvaru lopatek odstředivého čerpadla. Metoda je založena na geometrickém přístupu vycházejícím z křivočarých souřadnic, ve kterých je formulován jak model proudění v bezlopatkovém prostoru meridiálního řezu, tak finální model proudění v oběžném kole, který bere v úvahu kompletní 3D tvar lopatky. Řešení tohoto modelu pak přímo poskytuje vodítko pro tvarování lopatky oběžného kola, které vede k potlačení sekundárního proudění a tím pádem ke zvýšení jeho účinnosti, což je demonstrováno na konkrétním návrhovém příkladu. Parciální diferenciální rovnice popisující proudění v oběžném kole čerpadla se řeší numericky po jednotlivých proudoplochách, což navíc vede k významné úspoře výpočetního času., This work introduces a new method of hydraulic design of a centrifugal pump impeller. This method is based on a geometrical approach employing curvilinear coordinates that are used to formulate both the axisymmetrical flow model in a meridional shape and the final model of flow in a blade cascade taking into account the full 3D shape of the impeller blade. The solution to this model then directly provides the guidelines for shaping the impeller blade in order to suppress the secondary flows, thus increasing the impeller efficiency, which is demonstrated on a real impeller design case. The partial differential equations describing the flow in the blade cascade are numerically solved piecewise on each particular stream surface, which leads to a significant reduction of computational time.

Predikce a eliminace aerodynamicky generovaných hluků u rychle se pohybujících dopravních prostředků, jako jsou automobily, letadla a vlaky, je stále důležitější. Zvlášť tónový hluk generovaný nestabilitou smykové vrstvy vzduchu proudícího nad otvory dutin je jedním z nejvýznamnějších a nejintenzivnějších zdrojů aerodynamic-ky generovaných hluků. Výpočetní aeroakustika (CAA) založená na CFD simulacích stlačitelných Navierových-Stokesových rovnic nabízí nejobecnější možnosti pro predikci aerodynamicky indukovaných zvuků. Aeroakustika je prakticky vždy spojena s turbulentním prouděním, které je hlavní výzvou pro CFD simulace při řešení Navierových-Stokesových rovnic. V této práci jsou zkoumány čtyři různé přístupy modelování turbulence. Tři z nich patří do kategorie LES metod a jeden používá přístup URANS. Pro každý z těchto přístupů byla identifikována vhodná numerická diskretizační a iterační schémata, která byla implementována do otevřené softwarové platformy pro CFD simulace OpenFOAM. Přesnost, výpočetní výkonnost a spolehlivost konvergence těchto schémat byly studovány během třídimenzionálních CFD simulací na modelu vhodného reálného objektu. Výsledky CDF simulací jsou validovány měřením. Jako reálný objekt tohoto výzkumu CAA byla vybrána varhanní píšťala, protože jako zdroj generování tónů využívá samočinné oscilace, označované jako módy smykové vrstvy (Rossiter). Numerická simulace módů smykové vrstvy, respektive hluku generovaného nestabilitami ve smykové vrstvě, je předmětem této práce., Predicting and inhibiting aerodynamically generated noise for fast moving vehicles such as cars, aircraft and trains is increasingly important. The tonal noise generated by the shear-layer instability of air flowing around the cavity opening is especially one of the most significant and most intense sources of aerodynamically generated noise. Computational aeroacoustics (CAA) based on the CFD simulations of compressible Navier-Stokes equations offers the most general approach to predicting those aerodynamically induced sounds. Aeroacoustics is practically always associated with turbulent flow and turbulence is the major challenge for CFD simulations. Four different turbulence modelling approaches are examined in this work. Three of them belong to the LES method category and one uses the URANS approach. Appropriate numerical discretization and iteration schemes have been identified for each of these approaches and implemented in the OpenFOAM open source CFD platform. The accuracy, computational performance and convergence reliability of those schemes have been subsequently studied during three-dimensional CFD simulations on a model of a suitable real object. The CFD simulation results are validated by a measurement. An organ pipe has been chosen as the object of this CAA research because it uses self-sustained oscillations, commonly referred as shear-layer (Rossiter) modes, as the source of its tone generation. The numerical simulation of the shear layer modes, respectively the noise generated by instability in the shear layer, is the subject of this work.

Tato práce se zabývá problematikou modelování vysokofrekvenčních pulsací v čerpadlových turbínách, které způsobují vysokocyklické namáhání víka, spirály, rozváděcího a oběžného kola. Jsou zde navržena řešení pomocí přenosových matic pro trubice s konstantním a kuželovým průřezem. V práci jsou porovnávány varianty válcových a kuželových trubic, při změnách okrajových podmínek. Jsou zde porovnány modely PVE Dlouhé Stráně složené jen z válcových trubic vůči modelu s válcovými a kuželovými trubicemi., This thesis is concentrated on mathematical modeling of high frequency pulsations in pump turbines, which are the source of high-cycle continuous stress of the spiral casing cover, wicket gates and runner. There are proposed the solutions using the transfer matrix for the tube with a constant and conical cross-section. The paper compares variations of cylindrical and conical tubes, changes in boundary conditions. There are the models of PSPP Dlouhé Stráně made only of cylindrical tubes comparing to the model with cylindrical and conical tubes

Dizertační práce je zaměřena na výzkum proudění v mezidiskových spárách hydraulických strojů s důrazem na čerpadla s nízkými specifickými otáčkami. Navzdory tomu, že tekutina v mezidiskových prostorách čerpadel zaujímá velmi malý objem, může výrazně ovlivnit proudění v celém stroji. To má následně vliv na provoz, charakteristiky a celkovou účinnost, zvlášť v případě čerpadel s nízkými specifickými otáčkami, protože stav proudění určuje vznikající diskové ztráty. Rovněž ovlivňuje rozložení tlaku a tím výslednou axiální sílu. Porozumění proudění v mezidiskových spárách je zatím omezené, současné poznatky vychází z teorie odvozené pro značně zjednodušený případ disku rotujícího v hladké válcové spáře. Použitelnost pro popis proudění ve skutečných hydraulických strojích je diskutabilní. Za účelem výzkumu proudění v reálném odstředivém čerpadle bylo navrženo a sestaveno experimentální zařízení umožňující pozorování proudění v zadní mezidiskové spáře pomocí optických metod, měření krouticího momentu a vznikající axiální síly. Také byla popsána metodika pro numerické simulace tohoto druhu proudění umožňující podchytit nestability a vírové struktury. Numerické simulace vhodně doplňují experimentální měření, rozšiřují rozmezí studovaných provozních podmínek a pomáhají popsat jevy, které by šlo měřením jen obtížně odhalit., The thesis deals with an experimental and numerical study of the flow in sidewall gaps of hydraulic machines with a focus on low specific speed pumps. Although the fluid which fills the sidewall gaps represents only a very small portion of the whole volume of the machine, it can have a great impact on the flow in the whole domain. It can significantly influence the behavior, characteristics, and overall performance, especially in the case of low specific speed machines since it determines disk friction. The flow field in sidewall gaps also influences the pressure distribution inside a machine and thus generates axial thrust. The understanding of the flow in these regions is limited since it is based on the theory obtained for simplified geometry and its application in turbomachinery is questionable. In order to investigate the flow in the sidewall gaps of centrifugal pumps, a test rig including a real impeller has been designed and built up. It enabled observation of the flow in the backside wall gap for various operational regimes including optical measurement of velocity profiles, measurement of axial thrust, and frictional torque. A method for precise numerical simulation of such type of flow was developed to help reveal phenomena, which are not observable in the experimental apparatus and to extend the research to a wider range of operating conditions.

Dizertační práce je zaměřena na výzkum proudění v mezidiskových spárách hydraulických strojů s důrazem na čerpadla s nízkými specifickými otáčkami. Navzdory tomu, že tekutina v mezidiskových prostorách čerpadel zaujímá velmi malý objem, může výrazně ovlivnit proudění v celém stroji. To má následně vliv na provoz, charakteristiky a celkovou účinnost, zvlášť v případě čerpadel s nízkými specifickými otáčkami, protože stav proudění určuje vznikající diskové ztráty. Rovněž ovlivňuje rozložení tlaku a tím výslednou axiální sílu. Porozumění proudění v mezidiskových spárách je zatím omezené, současné poznatky vychází z teorie odvozené pro značně zjednodušený případ disku rotujícího v hladké válcové spáře. Použitelnost pro popis proudění ve skutečných hydraulických strojích je diskutabilní. Za účelem výzkumu proudění v reálném odstředivém čerpadle bylo navrženo a sestaveno experimentální zařízení umožňující pozorování proudění v zadní mezidiskové spáře pomocí optických metod, měření krouticího momentu a vznikající axiální síly. Také byla popsána metodika pro numerické simulace tohoto druhu proudění umožňující podchytit nestability a vírové struktury. Numerické simulace vhodně doplňují experimentální měření, rozšiřují rozmezí studovaných provozních podmínek a pomáhají popsat jevy, které by šlo měřením jen obtížně odhalit., The thesis deals with an experimental and numerical study of the flow in sidewall gaps of hydraulic machines with a focus on low specific speed pumps. Although the fluid which fills the sidewall gaps represents only a very small portion of the whole volume of the machine, it can have a great impact on the flow in the whole domain. It can significantly influence the behavior, characteristics, and overall performance, especially in the case of low specific speed machines since it determines disk friction. The flow field in sidewall gaps also influences the pressure distribution inside a machine and thus generates axial thrust. The understanding of the flow in these regions is limited since it is based on the theory obtained for simplified geometry and its application in turbomachinery is questionable. In order to investigate the flow in the sidewall gaps of centrifugal pumps, a test rig including a real impeller has been designed and built up. It enabled observation of the flow in the backside wall gap for various operational regimes including optical measurement of velocity profiles, measurement of axial thrust, and frictional torque. A method for precise numerical simulation of such type of flow was developed to help reveal phenomena, which are not observable in the experimental apparatus and to extend the research to a wider range of operating conditions.

Dizertační práce je zaměřena na výzkum proudění v mezidiskových spárách hydraulických strojů s důrazem na čerpadla s nízkými specifickými otáčkami. Navzdory tomu, že tekutina v mezidiskových prostorách čerpadel zaujímá velmi malý objem, může výrazně ovlivnit proudění v celém stroji. To má následně vliv na provoz, charakteristiky a celkovou účinnost, zvlášť v případě čerpadel s nízkými specifickými otáčkami, protože stav proudění určuje vznikající diskové ztráty. Rovněž ovlivňuje rozložení tlaku a tím výslednou axiální sílu. Porozumění proudění v mezidiskových spárách je zatím omezené, současné poznatky vychází z teorie odvozené pro značně zjednodušený případ disku rotujícího v hladké válcové spáře. Použitelnost pro popis proudění ve skutečných hydraulických strojích je diskutabilní. Za účelem výzkumu proudění v reálném odstředivém čerpadle bylo navrženo a sestaveno experimentální zařízení umožňující pozorování proudění v zadní mezidiskové spáře pomocí optických metod, měření krouticího momentu a vznikající axiální síly. Také byla popsána metodika pro numerické simulace tohoto druhu proudění umožňující podchytit nestability a vírové struktury. Numerické simulace vhodně doplňují experimentální měření, rozšiřují rozmezí studovaných provozních podmínek a pomáhají popsat jevy, které by šlo měřením jen obtížně odhalit., The thesis deals with an experimental and numerical study of the flow in sidewall gaps of hydraulic machines with a focus on low specific speed pumps. Although the fluid which fills the sidewall gaps represents only a very small portion of the whole volume of the machine, it can have a great impact on the flow in the whole domain. It can significantly influence the behavior, characteristics, and overall performance, especially in the case of low specific speed machines since it determines disk friction. The flow field in sidewall gaps also influences the pressure distribution inside a machine and thus generates axial thrust. The understanding of the flow in these regions is limited since it is based on the theory obtained for simplified geometry and its application in turbomachinery is questionable. In order to investigate the flow in the sidewall gaps of centrifugal pumps, a test rig including a real impeller has been designed and built up. It enabled observation of the flow in the backside wall gap for various operational regimes including optical measurement of velocity profiles, measurement of axial thrust, and frictional torque. A method for precise numerical simulation of such type of flow was developed to help reveal phenomena, which are not observable in the experimental apparatus and to extend the research to a wider range of operating conditions.

Disertační práce je zaměřena na návrh nového zařízení pro aeraci vodních ploch s nízkou hloubkou vodní masy. Aerace se řadí mezi ekologické preventivní metody pro omezení růstu sinic. Zvýšení rozpuštěného kyslíku ve vodní mase má za následek podporu růstu organismů, které jsou znevýhodněné nemožností pohybu ve vodní mase, a tím i k podpoře biodiverzity. Nastolená biodiverzita má pozitivní vliv na kvalitu vody, kdy nedochází k přemnožení jednoho druhu organismu, zvláště pak sinic. Navržené aerační zařízení využívá k transportu kyslíku do vody membránu tvořenou dutými vlákny. Při aeraci dochází k rozpouštění vzduchu přímo na povrchu membrány a nedochází tak k úniku vzduchu ve formě bublin. Tento způsob aerace má nízké provozní náklady a vysokou účinnost vnosu kyslíku do vody. Distribuce ve vodním díle je zajištěna speciální loďkou. Tato loďka se pohybuje po vodní hladině a na své svrchní palubě má umístěnou technologii. Aerace se provádí skrz aerační modul umístěný ve vodě. Pohyb loďky je řešen částečně autonomním řízením., This doctoral thesis is focused on design of new equipment for aeration of water surface with low depth of water column. Aeration is one of ecological preventive methods to prevent growth of cyanobacteria. Increase of dissolved oxygen content in water mass leads to support of the growth of organisms which are disadvantaged by impossibility of movement in water mass and thus also to support biodiversity. Given biodiversity has a positive effect on water quality because it avoids the outbreak of one species of aquatic organism, in particular of cyanobacteria. Designed aeration equipment uses membrane formed by hollow fibre to transport oxygen into the water. When aeration dissolution of oxygen occurs directly on the membrane surface which prevents air leak in the form of bubbles. This type of aeration has low operating costs and high efficiency of input of the oxygen into the water. Distribution in the aquatic environment is ensured by special boat. This boat is moving on the water surface and the technology is installed on the upper deck. The aeration is carried out by an aeration module situated in the water. The movement of the boat is partially ensured by autonomous control.

Dizertační práce se zabývá problematikou bezventilových objemových čerpadel s vratným pohybem akčního členu. V práci je předvedeno několik návrhů geometrie čerpadla, jejichž parametry byly určeny pomocí výpočtového modelování proudění. Simulace vratného pohybu pístu byla řešena buď pomocí časově závislé vstupní okrajové podmínky, nebo pomocí dynamických sítí. Jednotlivé varianty byly porovnávány zejména z pohledu objemové účinnosti, která byla hlavním vyhodnocovaným parametrem. Výstupy z výpočtů jsou závislosti objemové účinnosti na frekvenci a amplitudě pohybu pístu, a také na velikosti protitlaku. V rámci práce byly vytvořeny dvě varianty geometrie prototypu čerpadla, na kterých byly experimentálně ověřeny parametry získané z výpočtového modelování. Kromě objemové účinnosti byla z naměřených dat stanovena také hydraulická účinnost., This thesis deals with valveless reciprocating pumps. Within the thesis several designs of pump geometry are demonstrated. Their parameters were obtained using computational fluid dynamics. Reciprocating piston movement was simulated by time dependent inlet boundary condition or by dynamic mesh. The individual variants were compared mainly from point of view of volumetric efficiency, which was the main evaluated parameter. Results of calculations are presented as dependencies of volumetric efficiency on frequency and amplitude of piston motion and on value of backpressure. Two variants of the prototype pump geometry were manufactured to experimentally validate parameters obtained from calculations. Volumetric efficiency together with hydraulic efficiency were evaluated from measured data.

Disertační práce je zaměřena na návrh nového zařízení pro aeraci vodních ploch s nízkou hloubkou vodní masy. Aerace se řadí mezi ekologické preventivní metody pro omezení růstu sinic. Zvýšení rozpuštěného kyslíku ve vodní mase má za následek podporu růstu organismů, které jsou znevýhodněné nemožností pohybu ve vodní mase, a tím i k podpoře biodiverzity. Nastolená biodiverzita má pozitivní vliv na kvalitu vody, kdy nedochází k přemnožení jednoho druhu organismu, zvláště pak sinic. Navržené aerační zařízení využívá k transportu kyslíku do vody membránu tvořenou dutými vlákny. Při aeraci dochází k rozpouštění vzduchu přímo na povrchu membrány a nedochází tak k úniku vzduchu ve formě bublin. Tento způsob aerace má nízké provozní náklady a vysokou účinnost vnosu kyslíku do vody. Distribuce ve vodním díle je zajištěna speciální loďkou. Tato loďka se pohybuje po vodní hladině a na své svrchní palubě má umístěnou technologii. Aerace se provádí skrz aerační modul umístěný ve vodě. Pohyb loďky je řešen částečně autonomním řízením., This doctoral thesis is focused on design of new equipment for aeration of water surface with low depth of water column. Aeration is one of ecological preventive methods to prevent growth of cyanobacteria. Increase of dissolved oxygen content in water mass leads to support of the growth of organisms which are disadvantaged by impossibility of movement in water mass and thus also to support biodiversity. Given biodiversity has a positive effect on water quality because it avoids the outbreak of one species of aquatic organism, in particular of cyanobacteria. Designed aeration equipment uses membrane formed by hollow fibre to transport oxygen into the water. When aeration dissolution of oxygen occurs directly on the membrane surface which prevents air leak in the form of bubbles. This type of aeration has low operating costs and high efficiency of input of the oxygen into the water. Distribution in the aquatic environment is ensured by special boat. This boat is moving on the water surface and the technology is installed on the upper deck. The aeration is carried out by an aeration module situated in the water. The movement of the boat is partially ensured by autonomous control.

Tato disertační práce se zabývá experimentálním a numerickým výzkumem kavitace vyvolané rotací. Pro potřeby tohoto výzkumu byla využita transparentní osově symetrická Venturiho dýza, díky čemuž bylo možné zkoumat dynamiku kavitujícího proudění pomocí analýzy vysokorychlostních nahrávek., This doctoral thesis deals with experimental and numerical research of cavitation induced by rotation of liquid. The transparent axisymmetric Venturi tube was exploited for this purpose. Thus, it was possible to investigate dynamics of cavitating flow using the captured high-speed records.

Tato disertační práce se zabývá experimentálním a numerickým výzkumem kavitace vyvolané rotací. Pro potřeby tohoto výzkumu byla využita transparentní osově symetrická Venturiho dýza, díky čemuž bylo možné zkoumat dynamiku kavitujícího proudění pomocí analýzy vysokorychlostních nahrávek., This doctoral thesis deals with experimental and numerical research of cavitation induced by rotation of liquid. The transparent axisymmetric Venturi tube was exploited for this purpose. Thus, it was possible to investigate dynamics of cavitating flow using the captured high-speed records.

Dizertační práce se zabývá analýzou proudění v potrubí kruhového i nekruhového průřezu pomocí metody rozložení hustoty vířivosti po průřezu. Tato analýza je zaměřena zejména na odvození nových rychlostních profilů pomocí zmíněné metody. Práce přináší historický přehled již odvozených rychlostních profilů. Tento přehled rychlostních profilů bude sloužit jako srovnávací měřítko pro nově odvozené rychlostní profily. Odvození nových rychlostních profilů je provedeno pro potrubí kruhových i nekruhových průřezů, přičemž toto odvození je založeno na analogii elektromagnetické indukce pomocí Biot-Savartova zákona. Zmíněnou analogii je nutné nejprve aplikovat na osamocené vírové vlákno. Tímto způsobem lze získat hodnotu indukované rychlosti od jednoho vírového vlákna. Následně je možné získat hodnotu indukované rychlosti od stěny vírových vláken a poté od rozložení hustoty vířivosti po průřezu. Práce dále obsahuje výsledky z experimentálních měření rychlostních profilů a z CFD simulací. Experimentálně naměřené výsledky jsou mimo jiné využity k výběru nejvhodnějšího CFD výpočetního modelu. Vybraný CFD model bude následně prohlášen za referenční, přičemž rychlostní profily platné pro tento model budou sloužit společně s experimentálně naměřenými daty jako srovnávací kritérium pro nově odvozené rychlostní profily., The doctoral thesis deals with the analysis of the flow in the circular and not circular cross-section pipes by methods using the distribution of the vorticity density. This analysis is particularly focused on the derivation of the new velocity profiles formulas using the above mentioned method. In this work is presented a historical overview of the derived velocity profiles. This overview of already derived velocity profiles will be a fundamental benchmark for newly derived velocity profiles. These new velocity profiles are derived for the circular and not circular cross-section pipes and the derivation is based on the analogy of electromagnetic induction by using Biot-Savart law. It is necessary to apply this analogy at first on solitary vortex filament. By taking this step is possible to get the value of the induced velocity from one solitary vortex filament. Subsequently it is possible to obtain the value of the induced velocity from the vorticity wall and afterwards from the vorticity density distribution over the cross section. This work contains also the results of the experimental measurements of the velocity profiles, and of the CFD simulations. Experimentally measured results are used besides other for the selecting of the most suitable CFD computational model. Selected CFD model will be subsequently declared as a reference model and the valid velocity profiles for this model will serve with the experimentally measured data as a benchmark for the newly derived velocity profiles.

Tato práce se zabývá problematikou modelování vysokofrekvenčních pulsací v čerpadlových turbínách, které způsobují vysokocyklické namáhání víka, spirály, rozváděcího a oběžného kola. Jsou zde navržena řešení pomocí přenosových matic pro trubice s konstantním a kuželovým průřezem. V práci jsou porovnávány varianty válcových a kuželových trubic, při změnách okrajových podmínek. Jsou zde porovnány modely PVE Dlouhé Stráně složené jen z válcových trubic vůči modelu s válcovými a kuželovými trubicemi., This thesis is concentrated on mathematical modeling of high frequency pulsations in pump turbines, which are the source of high-cycle continuous stress of the spiral casing cover, wicket gates and runner. There are proposed the solutions using the transfer matrix for the tube with a constant and conical cross-section. The paper compares variations of cylindrical and conical tubes, changes in boundary conditions. There are the models of PSPP Dlouhé Stráně made only of cylindrical tubes comparing to the model with cylindrical and conical tubes

Dizertační práce se věnuje studiu nestabilit tenkých kapalných filmů až do fáze odtržení kapek. Dle typu struktur a dějů na povrchu filmu byly na základě literární rešerše klasifikovány čtyři typy nestabilit: dvoudimenzionální pomalé vlny, dvoudimenzionální rychlé vlny, třídimenzionální vlny, solitární vlny a fáze odtrhávání kapek z povrchu filmu. Práce analyzuje fyzikální principy vzniku nestabilit a zabývá se matematickou formulací problému. Jako příčina nestabilit jsou identifikovány smykové napětí a tlak působící na povrch filmu. Matematické modely predikce nestabilit jsou demonstrovány pomocí přístupů založených na řešení Orrovy-Sommerfeldovy rovnice a pomocí řešení pohybových rovnic v integrálním tvaru. Dále jsou uvedeny modely fluktuací smykového napětí a tlaku působících na povrch filmu a vybrané modely tloušťky filmu. Těžiště práce je zaměřeno na predikci iniciace dvoudimenzionálních vln pomocí integrálního přístupu. Charakteristiky fluktuací smykového napětí a tlaku na hladině filmu byly modelovány pomocí simulací proudění vzduchu nad pevným povrchem. V závěru práce jsou uvedena kritéria odtržení kapek v závislosti na rychlosti proudění vzduchu a tloušťce filmu., This dissertation deals with instabilities of thin liquid films up to entrainment of drops. Four types of instabilities have been classified depending on the type of structure and process on the liquid film surface: two-dimensional slow waves, two-dimensional fast waves, three-dimensional waves, solitary waves and entrainment of drops from the film surface. This thesis analyzes the physical principles of instabilities and deals with the mathematical formulation of the problem. Shear and pressure forces acting on the surface of the liquid film are identified as the cause of instabilities. Mathematical models for predicting instabilities are demonstrated using approaches based on solving the Orr-Sommerfeld equation and the equations of motion in integral form. Models of shear and pressure forces acting on the surface of the film and selected models of film thickness are presented. The work is focused on the prediction of the initiation of two-dimensional waves using the integral approach. Shear stress and pressure forces acting on the liquid film surface have been modeled using the simulation of air flow over a solid surface. Finally, criteria for drop entrainment are presented with their dependence on air velocity and film thickness.

Dizertační práce se zabývá analýzou proudění v potrubí kruhového i nekruhového průřezu pomocí metody rozložení hustoty vířivosti po průřezu. Tato analýza je zaměřena zejména na odvození nových rychlostních profilů pomocí zmíněné metody. Práce přináší historický přehled již odvozených rychlostních profilů. Tento přehled rychlostních profilů bude sloužit jako srovnávací měřítko pro nově odvozené rychlostní profily. Odvození nových rychlostních profilů je provedeno pro potrubí kruhových i nekruhových průřezů, přičemž toto odvození je založeno na analogii elektromagnetické indukce pomocí Biot-Savartova zákona. Zmíněnou analogii je nutné nejprve aplikovat na osamocené vírové vlákno. Tímto způsobem lze získat hodnotu indukované rychlosti od jednoho vírového vlákna. Následně je možné získat hodnotu indukované rychlosti od stěny vírových vláken a poté od rozložení hustoty vířivosti po průřezu. Práce dále obsahuje výsledky z experimentálních měření rychlostních profilů a z CFD simulací. Experimentálně naměřené výsledky jsou mimo jiné využity k výběru nejvhodnějšího CFD výpočetního modelu. Vybraný CFD model bude následně prohlášen za referenční, přičemž rychlostní profily platné pro tento model budou sloužit společně s experimentálně naměřenými daty jako srovnávací kritérium pro nově odvozené rychlostní profily., The doctoral thesis deals with the analysis of the flow in the circular and not circular cross-section pipes by methods using the distribution of the vorticity density. This analysis is particularly focused on the derivation of the new velocity profiles formulas using the above mentioned method. In this work is presented a historical overview of the derived velocity profiles. This overview of already derived velocity profiles will be a fundamental benchmark for newly derived velocity profiles. These new velocity profiles are derived for the circular and not circular cross-section pipes and the derivation is based on the analogy of electromagnetic induction by using Biot-Savart law. It is necessary to apply this analogy at first on solitary vortex filament. By taking this step is possible to get the value of the induced velocity from one solitary vortex filament. Subsequently it is possible to obtain the value of the induced velocity from the vorticity wall and afterwards from the vorticity density distribution over the cross section. This work contains also the results of the experimental measurements of the velocity profiles, and of the CFD simulations. Experimentally measured results are used besides other for the selecting of the most suitable CFD computational model. Selected CFD model will be subsequently declared as a reference model and the valid velocity profiles for this model will serve with the experimentally measured data as a benchmark for the newly derived velocity profiles.

Tato práce představuje zcela novou metodu návrhu hydraulického tvaru lopatek odstředivého čerpadla. Metoda je založena na geometrickém přístupu vycházejícím z křivočarých souřadnic, ve kterých je formulován jak model proudění v bezlopatkovém prostoru meridiálního řezu, tak finální model proudění v oběžném kole, který bere v úvahu kompletní 3D tvar lopatky. Řešení tohoto modelu pak přímo poskytuje vodítko pro tvarování lopatky oběžného kola, které vede k potlačení sekundárního proudění a tím pádem ke zvýšení jeho účinnosti, což je demonstrováno na konkrétním návrhovém příkladu. Parciální diferenciální rovnice popisující proudění v oběžném kole čerpadla se řeší numericky po jednotlivých proudoplochách, což navíc vede k významné úspoře výpočetního času., This work introduces a new method of hydraulic design of a centrifugal pump impeller. This method is based on a geometrical approach employing curvilinear coordinates that are used to formulate both the axisymmetrical flow model in a meridional shape and the final model of flow in a blade cascade taking into account the full 3D shape of the impeller blade. The solution to this model then directly provides the guidelines for shaping the impeller blade in order to suppress the secondary flows, thus increasing the impeller efficiency, which is demonstrated on a real impeller design case. The partial differential equations describing the flow in the blade cascade are numerically solved piecewise on each particular stream surface, which leads to a significant reduction of computational time.

Predikce a eliminace aerodynamicky generovaných hluků u rychle se pohybujících dopravních prostředků, jako jsou automobily, letadla a vlaky, je stále důležitější. Zvlášť tónový hluk generovaný nestabilitou smykové vrstvy vzduchu proudícího nad otvory dutin je jedním z nejvýznamnějších a nejintenzivnějších zdrojů aerodynamic-ky generovaných hluků. Výpočetní aeroakustika (CAA) založená na CFD simulacích stlačitelných Navierových-Stokesových rovnic nabízí nejobecnější možnosti pro predikci aerodynamicky indukovaných zvuků. Aeroakustika je prakticky vždy spojena s turbulentním prouděním, které je hlavní výzvou pro CFD simulace při řešení Navierových-Stokesových rovnic. V této práci jsou zkoumány čtyři různé přístupy modelování turbulence. Tři z nich patří do kategorie LES metod a jeden používá přístup URANS. Pro každý z těchto přístupů byla identifikována vhodná numerická diskretizační a iterační schémata, která byla implementována do otevřené softwarové platformy pro CFD simulace OpenFOAM. Přesnost, výpočetní výkonnost a spolehlivost konvergence těchto schémat byly studovány během třídimenzionálních CFD simulací na modelu vhodného reálného objektu. Výsledky CDF simulací jsou validovány měřením. Jako reálný objekt tohoto výzkumu CAA byla vybrána varhanní píšťala, protože jako zdroj generování tónů využívá samočinné oscilace, označované jako módy smykové vrstvy (Rossiter). Numerická simulace módů smykové vrstvy, respektive hluku generovaného nestabilitami ve smykové vrstvě, je předmětem této práce., Predicting and inhibiting aerodynamically generated noise for fast moving vehicles such as cars, aircraft and trains is increasingly important. The tonal noise generated by the shear-layer instability of air flowing around the cavity opening is especially one of the most significant and most intense sources of aerodynamically generated noise. Computational aeroacoustics (CAA) based on the CFD simulations of compressible Navier-Stokes equations offers the most general approach to predicting those aerodynamically induced sounds. Aeroacoustics is practically always associated with turbulent flow and turbulence is the major challenge for CFD simulations. Four different turbulence modelling approaches are examined in this work. Three of them belong to the LES method category and one uses the URANS approach. Appropriate numerical discretization and iteration schemes have been identified for each of these approaches and implemented in the OpenFOAM open source CFD platform. The accuracy, computational performance and convergence reliability of those schemes have been subsequently studied during three-dimensional CFD simulations on a model of a suitable real object. The CFD simulation results are validated by a measurement. An organ pipe has been chosen as the object of this CAA research because it uses self-sustained oscillations, commonly referred as shear-layer (Rossiter) modes, as the source of its tone generation. The numerical simulation of the shear layer modes, respectively the noise generated by instability in the shear layer, is the subject of this work.

Predikce a eliminace aerodynamicky generovaných hluků u rychle se pohybujících dopravních prostředků, jako jsou automobily, letadla a vlaky, je stále důležitější. Zvlášť tónový hluk generovaný nestabilitou smykové vrstvy vzduchu proudícího nad otvory dutin je jedním z nejvýznamnějších a nejintenzivnějších zdrojů aerodynamic-ky generovaných hluků. Výpočetní aeroakustika (CAA) založená na CFD simulacích stlačitelných Navierových-Stokesových rovnic nabízí nejobecnější možnosti pro predikci aerodynamicky indukovaných zvuků. Aeroakustika je prakticky vždy spojena s turbulentním prouděním, které je hlavní výzvou pro CFD simulace při řešení Navierových-Stokesových rovnic. V této práci jsou zkoumány čtyři různé přístupy modelování turbulence. Tři z nich patří do kategorie LES metod a jeden používá přístup URANS. Pro každý z těchto přístupů byla identifikována vhodná numerická diskretizační a iterační schémata, která byla implementována do otevřené softwarové platformy pro CFD simulace OpenFOAM. Přesnost, výpočetní výkonnost a spolehlivost konvergence těchto schémat byly studovány během třídimenzionálních CFD simulací na modelu vhodného reálného objektu. Výsledky CDF simulací jsou validovány měřením. Jako reálný objekt tohoto výzkumu CAA byla vybrána varhanní píšťala, protože jako zdroj generování tónů využívá samočinné oscilace, označované jako módy smykové vrstvy (Rossiter). Numerická simulace módů smykové vrstvy, respektive hluku generovaného nestabilitami ve smykové vrstvě, je předmětem této práce., Predicting and inhibiting aerodynamically generated noise for fast moving vehicles such as cars, aircraft and trains is increasingly important. The tonal noise generated by the shear-layer instability of air flowing around the cavity opening is especially one of the most significant and most intense sources of aerodynamically generated noise. Computational aeroacoustics (CAA) based on the CFD simulations of compressible Navier-Stokes equations offers the most general approach to predicting those aerodynamically induced sounds. Aeroacoustics is practically always associated with turbulent flow and turbulence is the major challenge for CFD simulations. Four different turbulence modelling approaches are examined in this work. Three of them belong to the LES method category and one uses the URANS approach. Appropriate numerical discretization and iteration schemes have been identified for each of these approaches and implemented in the OpenFOAM open source CFD platform. The accuracy, computational performance and convergence reliability of those schemes have been subsequently studied during three-dimensional CFD simulations on a model of a suitable real object. The CFD simulation results are validated by a measurement. An organ pipe has been chosen as the object of this CAA research because it uses self-sustained oscillations, commonly referred as shear-layer (Rossiter) modes, as the source of its tone generation. The numerical simulation of the shear layer modes, respectively the noise generated by instability in the shear layer, is the subject of this work.

Tato práce představuje zcela novou metodu návrhu hydraulického tvaru lopatek odstředivého čerpadla. Metoda je založena na geometrickém přístupu vycházejícím z křivočarých souřadnic, ve kterých je formulován jak model proudění v bezlopatkovém prostoru meridiálního řezu, tak finální model proudění v oběžném kole, který bere v úvahu kompletní 3D tvar lopatky. Řešení tohoto modelu pak přímo poskytuje vodítko pro tvarování lopatky oběžného kola, které vede k potlačení sekundárního proudění a tím pádem ke zvýšení jeho účinnosti, což je demonstrováno na konkrétním návrhovém příkladu. Parciální diferenciální rovnice popisující proudění v oběžném kole čerpadla se řeší numericky po jednotlivých proudoplochách, což navíc vede k významné úspoře výpočetního času., This work introduces a new method of hydraulic design of a centrifugal pump impeller. This method is based on a geometrical approach employing curvilinear coordinates that are used to formulate both the axisymmetrical flow model in a meridional shape and the final model of flow in a blade cascade taking into account the full 3D shape of the impeller blade. The solution to this model then directly provides the guidelines for shaping the impeller blade in order to suppress the secondary flows, thus increasing the impeller efficiency, which is demonstrated on a real impeller design case. The partial differential equations describing the flow in the blade cascade are numerically solved piecewise on each particular stream surface, which leads to a significant reduction of computational time.

Tato práce se zabývá problematikou modelování vysokofrekvenčních pulsací v čerpadlových turbínách, které způsobují vysokocyklické namáhání víka, spirály, rozváděcího a oběžného kola. Jsou zde navržena řešení pomocí přenosových matic pro trubice s konstantním a kuželovým průřezem. V práci jsou porovnávány varianty válcových a kuželových trubic, při změnách okrajových podmínek. Jsou zde porovnány modely PVE Dlouhé Stráně složené jen z válcových trubic vůči modelu s válcovými a kuželovými trubicemi., This thesis is concentrated on mathematical modeling of high frequency pulsations in pump turbines, which are the source of high-cycle continuous stress of the spiral casing cover, wicket gates and runner. There are proposed the solutions using the transfer matrix for the tube with a constant and conical cross-section. The paper compares variations of cylindrical and conical tubes, changes in boundary conditions. There are the models of PSPP Dlouhé Stráně made only of cylindrical tubes comparing to the model with cylindrical and conical tubes

Dizertační práce se věnuje studiu nestabilit tenkých kapalných filmů až do fáze odtržení kapek. Dle typu struktur a dějů na povrchu filmu byly na základě literární rešerše klasifikovány čtyři typy nestabilit: dvoudimenzionální pomalé vlny, dvoudimenzionální rychlé vlny, třídimenzionální vlny, solitární vlny a fáze odtrhávání kapek z povrchu filmu. Práce analyzuje fyzikální principy vzniku nestabilit a zabývá se matematickou formulací problému. Jako příčina nestabilit jsou identifikovány smykové napětí a tlak působící na povrch filmu. Matematické modely predikce nestabilit jsou demonstrovány pomocí přístupů založených na řešení Orrovy-Sommerfeldovy rovnice a pomocí řešení pohybových rovnic v integrálním tvaru. Dále jsou uvedeny modely fluktuací smykového napětí a tlaku působících na povrch filmu a vybrané modely tloušťky filmu. Těžiště práce je zaměřeno na predikci iniciace dvoudimenzionálních vln pomocí integrálního přístupu. Charakteristiky fluktuací smykového napětí a tlaku na hladině filmu byly modelovány pomocí simulací proudění vzduchu nad pevným povrchem. V závěru práce jsou uvedena kritéria odtržení kapek v závislosti na rychlosti proudění vzduchu a tloušťce filmu., This dissertation deals with instabilities of thin liquid films up to entrainment of drops. Four types of instabilities have been classified depending on the type of structure and process on the liquid film surface: two-dimensional slow waves, two-dimensional fast waves, three-dimensional waves, solitary waves and entrainment of drops from the film surface. This thesis analyzes the physical principles of instabilities and deals with the mathematical formulation of the problem. Shear and pressure forces acting on the surface of the liquid film are identified as the cause of instabilities. Mathematical models for predicting instabilities are demonstrated using approaches based on solving the Orr-Sommerfeld equation and the equations of motion in integral form. Models of shear and pressure forces acting on the surface of the film and selected models of film thickness are presented. The work is focused on the prediction of the initiation of two-dimensional waves using the integral approach. Shear stress and pressure forces acting on the liquid film surface have been modeled using the simulation of air flow over a solid surface. Finally, criteria for drop entrainment are presented with their dependence on air velocity and film thickness.

V práci je popsán způsob řešení nestacionárního proudění v hydraulických systémech, které mají dominantní jednu složku rychlosti. Tyto systémy mohou být libovolně strukturované a nejsou omezeny počtem prvků. Samotný výpočet probíhá metodou Lax-Wendroff a umožňuje uvažovat proměnnou rychlost zvuku v závislosti na změnách statického tlaku i na vlastnostech potrubí, takže řešená hydraulická soustava může být velmi různorodá. Dále je v práci podrobně popsána samotná numerická metoda a její citlivost na velikost časového a délkového kroku, nikoliv z pohledu stability, ale z pohledu numerického útlumu a jeho porovnání s druhou viskozitou kapaliny. Na uvedených numerických postupech byl sestaven počítačový software s pracovním názvem Ráz, který umožňuje v poměrně krátkém čase namodelovat libovolnou potrubní síť a vypočítat proudění kapaliny v ní., Thesis deals about solution of non-steady flow in hydraulic systems, which have one dominant component of velocity. Such systems can be arbitrarily structured and they are not limited by number of elements. Computation is based on Lax-Wendroff method and enables considering of variable sound peed as function of static pressure and properties of pipe material. It means, that hydraulic system can be very various. Numerical method is described in detail and description is also focused on sensitivity of method for time step and length step. It can be very imported for evaluation of numerical viscosity, which is compared with second viscosity of fluid. Hammer is working title of software, which was developed on the basis of written numerical procedures. This software enables fast computation of flow in pipe-line systems.

Dizertační práce se zabývá analýzou proudění v potrubí kruhového i nekruhového průřezu pomocí metody rozložení hustoty vířivosti po průřezu. Tato analýza je zaměřena zejména na odvození nových rychlostních profilů pomocí zmíněné metody. Práce přináší historický přehled již odvozených rychlostních profilů. Tento přehled rychlostních profilů bude sloužit jako srovnávací měřítko pro nově odvozené rychlostní profily. Odvození nových rychlostních profilů je provedeno pro potrubí kruhových i nekruhových průřezů, přičemž toto odvození je založeno na analogii elektromagnetické indukce pomocí Biot-Savartova zákona. Zmíněnou analogii je nutné nejprve aplikovat na osamocené vírové vlákno. Tímto způsobem lze získat hodnotu indukované rychlosti od jednoho vírového vlákna. Následně je možné získat hodnotu indukované rychlosti od stěny vírových vláken a poté od rozložení hustoty vířivosti po průřezu. Práce dále obsahuje výsledky z experimentálních měření rychlostních profilů a z CFD simulací. Experimentálně naměřené výsledky jsou mimo jiné využity k výběru nejvhodnějšího CFD výpočetního modelu. Vybraný CFD model bude následně prohlášen za referenční, přičemž rychlostní profily platné pro tento model budou sloužit společně s experimentálně naměřenými daty jako srovnávací kritérium pro nově odvozené rychlostní profily., The doctoral thesis deals with the analysis of the flow in the circular and not circular cross-section pipes by methods using the distribution of the vorticity density. This analysis is particularly focused on the derivation of the new velocity profiles formulas using the above mentioned method. In this work is presented a historical overview of the derived velocity profiles. This overview of already derived velocity profiles will be a fundamental benchmark for newly derived velocity profiles. These new velocity profiles are derived for the circular and not circular cross-section pipes and the derivation is based on the analogy of electromagnetic induction by using Biot-Savart law. It is necessary to apply this analogy at first on solitary vortex filament. By taking this step is possible to get the value of the induced velocity from one solitary vortex filament. Subsequently it is possible to obtain the value of the induced velocity from the vorticity wall and afterwards from the vorticity density distribution over the cross section. This work contains also the results of the experimental measurements of the velocity profiles, and of the CFD simulations. Experimentally measured results are used besides other for the selecting of the most suitable CFD computational model. Selected CFD model will be subsequently declared as a reference model and the valid velocity profiles for this model will serve with the experimentally measured data as a benchmark for the newly derived velocity profiles.

Disertační práce je zaměřena na návrh nového zařízení pro aeraci vodních ploch s nízkou hloubkou vodní masy. Aerace se řadí mezi ekologické preventivní metody pro omezení růstu sinic. Zvýšení rozpuštěného kyslíku ve vodní mase má za následek podporu růstu organismů, které jsou znevýhodněné nemožností pohybu ve vodní mase, a tím i k podpoře biodiverzity. Nastolená biodiverzita má pozitivní vliv na kvalitu vody, kdy nedochází k přemnožení jednoho druhu organismu, zvláště pak sinic. Navržené aerační zařízení využívá k transportu kyslíku do vody membránu tvořenou dutými vlákny. Při aeraci dochází k rozpouštění vzduchu přímo na povrchu membrány a nedochází tak k úniku vzduchu ve formě bublin. Tento způsob aerace má nízké provozní náklady a vysokou účinnost vnosu kyslíku do vody. Distribuce ve vodním díle je zajištěna speciální loďkou. Tato loďka se pohybuje po vodní hladině a na své svrchní palubě má umístěnou technologii. Aerace se provádí skrz aerační modul umístěný ve vodě. Pohyb loďky je řešen částečně autonomním řízením., This doctoral thesis is focused on design of new equipment for aeration of water surface with low depth of water column. Aeration is one of ecological preventive methods to prevent growth of cyanobacteria. Increase of dissolved oxygen content in water mass leads to support of the growth of organisms which are disadvantaged by impossibility of movement in water mass and thus also to support biodiversity. Given biodiversity has a positive effect on water quality because it avoids the outbreak of one species of aquatic organism, in particular of cyanobacteria. Designed aeration equipment uses membrane formed by hollow fibre to transport oxygen into the water. When aeration dissolution of oxygen occurs directly on the membrane surface which prevents air leak in the form of bubbles. This type of aeration has low operating costs and high efficiency of input of the oxygen into the water. Distribution in the aquatic environment is ensured by special boat. This boat is moving on the water surface and the technology is installed on the upper deck. The aeration is carried out by an aeration module situated in the water. The movement of the boat is partially ensured by autonomous control.

V práci je popsán způsob řešení nestacionárního proudění v hydraulických systémech, které mají dominantní jednu složku rychlosti. Tyto systémy mohou být libovolně strukturované a nejsou omezeny počtem prvků. Samotný výpočet probíhá metodou Lax-Wendroff a umožňuje uvažovat proměnnou rychlost zvuku v závislosti na změnách statického tlaku i na vlastnostech potrubí, takže řešená hydraulická soustava může být velmi různorodá. Dále je v práci podrobně popsána samotná numerická metoda a její citlivost na velikost časového a délkového kroku, nikoliv z pohledu stability, ale z pohledu numerického útlumu a jeho porovnání s druhou viskozitou kapaliny. Na uvedených numerických postupech byl sestaven počítačový software s pracovním názvem Ráz, který umožňuje v poměrně krátkém čase namodelovat libovolnou potrubní síť a vypočítat proudění kapaliny v ní., Thesis deals about solution of non-steady flow in hydraulic systems, which have one dominant component of velocity. Such systems can be arbitrarily structured and they are not limited by number of elements. Computation is based on Lax-Wendroff method and enables considering of variable sound peed as function of static pressure and properties of pipe material. It means, that hydraulic system can be very various. Numerical method is described in detail and description is also focused on sensitivity of method for time step and length step. It can be very imported for evaluation of numerical viscosity, which is compared with second viscosity of fluid. Hammer is working title of software, which was developed on the basis of written numerical procedures. This software enables fast computation of flow in pipe-line systems.

Tato disertační práce se zabývá experimentálním a numerickým výzkumem kavitace vyvolané rotací. Pro potřeby tohoto výzkumu byla využita transparentní osově symetrická Venturiho dýza, díky čemuž bylo možné zkoumat dynamiku kavitujícího proudění pomocí analýzy vysokorychlostních nahrávek., This doctoral thesis deals with experimental and numerical research of cavitation induced by rotation of liquid. The transparent axisymmetric Venturi tube was exploited for this purpose. Thus, it was possible to investigate dynamics of cavitating flow using the captured high-speed records.

Tato práce se zabývá problematikou modelování vysokofrekvenčních pulsací v čerpadlových turbínách, které způsobují vysokocyklické namáhání víka, spirály, rozváděcího a oběžného kola. Jsou zde navržena řešení pomocí přenosových matic pro trubice s konstantním a kuželovým průřezem. V práci jsou porovnávány varianty válcových a kuželových trubic, při změnách okrajových podmínek. Jsou zde porovnány modely PVE Dlouhé Stráně složené jen z válcových trubic vůči modelu s válcovými a kuželovými trubicemi., This thesis is concentrated on mathematical modeling of high frequency pulsations in pump turbines, which are the source of high-cycle continuous stress of the spiral casing cover, wicket gates and runner. There are proposed the solutions using the transfer matrix for the tube with a constant and conical cross-section. The paper compares variations of cylindrical and conical tubes, changes in boundary conditions. There are the models of PSPP Dlouhé Stráně made only of cylindrical tubes comparing to the model with cylindrical and conical tubes

Dizertační práce se zabývá problematikou bezventilových objemových čerpadel s vratným pohybem akčního členu. V práci je předvedeno několik návrhů geometrie čerpadla, jejichž parametry byly určeny pomocí výpočtového modelování proudění. Simulace vratného pohybu pístu byla řešena buď pomocí časově závislé vstupní okrajové podmínky, nebo pomocí dynamických sítí. Jednotlivé varianty byly porovnávány zejména z pohledu objemové účinnosti, která byla hlavním vyhodnocovaným parametrem. Výstupy z výpočtů jsou závislosti objemové účinnosti na frekvenci a amplitudě pohybu pístu, a také na velikosti protitlaku. V rámci práce byly vytvořeny dvě varianty geometrie prototypu čerpadla, na kterých byly experimentálně ověřeny parametry získané z výpočtového modelování. Kromě objemové účinnosti byla z naměřených dat stanovena také hydraulická účinnost., This thesis deals with valveless reciprocating pumps. Within the thesis several designs of pump geometry are demonstrated. Their parameters were obtained using computational fluid dynamics. Reciprocating piston movement was simulated by time dependent inlet boundary condition or by dynamic mesh. The individual variants were compared mainly from point of view of volumetric efficiency, which was the main evaluated parameter. Results of calculations are presented as dependencies of volumetric efficiency on frequency and amplitude of piston motion and on value of backpressure. Two variants of the prototype pump geometry were manufactured to experimentally validate parameters obtained from calculations. Volumetric efficiency together with hydraulic efficiency were evaluated from measured data.

Tato práce představuje zcela novou metodu návrhu hydraulického tvaru lopatek odstředivého čerpadla. Metoda je založena na geometrickém přístupu vycházejícím z křivočarých souřadnic, ve kterých je formulován jak model proudění v bezlopatkovém prostoru meridiálního řezu, tak finální model proudění v oběžném kole, který bere v úvahu kompletní 3D tvar lopatky. Řešení tohoto modelu pak přímo poskytuje vodítko pro tvarování lopatky oběžného kola, které vede k potlačení sekundárního proudění a tím pádem ke zvýšení jeho účinnosti, což je demonstrováno na konkrétním návrhovém příkladu. Parciální diferenciální rovnice popisující proudění v oběžném kole čerpadla se řeší numericky po jednotlivých proudoplochách, což navíc vede k významné úspoře výpočetního času., This work introduces a new method of hydraulic design of a centrifugal pump impeller. This method is based on a geometrical approach employing curvilinear coordinates that are used to formulate both the axisymmetrical flow model in a meridional shape and the final model of flow in a blade cascade taking into account the full 3D shape of the impeller blade. The solution to this model then directly provides the guidelines for shaping the impeller blade in order to suppress the secondary flows, thus increasing the impeller efficiency, which is demonstrated on a real impeller design case. The partial differential equations describing the flow in the blade cascade are numerically solved piecewise on each particular stream surface, which leads to a significant reduction of computational time.

Dizertační práce se zabývá analýzou proudění v potrubí kruhového i nekruhového průřezu pomocí metody rozložení hustoty vířivosti po průřezu. Tato analýza je zaměřena zejména na odvození nových rychlostních profilů pomocí zmíněné metody. Práce přináší historický přehled již odvozených rychlostních profilů. Tento přehled rychlostních profilů bude sloužit jako srovnávací měřítko pro nově odvozené rychlostní profily. Odvození nových rychlostních profilů je provedeno pro potrubí kruhových i nekruhových průřezů, přičemž toto odvození je založeno na analogii elektromagnetické indukce pomocí Biot-Savartova zákona. Zmíněnou analogii je nutné nejprve aplikovat na osamocené vírové vlákno. Tímto způsobem lze získat hodnotu indukované rychlosti od jednoho vírového vlákna. Následně je možné získat hodnotu indukované rychlosti od stěny vírových vláken a poté od rozložení hustoty vířivosti po průřezu. Práce dále obsahuje výsledky z experimentálních měření rychlostních profilů a z CFD simulací. Experimentálně naměřené výsledky jsou mimo jiné využity k výběru nejvhodnějšího CFD výpočetního modelu. Vybraný CFD model bude následně prohlášen za referenční, přičemž rychlostní profily platné pro tento model budou sloužit společně s experimentálně naměřenými daty jako srovnávací kritérium pro nově odvozené rychlostní profily., The doctoral thesis deals with the analysis of the flow in the circular and not circular cross-section pipes by methods using the distribution of the vorticity density. This analysis is particularly focused on the derivation of the new velocity profiles formulas using the above mentioned method. In this work is presented a historical overview of the derived velocity profiles. This overview of already derived velocity profiles will be a fundamental benchmark for newly derived velocity profiles. These new velocity profiles are derived for the circular and not circular cross-section pipes and the derivation is based on the analogy of electromagnetic induction by using Biot-Savart law. It is necessary to apply this analogy at first on solitary vortex filament. By taking this step is possible to get the value of the induced velocity from one solitary vortex filament. Subsequently it is possible to obtain the value of the induced velocity from the vorticity wall and afterwards from the vorticity density distribution over the cross section. This work contains also the results of the experimental measurements of the velocity profiles, and of the CFD simulations. Experimentally measured results are used besides other for the selecting of the most suitable CFD computational model. Selected CFD model will be subsequently declared as a reference model and the valid velocity profiles for this model will serve with the experimentally measured data as a benchmark for the newly derived velocity profiles.

Dizertační práce je zaměřena na výzkum proudění v mezidiskových spárách hydraulických strojů s důrazem na čerpadla s nízkými specifickými otáčkami. Navzdory tomu, že tekutina v mezidiskových prostorách čerpadel zaujímá velmi malý objem, může výrazně ovlivnit proudění v celém stroji. To má následně vliv na provoz, charakteristiky a celkovou účinnost, zvlášť v případě čerpadel s nízkými specifickými otáčkami, protože stav proudění určuje vznikající diskové ztráty. Rovněž ovlivňuje rozložení tlaku a tím výslednou axiální sílu. Porozumění proudění v mezidiskových spárách je zatím omezené, současné poznatky vychází z teorie odvozené pro značně zjednodušený případ disku rotujícího v hladké válcové spáře. Použitelnost pro popis proudění ve skutečných hydraulických strojích je diskutabilní. Za účelem výzkumu proudění v reálném odstředivém čerpadle bylo navrženo a sestaveno experimentální zařízení umožňující pozorování proudění v zadní mezidiskové spáře pomocí optických metod, měření krouticího momentu a vznikající axiální síly. Také byla popsána metodika pro numerické simulace tohoto druhu proudění umožňující podchytit nestability a vírové struktury. Numerické simulace vhodně doplňují experimentální měření, rozšiřují rozmezí studovaných provozních podmínek a pomáhají popsat jevy, které by šlo měřením jen obtížně odhalit., The thesis deals with an experimental and numerical study of the flow in sidewall gaps of hydraulic machines with a focus on low specific speed pumps. Although the fluid which fills the sidewall gaps represents only a very small portion of the whole volume of the machine, it can have a great impact on the flow in the whole domain. It can significantly influence the behavior, characteristics, and overall performance, especially in the case of low specific speed machines since it determines disk friction. The flow field in sidewall gaps also influences the pressure distribution inside a machine and thus generates axial thrust. The understanding of the flow in these regions is limited since it is based on the theory obtained for simplified geometry and its application in turbomachinery is questionable. In order to investigate the flow in the sidewall gaps of centrifugal pumps, a test rig including a real impeller has been designed and built up. It enabled observation of the flow in the backside wall gap for various operational regimes including optical measurement of velocity profiles, measurement of axial thrust, and frictional torque. A method for precise numerical simulation of such type of flow was developed to help reveal phenomena, which are not observable in the experimental apparatus and to extend the research to a wider range of operating conditions.

Predikce a eliminace aerodynamicky generovaných hluků u rychle se pohybujících dopravních prostředků, jako jsou automobily, letadla a vlaky, je stále důležitější. Zvlášť tónový hluk generovaný nestabilitou smykové vrstvy vzduchu proudícího nad otvory dutin je jedním z nejvýznamnějších a nejintenzivnějších zdrojů aerodynamic-ky generovaných hluků. Výpočetní aeroakustika (CAA) založená na CFD simulacích stlačitelných Navierových-Stokesových rovnic nabízí nejobecnější možnosti pro predikci aerodynamicky indukovaných zvuků. Aeroakustika je prakticky vždy spojena s turbulentním prouděním, které je hlavní výzvou pro CFD simulace při řešení Navierových-Stokesových rovnic. V této práci jsou zkoumány čtyři různé přístupy modelování turbulence. Tři z nich patří do kategorie LES metod a jeden používá přístup URANS. Pro každý z těchto přístupů byla identifikována vhodná numerická diskretizační a iterační schémata, která byla implementována do otevřené softwarové platformy pro CFD simulace OpenFOAM. Přesnost, výpočetní výkonnost a spolehlivost konvergence těchto schémat byly studovány během třídimenzionálních CFD simulací na modelu vhodného reálného objektu. Výsledky CDF simulací jsou validovány měřením. Jako reálný objekt tohoto výzkumu CAA byla vybrána varhanní píšťala, protože jako zdroj generování tónů využívá samočinné oscilace, označované jako módy smykové vrstvy (Rossiter). Numerická simulace módů smykové vrstvy, respektive hluku generovaného nestabilitami ve smykové vrstvě, je předmětem této práce., Predicting and inhibiting aerodynamically generated noise for fast moving vehicles such as cars, aircraft and trains is increasingly important. The tonal noise generated by the shear-layer instability of air flowing around the cavity opening is especially one of the most significant and most intense sources of aerodynamically generated noise. Computational aeroacoustics (CAA) based on the CFD simulations of compressible Navier-Stokes equations offers the most general approach to predicting those aerodynamically induced sounds. Aeroacoustics is practically always associated with turbulent flow and turbulence is the major challenge for CFD simulations. Four different turbulence modelling approaches are examined in this work. Three of them belong to the LES method category and one uses the URANS approach. Appropriate numerical discretization and iteration schemes have been identified for each of these approaches and implemented in the OpenFOAM open source CFD platform. The accuracy, computational performance and convergence reliability of those schemes have been subsequently studied during three-dimensional CFD simulations on a model of a suitable real object. The CFD simulation results are validated by a measurement. An organ pipe has been chosen as the object of this CAA research because it uses self-sustained oscillations, commonly referred as shear-layer (Rossiter) modes, as the source of its tone generation. The numerical simulation of the shear layer modes, respectively the noise generated by instability in the shear layer, is the subject of this work.