Adrian Koźluk z nagrodą za najlepszą pracę magisterską

Nasz absolwent Adrian Koźluk z Wydziału Mechanicznego Energetyki i Lotnictwa zdobył 1. miejsce (ex aequo z Dominikiem Buksą z AGH) w ogólnopolskim konkursie na najlepszą pracę magisterską dotyczącą zastosowania metod obliczeniowych do symulacji procesów cieplno-przepływowych. Konkurs, organizowany przez zespół pracowników Katedry Techniki Cieplnej Politechniki Śląskiej pod kierunkiem prof. Ryszard Białeckiego, odbył się już po raz 19. 

Na początku lipca w siedzibie firmy HitachiEnergy w Krakowie odbył się finał konkursu, podczas którego uczestnicy prezentowali swoje prace dyplomowe. Ocenie jurorów poddano jakość prezentacji oraz zawartość prac dyplomowych finalistów. 

Nagrodzona praca magisterska z PW

Praca Adriana Koźluka pt. "Metamateriał redukujący rozpraszanie wsteczne fal wodnych w falowodach z zakrętami" powstała pod kierunkiem dr. inż. Tomasza Bobińskiego. Autor zauważył, że w ostatnim czasie obserwuje się coraz większe zainteresowanie materiałami wykazującymi nietypowe właściwości w zakresie modyfikacji propagacji fal. Zastosowania takich materiałów, zwanych metamateriałami, zwykle nie ograniczają się do jednego typu fal, ale mogą być one wykorzystywane zarówno w mechanice płynów, jak i w akustyce czy elektromagnetyzmie.

Głównym tematem badań przedstawionych w pracy jest propagacja grawitacyjnych fal wodnych w falowodach z ostrymi załamaniami. Naturalnie, przy pokonywaniu tego typu zakrętów, fale w dużym stopniu ulegają odbiciu, co może być niekiedy zjawiskiem niepożądanym. Powstaje zatem pytanie, czy możliwe jest zminimalizowanie tego efektu, nazywanego rozpraszaniem wstecznym fali, dzięki odpowiedniemu dostosowaniu falowodu. W tym celu rozważony został anizotropowy metamateriał, składający się z szeregu blisko rozmieszczonych pionowych płytek. Z opisu teoretycznego wynika, że przejawia on cechy materiału o ujemnym współczynniku załamania, a jedną z jego najbardziej znamiennych własności jest to, że w odpowiednim ułożeniu wykazuje zdolność do całkowitego przewodzenia fal dowolnej długości. Przeprowadzone zostały badania numeryczne i eksperymentalne, mające na celu sprawdzenie, czy taki efekt jest możliwy do uzyskania w wymienionych falowodach.

W pierwszej kolejności wykonane zostały symulacje przy użyciu Metody Elementów Skończonych. Rozważone zostały falowody z jednym i dwoma zakrętami. Metamateriał był modelowany bezpośrednio jako zestaw płytek, ale także, z wykorzystaniem techniki homogenizacji, jako ośrodek efektywny. Oba podejścia okazały się być równoważne przy odpowiednio dużej liczbie płytek. Wyniki symulacji pokazały, że w falowodach z zarówno jednym, jak i dwoma zakrętami, użycie metamateriału prowadzi do znacznego zmniejszenia rozpraszania wstecznego, pod warunkiem, że płytki są wystarczająco cienkie. W szczególności dla nieskończenie cienkich płytek, zgodnie z teorią, uzyskiwane jest perfekcyjne przewodzenie. Okazało się także, że własności falowodów z wieloma załamaniami mogą zostać przewidziane na podstawie wyników dla pojedynczego zakrętu dzięki analogii do rezonatora Fabry'ego-Pérota.

Następnie autor wykonał badania eksperymentalne dla falowodu z dwoma skrętami z wykorzystaniem kilku wariantów metamateriału. Pomiary położenia powierzchni swobodnej wody w czasie odbywały się przy użyciu Profilometrii Fourierowskiej (FTP). Okazało się, że zastosowanie metamateriału skutkuje zdecydowanym obniżeniem współczynnika odbicia we wszystkich rozważonych konfiguracjach. Najniższe poziomy rozpraszania wstecznego osiągane są dla gęsto ułożonych płytek, z kolei, ze względu na straty, transmisję maksymalizuje pojedyncza płytka.

Rezultaty badań potwierdziły, że rozpatrywany metamateriał jest, w istocie, zdolny do znaczącego zmniejszenia refleksji w falowodach tego typu, przy jednoczesnym zwiększeniu przewodzenia fal. Efekt ten jest wyłącznie w niewielkim stopniu zależny od długości fali w zakresie unimodalnej propagacji i odnosi się nie tylko do fal wodnych, ale do dowolnego problemu opisanego dwuwymiarowym równaniem Helmholtza z warunkami brzegowymi typu Neumanna.