BOHUNSKÝ, T. Kavitace na mikrofluidické clonce [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství. 2021.

Posudek vedoucího

Rudolf, Pavel

Student se ve své práci zabývá problematikou kavitace v oblasti mikrofluidiky. Výhodou mikrofluidiky je realizace experimentů s velmi malým množstvím kapaliny, což např. umožňuje využít velmi přesných analytických metod, které ale pracují s drahými chemikáliemi. V tomto případě byla mikrofluidika zkoušena pro potenciální odstraňování estrogenů ze znečištěné vody. Student ve své práci předložil velmi zdařilou rešerši problematiky, která je vhodným úvodem do problematiky a mohou ji využít i další navazující studenti. Dále dokumentuje konstrukci a sestavení mikrofluidického obvodu s mikročipem pro generování kavitace na clonce. Návrh se opírá o předchozí v literatuře nalezené experimenty a o vlastní CFD modelování. Výroba čipu dle výkresové dokumentace byla zajištěna externě. Mikrofluidický obvod sestavený studentem, ale bez čipu, byl funkční. Naneštěstí při realizaci experimentu došlo k zneprůchodnění jeho nejužší části (trojúhelníkový průřez se základnou 62 mikrometrů) nečistotou a již se nepodařilo průchodnost obnovit. Hydrodynamická kavitace na mikročipu je tedy zachycena pouze na studentem realizovaných vícefázových simulacích. Bohužel provedení a dokumentace simulací není na dobré úrovni, student také mohl vyvinout více úsilí a vlastní invence při začátku řešení diplomové práce. Na druhou stranu je nutné konstatovat, že vzhledem k exp. charakteru byla diplomová práce částečně poznamenána nemožností přístupu do laboratoře. Práci doporučuji k obhajobě.

Posudek oponenta

Burda, Radim

Autor se zabývá velmi zajímavým tématem kavitačního proudění na mikrofluidické clonce. V rešeršní části shrnuje mikrofluidiku s důrazem na kavitaci v mikrofluidických systémech. Dále je značná část práce věnována materiálům a technologiím výroby. Autor kvalitně pracuje s literaturou, za povšimnutí stojí značné množství zdrojů podkládajících jednotlivá tvrzení. Text je většinu času čtivý, výjimku představují jen rozvláčnější historické pasáže. Autor se nevyhnul některým chybám z nepozornosti. Např. kapitola 9 obsahuje chybu hned v nadpisu a při úpravě obr. 5.1 došlo ke ztrátě informace o budícím tlaku. Rešerše je graficky kvalitně zpracována, text je logicky uspořádán. I přestože by rešeršní část mohla být rozsáhlejší, slouží jako dostatečný úvod do problematiky. Bohužel se zároveň jedná o nejsilnější část práce. Autor se v praktické části práce zabýval návrhem mikrofluidického čipu, ve kterém bude docházet při průchodu kapaliny přes clonku ke kavitaci. Rozměry clonky byly převzaty z práce Medrano a kol. [9] a mírně upraveny, aby bylo možné snímat kavitační oblast mikroskopem. Následně byla provedena CFD simulace, jejímž cílem bylo ověřit, zda na navržené clonce dochází ke vzniku kavitace, nicméně metodologie simulace není dostatečně popsána. Upravená geometrie s doménou před a za clonkou by si určitě zasloužila okótovaný obrázek a vysvětlení, proč byly dané rozměry zvoleny. Dále jsou při tvorbě výpočetní sítě jako měřítko kvality uváděny hodnoty skewness a aspect ratio pro nejčetnější hodnoty, přičemž více vypovídající by byly hodnoty v kritické oblasti clonky (doplněny o příslušný obrázek) a hodnoty nejméně kvalitních buněk. Vůbec největším problémem je ovšem absence jednotlivých metod a diskretizačních schémat, které byly v rámci simulace použity. Simulaci proto nelze na základě diplomové práce zreprodukovat a ověřit. V textu dále není jasné, podle čeho byla určena validita simulace. Nejsou uvedeny hodnoty residuí, kontrola zákona zachování hmotnosti, ani ustálenost sledované veličiny či ověření použitelnosti stěnových funkcí v podobě výpisu veličiny y+. Velmi nestandardní je také zpracování výsledků, kdy je předložen pouze jeden obrázek tlakového pole v celém objemu bez provedení řezů či detailu kritické oblasti. Negativní absolutní hodnota tlaku (pohybující se až okolo -450 kPa) sice může bez použití vícefázového modelu nastat, nicméně by si určitě zasloužila komentář. V následující kapitole autor popisuje realizaci čipu od výroby až ke kompletaci. Výsledná podoba mikročipu se s ohledem na zvolenou metodu obrábění výrazně liší od původního návrhu, nicméně přesnější výroba by vyžadovalo značně vyšší finanční prostředky. Změny mezi navrhovanou a výslednou clonkou, kompletace čipu a logika za jednotlivými rozhodnutími jsou dostatečně popsány. Dále byl proveden experiment přítomnosti kavitace na vyrobeném čipu. Experimentální okruh by mohl být lépe popsán, v práci je místo popisu jednotlivých dílů pouze odkázáno na bakalářskou práci Mikrofluidický obvod [11]. Vyzdvihl bych kvalitně graficky zpracovaný obrázek celého obvodu a popis rozdílů oproti předchozímu měřicímu okruhu. Po prvním experimentu, kdy k výskytu kavitace nedošlo, navrhl autor úpravu obvodu, nicméně již nebyla možná její realizace z důvodu zacpání clonky, kterou se poté nepodařilo vyčistit. Experiment proto nemohl proběhnout. Autor dále přináší doporučení a úpravy pro budoucí experiment a diskuzi, proč nedošlo při prvním experimentu ke kavitaci. Zde bych ocenil zahrnutí srovnání s prací, ze které byla převzata geometrie clonky. U řady doporučení by byl vhodný komentář, proč nebyla zakomponována již před samotným experimentem. Dále bych ocenil uvedení vizuálních výsledků jediného uskutečněného experimentu. Práce je na závěr doplněna o vícefázovou CFD simulaci upravené clonky, nicméně simulace vykazuje stejné nedostatky jako předchozí jednofázová simulace. S ohledem na náročnost vícefázových simulací a jednoduchost geometrie clonky by určitě bylo přínosné provést diskretizaci konformní hexahedrální sítí. Největší problémem je opět neuvedení výpočtových modelů, zvláště pak modelů vícefázového proudění a přestupu hmoty mezi jednotlivými fázemi, a absence zhodnocení ukazatelů konvergence. Celkově práce působí velmi uspěchaným dojmem. S ohledem na neúspěšný experiment a nekvalitně zpracované CFD simulace, u kterých nelze na základě práce nijak posoudit jejich validitu, není přínos práce bohužel značný. Na druhou stranu je nutné uvést, že práce s mikrofluidickými systémy s sebou přináší množství úskalí, ať už z hlediska výrobních procesů, obtížné kompletace či velké náchylnosti k zanášení, ale taky z hlediska náročných simulací v mikroskopickém měřítku. Práci i přes velkou řadu nedostatků doporučuji k obhajobě, kde doufám, že autor dokáže vyzdvihnout její kvality.

eVSKP id 132742