Nowe polimerowe systemy sensoryczne typu Pressure Sensitive Paints do testów aerodynamicznych na potrzeby dokładnego prognozowania wpływu konstrukcji budowlanych na ryzyko występowania niekorzystnych zjawisk atmosferycznych oraz komfort wiatrowy przechodniów na terenach zurbanizowanych

Kosmiczna technologia pomoże w mapowaniu rozkładu ciśnienia na wieżowcach

„Na etapie projektowania budynków wysokościowych, które znajdują się w centrach dużych miast, konieczne jest wykonanie testów aerodynamicznych, aby określić odporność tych budynków na działanie wiatru. W tym celu wykonuje się mapowanie czyli mierzenie rozkładu ciśnienia powietrza na powierzchni tych budynków. W naszych badaniach do tego typu pomiarów wykorzystujemy technologię luminescencyjnych powłok czułych na ciśnienie, stosowaną również przez NASA, m.in. do testowania promów kosmicznych. Badamy, jak najlepiej dostosować ją do testów aerodynamicznych wykonywanych na potrzeby dokładnego prognozowania wpływu konstrukcji budowlanych na ryzyko występowania niekorzystnych zjawisk atmosferycznych oraz komfort wiatrowy przechodniów” – mówi dr inż. Maciej Pilch z Laboratorium Inżynierii Wiatrowej Wydziału Inżynierii Lądowej Politechniki Krakowskiej im. Tadeusza Kościuszki. Badania są finansowane z programu Fundusze Europejskie dla Nowoczesnej Gospodarki (FENG) w ramach działania Proof of Concept realizowanego przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej.

Jak wyjaśnia naukowiec, mapowanie rozkładu ciśnienia na powierzchni wieżowców jest konieczne, aby zapewnić zarówno bezpieczeństwo, jak i komfort mieszkańcom i użytkownikom tych budynków. A także przechodniom, ponieważ w okolicach budynków wysokościowcach, zwłaszcza w tunelach między nimi, mogą tworzyć się wiry powietrzne, utrudniające poruszanie się pieszym. Co więcej, tzw. tunelowanie wiatru, sprawia że wiatr osiąga na tyle duże prędkości, iż może prowadzić to do odrywania się różnych elementów z elewacji budynków, co stanowi ogromne zagrożenie dla przechodniów. Dlatego w niektórych krajach świata testy aerodynamiczne wieżowców są obowiązkowe w świetle prawa.

Hipoteza badawcza sprawdzana w projekcie Proof of Concept zakłada możliwość wykorzystania do testów aerodynamicznych budynków wysokościowych nowego typu systemów Pressure Sensitive Paints (PSP). Są to specjalne farby luminescencyjne, czułe na zmiany ciśnienia. Zespół dr. inż. Pilcha udoskonalił istniejące już wcześniej na rynku systemy PSP, stosowane np. przez NASA. Zaletami nowo opracowanych powłok są m.in. zwiększona czułość tych układów na zmiany ciśnienia w zakresie ciśnień stanowiącym przedmiot zainteresowania inżynierii wiatrowej budowli, a także możliwość pomiaru ciśnienia wywieranego przez dowolne medium (gaz, ciecz, ciało stałe), co otwiera przed tego typu systemami nowy obszar zastosowań.

„Aby sprawdzić użyteczność nowo opracowanych przez nas systemów PSP dla testów aerodynamicznych wieżowców, prowadzimy modelowe testy aerodynamiczne przykładowych budynków wysokościowych z zastosowaniem tych systemów i porównujemy uzyskiwane wyniki z wynikami analogicznych testów, prowadzonych przy pomocy klasycznych technik punktowych czujników ciśnienia w tunelu aerodynamicznym Laboratorium Inżynierii Wiatrowej Politechniki Krakowskiej. Nowa, zaproponowana przez nas technologia mapowania ciśnienia na powierzchni budynków jest nie tylko tańsza od klasycznych czujników, ale również znacznie łatwiejsza do zastosowania np. w przypadku coraz częściej projektowanych, nowoczesnych architektonicznie budynków o skomplikowanej geometrii przestrzennej. Porównując zaproponowane przez nas systemy PSP do obecnie powszechnie stosowanych siatek punktowych czujników ciśnienia, można stwierdzić, iż nasze systemy cechują się znacznie (co najmniej kilkaset razy) większą rozdzielczością przestrzenną oraz umożliwiają wykonywanie dokładnych pomiarów na krawędziach i w narożnikach badanych modeli, co jest nieosiągalne przy pomocy systemów klasycznych” – tłumaczy dr inż. Maciej Pilch.

Nowa technologia może znaleźć zastosowanie nie tylko przy projektowaniu nowych budynków, ale również może być bardzo przydatna przy przebudowach i modernizacjach budynków już istniejących. Ponadto może służyć do mapowania rozkładu ciśnienia na mostach i innych konstrukcjach narażonych na działanie wiatru.

Wykonawcy projektu planują opatentowanie opracowanego rozwiązania oraz rozważają założenie spółki z udziałem Politechniki Krakowskiej, w ramach której będzie prowadzona produkcja i sprzedaż gotowego produktu. Alternatywą jest sprzedaż praw do tego rozwiązania zainteresowanej nim firmie.

Dr inż. Maciej Pilch jest absolwentem Wydziału Inżynierii i Technologii Chemicznej Politechniki Krakowskiej. Tam też obronił pracę doktorską, którą realizował w trybie interdyscyplinarnym w ramach programu POLIDOCTUS. Pełnił/pełni rolę kierownika w pięciu projektach badawczych i wdrożeniowych: TRL 4.0. „Inkubator Innowacyjności 4.0” MNiSW, Diamentowy Grant MNiSW PRELUDIUM 20 NCN, LIDER XII NCBiR oraz Proof of Concept FNP. Jest współautorem 21 artykułów i 6 patentów. Ponadto jest laureatem kilku nagród z obszaru inżynierii chemicznej oraz inżynierii wiatrowej: m.in. w 2019 r. zajął I miejsce w konkursie „Młodzi Innowacyjni”, jest też laureatem Nagrody Fundacji Wspierania Młodych Talentów Profesora Janusza Magiery przy Politechnice Krakowskiej. Zainteresowania naukowe dr. inż. Macieja Pilcha obejmują fotochemię, elektrochemię, inżynierię wiatrową, badania aerodynamiczne i druk 3D. Obecnie pracuje na stanowisku adiunkta w Laboratorium Inżynierii Wiatrowej na Wydziale Inżynierii Lądowej Politechniki Krakowskiej, gdzie realizując projekt Proof of Concept, kontynuuje tematykę systemów Pressure Sensitive Paints, którą zajmował się w ramach swojej pracy dyplomowej inżynierskiej, magisterskiej i doktorskiej.