Témata doktorského studia

Aktuální témata doktorského studia pro studijní program Energetické inženýrství na ak. rok 2021 / 2022 vedených na Energetickém ústavu.

  • V případě, že máte zájem o jiné vlastní téma z oblasti energetiky, neváhejte nás kontaktovat.
  • Pokud budete mít o některé z nabízených témat zájem, je třeba co nejdříve kontaktovat příslušného školitele.
  • Témata jsou rozdělena podle pracoviště školitele:

Témata doktorského studia na Odboru energetického inženýrství


(1) Hodnocení životního cyklu systémů power-to-X v podmínkách moderní energetiky

Téma se věnuje podrobnému hodnocení perspektivních systémů akumulace elektrické energie založených na technologii Power-to-X. Hodnocení bude zaměřeno na celý životní cyklus systémů, vytvoření bilančního matematického modelu systémů P2X pro korektní hodnocení efektivnosti jeho využití v geografických podmínkách ČR.

Školitelem doktoranda bude doc. Ing. Jiří Pospíšil, Ph.D.


(2) Výpočtové modelování fluidní vrstvy malých spalovacích zdrojů

V rámci tématu bude řešen popis procesů ve fluidní vrstvě malého spalovacích zařízení se zaměřením na korektnost postihnutí fluidních i termických charakteristik. Při řešení bude využito numerické modelování založené na metodě kontrolních objemů a experimentální měření na modelu fluidní vrstvy. Získané znalosti umožní vytvořit zpřesněný výpočtový model fluidní vrstvy s přidávanou heterogenní frakcí paliva.

Školitelem doktoranda bude doc. Ing. Jiří Pospíšil, Ph.D.


(3) Vývoj metod oxy-fuel spalování a komponent cyklů se záchytem oxidu uhličitého

Oblast separace plynů je velmi obsáhlá a metod, kterými lze separace dosáhnou je celá řada. V poslední době se intenzivně využívá separace plynů pomocí tuhých nosičů na bázi kovu nebo vápence. Pomocí těchto smyček lze separovat např. kyslík ze vzduchu nebo oxid uhličitý ze spalin, ale proces má i mnoho dalších využití. Náplň výzkumu a vývoje v rámci doktorského studia bude spočívat ve zkoumání těchto procesů pro možností separace vzdušného kyslíku pro spalování tuhých paliv. Téma je napojené na plánované projekty.

Školitelem doktoranda bude doc. Ing. Marek Baláš, Ph.D.


(4) Separace a čištění vodíku z odpadních plynů

Téma získávání, skladování a následného využití vodíku je v současné době velice aktuální. Hlavní směr je zaměřený na možnost využívání získávání vodíku pomocí přebytku elektřiny v síti. Náplň výzkumu a vývoje během doktorského studia bude spočívat v hledání možností získávání čistého vodíku jinými cestami. Jako zdroj vodíku budou sloužit odpadní plyny (důlní plyn, koksárenský plyn) nebo plyny generované zplyňováním biomasy. Konkrétní cesta separace vodíku bude předmětem úvodu doktorského studia a provedené studie současného stavu poznání. Téma je napojené na plánované projekty.

Školitelem doktoranda bude doc. Ing. Marek Baláš, Ph.D.


Témata doktorského studia na Odboru termomechaniky a techniky prostředí


(1) Příprava a spalování kapalných paliv ve spalovacích komorách turbínových motorů

Energetické nároky leteckých pohonů budou ještě dlouhou dobu vyžadovat zdroje s vysokou energetickou hustotou, tedy zejména turbínové pohony. Rostoucí nároky na ekologii, ekonomiku provozu i výkonové parametry vyžadují kontinuální vývoj těchto zařízení, lepší pochopení a pokročilé řízení procesů, které ovlivňují jejich funkci. Na pracovišti se dlouhodobě zabýváme výzkumem a vývojem trysek pro rozstřik leteckých paliv do spalovacích komor turbínových motorů. Po vyřešení návrhu samotných trysek a mechanické interakce spreje s okolním plynem je nutné se zabývat dalšími fázemi procesu, tedy odpařováním a spalováním tohoto paliva se zahrnutím moderních trendů v turbomotorech. Současnou ambicí je vytvořit pracoviště, které umožní tento výzkum a vývoj pokročilých proudových motorů. Doktorand bude řešit přípravu zkušebního zařízení, provádět na něm experimenty s využitím moderní optické diagnostiky a v kombinaci s CFD simulacemi přispěje k lepšímu pochopení relevantních procesů.

Školitelem doktoranda bude prof. Ing. Jan Jedelský, Ph.D.


(2) Vývoj pokročilých sprejových řešení pro zachycování CO2

Aplikace pro odlučování a čištění plynů, které jsou založené na kapalných sorbentech závisí na účinnosti přenosu hmoty na rozhraní plyn-kapalina. Rozstřik kapalin je častou metodou zvyšování kontaktního rozhraní v procesech, kde dochází k mechanické, tepelné nebo chemické interakci kapaliny s okolním plynem. Maximalizace mezifázového rozhraní je univerzálním primárním požadavkem v problémech přenosu hmoty absorbcí mezi plynem a kapalinou. Atomizér pro sprejové čištění by měl produkovat rovnoměrný sprej s průměrem kapek dostatečně malým, aby co nejvíce zvětšil mezifázovou plochu, a zároveň dostatečně velkým, aby nedocházelo k nadměrnému unášení kapaliny plynem. Bude studováno několik strategií pro rovnoměrnou produkci filmu / kapek a zvýšení přenosu hmoty mezi plynnou a kapalnou fází. Hlavním cílem bude redukce polydisperzního spreje s výběrem nejkonkurenceschopnější atomizační techniky a její další vývoj s využitím modifikace reologie kapaliny (nenewtonské kapaliny, organické přísady). Mezi další možnosti patří zlepšení procesu turbulentního míchání pomocí vnějších sil (indukce ultrazvukového záření, zavíření v rozstřikové věži). Bude studována citlivost procesu zachycování CO2 na výše uvedené aspekty.

Školitelem doktoranda bude prof. Ing. Jan Jedelský, Ph.D.


(3) Palivové trysky malých turbínových motorů

Palivové soustavy malých turbínových motorů využívají různé způsoby přívodu paliva do spalovací komory, vyskytují se tak různé konstrukce palivových trysek. Palivové trysky jsou velmi důležitou součástí celé soustavy, jejich správná funkce je nutností pro zajištění dostatečné účinnosti motoru. Palivová soustava musí dodávat přesné a v daném okamžiku potřebné množství paliva do spalovací komory. Důležité je zajistit dobré rozprášení a odpaření paliva a jeho smíchání se vzduchem a to v celém rozsahu otáček a zejména při startu. Práce má za úkol provést klasifikaci používaných palivových trysek v turbínových motorech s maximálním tahem do 5000 N a dále se zaměřit na detailní popis odpařovacího systému a jeho používaných modifikací. Hlavním předmětem práce je vývoj a zkoušení stávající odpařovací trysky. Doktorand připraví zkušební stend pro provoz trysky, osadí jej potřebnými snímači a bude na něm zkoumat charakteristiky uvedených systémů v daném rozsahu provozních, posoudit jejich vhodnost pro konkrétní účely a systém dále vyvíjet se zaměřením na jeho problematické aspekty.

Školitelem doktoranda bude prof. Ing. Jan Jedelský, Ph.D.


(4) Vývoj balonového hořáku

Předmětem studia je atmosferický plynový vícetryskový hořák užívaný pro balonové létání. Tyto hořáky se vyvíjí pomalými krůčky desítky let a stará a osvědčená koncepce dnes nesplňuje požadavky na komfortní let. Problémové okruhy jsou zejména: omezit kondenzát vody ze vzduchu na trubicích výměníku paliva, černé dohořívání plamene, špatný přístup vzduchu, snížení sálavého tepla, požadavky na geometrii plamene s ohledem na aplikaci a snížení hluku. Jde o řadu protichůdných požadavků, které vyžadují systematický přístup a dostatečné pochopení problému. V rámci práce bude proveden teoretický rozbor a vytvořen matematicko-fyzikální model procesů včetně experimentálního ověření. Při vývoji budou využity experimentální a hlavně simulační metody. Doktorand má za úkol popsat fenomenologicky relevantní jevy, kvantifikovat relevantní veličiny a navrhnout perspektivní řešení s ohledem na efektivitu a technická, ekonomická, legislativní a jiná omezení.

Školitelem doktoranda bude prof. Ing. Jan Jedelský, Ph.D.


(5) Pokročilé matematické metody pro řešení inverzních úloh přenosu tepla

V počítačovém modelování mnoha technických aplikací zahrnujících přenos tepla a látky je zapotřebí inverzně charakterizovat termofyzikálních vlastnosti a/nebo počáteční a okrajové podmínky z tepelného chování systému v čase. Téma je zaměřeno na aplikaci pokročilých matematických metod, např. neuronových sítí a umělé inteligence, pro řešení těchto inverzních úloh. Problematika je provázána s aktuálně řešenými projekty (ukládání tepelné energie a výroba oceli) a na související téma je připravován projekt základního výzkumu. Pracoviště disponuje plným výpočetním vybavením pro komplexní numerické simulace.

Školitelem doktoranda bude doc. Ing. Lubomír Klimeš, Ph.D.


(6) Flexibilní energetické zdroje využívající inovativní termodynamické cykly

Vývoj v oblasti energetického inženýrství se v posledních letech zaměřuje na zvyšování flexibility a účinnosti velkých energetických zdrojů využíváním malých a dynamických kogeneračních jednotek, decentralizovaných energetických zdrojů či systémů využívajících obnovitelné zdroje energie. Téma je zaměřeno na analýzu, modelování a optimalizaci těchto systémů, které využívají inovativní termodynamické cykly s nízkoteplotními zdroji tepla, např. v nadkritickém cyklu s oxidem uhličitým nebo v organickém Rankinově cyklu.

Školitelem doktoranda bude doc. Ing. Lubomír Klimeš, Ph.D.


(7) Modelování transportu inhalovaných vláken v dýchacích cestách

Vdechovaná vlákna představují na jedné straně problém, pokud se jedná o toxické částice jako např. azbest, nanovlákna či minerální mikrovlákna. Na druhé straně ovšem představují potenciálně ideální nosič léčiva, pokud by byla v biodegradabilním provedení a bylo by možné je přesně cílit na konkrétní místo v dýchacím systému. Jak pro toxické, tak léčebné účinky vláken je klíčová jejich schopnost pronikat hluboko do plic. Počítačové modelování v současnosti naráží na nedostatek experimentálních dat o proudění reálných vláken v komplexních, postupně se větvících kanálech, jakými jsou lidské plíce. Cílem práce proto bude experimentálně a numericky modelovat transport vláken, změny jejich orientací při průchodu větvením dýchací cesty, interakci se stěnou a samotnou depozici.

Školitelem doktoranda bude doc. Ing. František Lízal, Ph.D.


(8) Využití materiálů se změnou skupenství (PCM) pro zvýšení účinnosti pracovních cyklů tepelných čerpadel a chladících zařízení

Cílem je prozkoumat možnosti využití PCM v tepelných cyklech kompresorových tepelných čerpadel a chladicích zařízení za účelem zvýšení energetické účinnosti pracovního cyklu. Možnosti použití PCM budou nejprve prozkoumány pomocí počítačových simulací pracovního cyklu. Nejvhodnější řešení budou ověřena experimentálně na modelovém kompresorovém zařízení.

Školitelem doktoranda bude doc. Ing. Pavel Charvát, Ph.D.


(9) Zvýšení přenosu tepla konvekcí při kondenzaci par v případě proudění směsí nekondenzujících plynů a par

Kondenzace par obsažených v nekondenzujícím plynu vede k zintenzivnění přestupu tepla konvekcí. Téma je zaměřeno na studium tohoto problému, především s ohledem na kondenzaci vodní páry ve výměnících tepla, kterými proudí vlhký vzduch.

Školitelem doktoranda bude doc. Ing. Pavel Charvát, Ph.D.


(10) Využití materiálů se změnou skupenství (PCM) pro zvýšení účinnosti pracovních cyklů tepelných čerpadel a chladících zařízení

Cílem je prozkoumat možnosti využití PCM v tepelných cyklech kompresorových tepelných čerpadel a chladicích zařízení za účelem zvýšení energetické účinnosti pracovního cyklu. Možnosti použití PCM budou nejprve prozkoumány pomocí počítačových simulací pracovního cyklu. Nejvhodnější řešení budou ověřena experimentálně na modelovém kompresorovém zařízení.

Školitelem doktoranda bude doc. Ing. Pavel Charvát, Ph.D.


Témata doktorského studia na Odbor fluidního inženýrství Viktora Kaplana


(1) Analýza a matematický popis pohybu a chování kruhových vírových vláken

Kruhová vírová vlákna, nebo také vírové kroužky jsou jednou z poměrně stabilních forem existence vírových vláken. Vírové kroužky se v proudící kapalině vyskytují velice často jen je nejsou vidět. Je mnoho experimentů, které ukazují zajímavé chování vírových kroužků. Cílem této práce bude hledat matematické či numerické řešení pohybu vírového kroužku v kapalině. Případně bude řešena vzájemná interakce dvou vírových kroužků.

Školitelem doktoranda bude doc. Ing. Jaroslav Štigler, Ph.D.


(2) Analýza turbulentního rychlostního profilu v trubce mezikruhového průřezu

Předmětem výzkumu je turbulentní časově středovaný rychlostní profil v oblasti mezi dvěma souosými válci různého poloměru. Kapalina se pohybuje ve směru osy válců vlivem tlakového spádu. Přičemž se jedná o případ, kdy je poměr šířky mezery vůči poloměru vnějšího válce nezanedbatelný. Cílem je odvodit analytický vztah pro takovýto rychlostní profil. Parametry potřebné pro takovýto analytický vztah budou určeny na základě numerického modelování, případně srovnáním s experimentálními daty. Vše bude provedeno pro řadu hodnot Reynoldsova čísla (Re) tak, aby se daly určit funkční závislosti těchto parametru na Re.

Školitelem doktoranda bude doc. Ing. Jaroslav Štigler, Ph.D.


(3) Radiálně – axiální čerpadlo s protiběžnými koly

Téma se zabývá řešením vícestupňového čerpadla (radiálně axiálního), kde bude vyřazeno vratné kolo a nahrazeno protirotací dalšího oběžného kola. Toto řešení bude aplikováno na čerpadla nižších rychloběžností, tedy na kola radiálně-axiální.

Školitelem doktoranda bude doc. Ing. Miloslav Haluza, Ph.D.


(4) Regulované vestavby v savce vírové turbíny

Oběžné kolo vírové turbíny dává z principiálního návrhu do savky rotující proudové pole. Savka turbíny však zpracuje pouze meridiální složku celkové rychlosti. Regulované vestavby v savce turbíny by mohly zvýšit celkovou účinnost stroje přeměnou obvodové složky rychlosti ve složku meridiální.

Školitelem doktoranda bude doc. Ing. Miloslav Haluza, Ph.D.


(5) Pokročilé oxidační technologie pro desinfekci vody založené na interakci hydrodynamické kavitace a plazmového výboje

Synergie hydrodynamické kavitace a plazmového výboje je základem úspěšného zařízení CaviPlasma, jehož myšlenka pochází z odboru fluidního inženýrství. Výkonnost zařízení byla potvrzena při desinfekci vody znečištěné různými biologickými i chemickými kontaminanty. Nicméně zůstává velké množství otevřených otázek týkajících se vzájemného ovlivňování mezi kavitační oblastí a plazmovým výbojem nebo nové nápady na zvýšení efektivity zařízení. Jedná se o velmi atraktivní multidisciplinární téma s vysokým inovačním potenciálem.

Školitelem doktoranda bude doc. Ing. Pavel Rudolf, Ph.D.


(6) Využití fraktální geometrie v mechanice tekutin

Fraktální geometrie je založena na soběpodobných tvarech velmi často se vyskytujících v přírodě (např. listy rostlin). Nabízí se jejich použití i při návrhu tvarů některých prvků a zařízení pracujících s tekutinami, kde by mohly vést ke snížení tlakových ztrát , tlakových pulzací, případně rozšíření pracovní oblasti nebo zlepšit proces míchání. Výzkum v rámci dizertační práce bude pokračováním prací na odboru již úspěšně zahájených (návrhy fraktálních clon) a bude se opírat jak o výpočtové tak i experimentální modelování.

Školitelem doktoranda bude doc. Ing. Pavel Rudolf, Ph.D.


(7) Studie dynamiky kavitace vyvolané vírovými strukturami

Proudění s výskytem vírových struktur je nedílnou součástí provozu většiny hydraulických strojů. Někdy se může jednat o děj chtěný, bez kterého by dané zařízení nemohlo fungovat, jindy se může jednat o děj nechtěný, který naopak může způsobit až fatální následky v provozu daného zařízení. V případě, že je výskyt vírových struktur doplněn o vznik kavitující oblasti (zejména v důsledku lokálního snížení tlaku pod tlak sytých par), tak je tento děj doprovázen významnou dynamikou proudového pole propagující se do celého hydraulického systému. Cílem dizertační práce bude studium výše pospaného jevu s ohledem na detailní popis mechaniky vzniku a projevu kavitujících vírových struktur. K tomu bude využito pokročilého CFD modelování vícefázového proudění a experimentálního měření.

Školitelem doktoranda bude doc. Ing. Pavel Rudolf, Ph.D.


(8) Výpočtový model kavitační eroze

Při provozu hydraulických strojů a zařízení může docházet ke kavitaci, tj. lokálnímu vzniku bublinek páry v oblastech nízkého tlaku. Při následné kondenzaci (kolapsu) bublinek jsou generovány výrazné tlakové impulzy, které způsobují poškození obtékaného povrchu. Cílem doktorského studia je vytvoření popisu chování bublinek páry a následně předpovědi míst poškození a její intenzity, tedy tvorba tzv. modelu kavitační eroze. Model vychází především z numerického řešení Rayleigh-Plessetovy rovnice a CFD simulací, která popisuje změnu průměru bubliny v proměnném tlakovém poli. Model bude validován experimentálně v laboratořích odboru na exp. okruhu pro zkoušení kavitační eroze a ve spolupráci s materiálovými inženýry. Předpokládá se spolupráce se spřátelenými zahraničnímu pracovišti.

Školitelem doktoranda bude doc. Ing. Pavel Rudolf, Ph.D.


(9) Aktivní řízení kavitujícího proudění

Aktivní řízení znamená cílené ovlivňování proudění se záměrem potlačení nechtěných jevů např. odtržení mezní vrstvy, vzniku vírů apod. Je současným trendem v oblasti letecké nebo automobilové aerodynamiky. Cílem doktorského studia je prozkoumání možností řízeného potlačování kavitace v hydraulických strojích (např. vstřikováním vody) tak, aby bylo umožněno rozšíření jejich provozního pásma. Výzkum bude prováděn za pomoci výpočtového modelování i experimentálně v laboratoři odboru.

Školitelem doktoranda bude doc. Ing. Pavel Rudolf, Ph.D.


(10) Transformace klasického odstředivého čerpadla pro výhradní chod v turbínovém režimu

Využití čerpadla jako turbíny má svoje opodstatnění zejména s ohledem na jednoduchost a ekonomičnost realizace malého zdroje elektrické energie. Čerpadla jsou nabízena v širokých řadách pokrývající očekávané provozní parametry pro danou lokalitu. Provoz čerpadla v reverzním chodu má však svoje specifika, se kterými lze dále pracovat tak, že turbínový provoz může být podstatně vylepšen. Tyto úpravy mohou být jednoduše proveditelné, ale i podstatně složitější vedoucí až například k výměně oběžného kola za nově navržené. Cílem dizertační práce bude provedení analýzy možných úprav vytypovaného čerpadla pro provoz v turbínovém režimu a jejich následná verifikace jednak CFD modelem, tak i experimentálně. V potaz bude brána ekonomičnost, proveditelnost a bezpečnost s ohledem na dosažení co největší účinnosti a životnosti v širokém provozním rozsahu.

Školitelem doktoranda bude doc. Ing. Pavel Rudolf, Ph.D.


(11) Studium proudění nemísitelných a vícesložkových kapalin

Řešení proudění nemísitelných a vícesložkových kapalin. Výzkum kapalin složených ze dvou (nebo více) vzájemně nemísitelných složek je novou, rozvíjející se oblastí. Tyto kapaliny představují nové materiály, které mohou být použity jako maziva, kapalinové ucpávky nebo jako tekutá média v biomechanických zařízeních. Nemísitelné kapaliny se skládají ze dvou (nebo více) kapalných a/nebo pevných složek (kapalina-kapalina nebo kapalina-pevná fáze). Pevnou fázi představují částice dispergované v nosné tekutině. Jejich interakce s vnějším prostředím je ovlivněna jejich chemickým složením, povrchovou úpravou materiálu a může být ovlivněna vnějšími poli. Zkoumání problému nemísitelných tekutin začalo před několika lety a brzy bylo zřejmé, že bude mít velký aplikační potenciál.

Školitelem doktoranda bude doc. Ing. Simona Fialová, Ph.D.


(12) Nové koncepce zavlažování a využití vody v krajině

Využití vody v krajině se stává v posledních letech palčivým problémem nížinných oblastí. Problémem není vždy nedostatek vody ale zejména její zachycení, skladování a následné využití. Finanční náročnost rozvodů vody k zavlažování by s použitím moderních technik, multifunkčních zařízení a instalace smart čerpadel do potrubních systémů mohla být snížena. Výzkum a řešení by se zabývalo rozborem možností stávajících sítí rozvodů užitkové vody a návrhem nových variant s využitím moderních technologií přepravy a skladování vody.

Školitelem doktoranda bude doc. Ing. Simona Fialová, Ph.D.


(13) Využití metodiky zpracování obrazu při měření fluidních jevů

Práce bude zaměřena na digitální zpracování videa měřených hydraulických dějů. Bude se jednat především o sledování kavitace, vstupních vírů a podobných jevů kde lze využít měření pomocí vysokorychlostní kamery.

Školitelem doktoranda bude doc. Ing. Vladimír Habán, Ph.D.


(14) Ztráty při nestacionárním proudění kapalin

Při výpočtovém modelování ztrát při nestacionárním průtoku bývá při vypočtu ztrát použit stejný model jako při stacionárním průtoku. Tento postu z hlediska stanovení útlumu je velice nepřesný. Ztráty je možno modelovat pomocí druhé viskozity kapaliny, ale při uvažování vysoké hodnoty stacionární rychlosti by bylo vhodné tento model doplnit o její vliv.

Školitelem doktoranda bude doc. Ing. Vladimír Habán, Ph.D.


(15) Vzájemné ovlivnění kmitajícího tělasa a pulsující kapaliny

V interiéru hydrulických strojů dochází ke kmitání mechanických čísti a k tlakovým pulsacím v proudící kapalině. Tyto dva jevy nelze od sebe oddělit a je nutno je řešit společně. V současné době je častý přístup ve stanovení přídavných učinků kapaliny na mechanické části. Bude vypracována metodika stanovení těchto vlastností.

Školitelem doktoranda bude doc. Ing. Vladimír Habán, Ph.D.