Projekt RESPIRATION

Badanie wpływu zjawisk rezonansowych koagulacji akustycznej na oczyszczanie powietrza

(Investigation of the influence of resonant phenomena of acoustic coagulation in air purification)

Okres realizacji: 26.04.2024 – 25.04.2026

Kierownik projektu: dr inż. Vladyslav Yuriiovych Shybetskyi

Akronim projektu: RESPIRATION

Budżet konsorcjum: 1 005 967,00 PLN

Rodzaj projektu: projekt badawczy NCN (POLONEZ BIS-2)

Miejsce realizacji projektu: Sieć Badawcza Łukasiewicz – Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP

Popularyzatorski opis projektu:

Celem projektu jest rozwiązanie problemu oczyszczania powietrza z drobnych cząstek o średnicy mniejszej niż 2,5 μm poprzez zwiększenie efektywności technologii wstępnego oczyszczania powietrza polem akustycznym z wykorzystaniem rezonatorów.

Pionierski charakter projektu determinowany jest przez:

  • zastosowanie rezonatorów, które znajdują się na drodze gazu oczyszczanego z drobnych cząstek.
  • zastosowanie modelowania komputerowego metodą elementów skończonych w celu uwzględnienia wszystkich czynników wpływających na proces koagulacji akustycznej.

Cele badawcze to:

  1. opracowanie teoretycznego modelu matematycznego procesu składającego się z trzech wzajemnie powiązanych części: model procesu oscylacji rezonatorów przedstawiony w postaci prętów o złożonej geometrii pod działaniem oscylacji o wysokiej częstotliwości; model procesu propagacji oscylacji o wysokiej częstotliwości w ośrodku ciągłym (powietrzu) ​​przez rezonatory; model ruchu drobnych cząstek w powietrzu pod wpływem drgań o wysokiej częstotliwości i ich oddziaływania z rezonatorami;
  2. opracowanie złożonego modelu komputerowego procesu propagacji oscylacji wysokich częstotliwości w środowisku akustycznym (powietrzu) ​​przez rezonatory o różnej konstrukcji w systemie analitycznym ANSYS, składające się z trzech wzajemnie powiązanych części: opracowanie modelu komputerowego procesu propagacji oscylacji o wysokiej częstotliwości w środowisku akustycznym (powietrzu) ​​poprzez rezonatory o różnej konstrukcji; opracowanie komputerowego modelu hydrodynamiki ruchu powietrza z rozproszonymi cząstkami poprzez rezonatory o różnej konstrukcji; opracowanie modelu drgań naturalnych układu koagulacji akustycznej i występowania w nim rezonansu;
  3. zbadanie wpływu oscylacji o wysokiej częstotliwości przez rezonatory o zoptymalizowanej konstrukcji na jakość oczyszczania powietrza za pomocą eksperymentu fizycznego. Ustalenie prawidłowości wpływu składu granulometrycznego drobnych cząstek, ich stężenia, masy i charakteru na proces oczyszczania;
  4. weryfikacja danych uzyskanych podczas modelowania i eksperymentu fizycznego;
  5. optymalizacja konstrukcji rezonatorów w celu zwiększenia skuteczności koagulacji;
  6. przeprowadzenie skalowania technologii i badań eksperymentalnych możliwości wykorzystania mobilnych urządzeń systemów oczyszczania powietrza opartych na koagulacji akustycznej w połączeniu z autonomią robotów w celu eliminacji dymu, wysokiej stężenia drobnych cząstek w ograniczonej przestrzeni do działań ratowniczych;
  7. rozpowszechnianie wyników projektu poprzez publikowanie w publikacjach o dużym wpływie i opisywanie wyników na międzynarodowych konferencjach, stworzenie strony internetowej, prowadzenie seminariów, publikacje w czasopismach „Cordis” i „Horizon”.

Metody modelowania matematycznego oparte na równaniach teorii ortokinetycznej, hydrodynamiki ruchu płynów (równanie Naviera-Stokesa) oraz teoria wzbudzenia akustycznego zostaną wykorzystane do opracowania teoretycznego modelu matematycznego. Symulacje komputerowe zostaną przeprowadzone przy użyciu metody elementów skończonych systemu analitycznego ANSYS. Planowane jest wykorzystanie zasad modelowania trójwymiarowego z wykorzystaniem programów CAD do budowy geometrycznych modeli badawczych.

Badanie zjawisk rezonansowych planowane jest w dwóch etapach:

  • wyznaczenie częstotliwości drgań własnych metodą analizy drgań – modalnej (ANSYS)
  • wyznaczenie przejawów rezonansu w układzie krzepnięcia metodą odpowiedzi akustycznej – Acoustic Response (ANSYS)

Wpływ rezonatorów na hydrodynamikę przepływu gazu zostanie określony przy użyciu hydrodynamiki obliczeniowej Fluent (ANSYS): ruch gazu jest opisany przez model turbulencji Realizable K-e; trajektorie drobnych cząstek są dostarczane przez model Discrete Phase. Projekt przewiduje ilościową analizę wyników badań. Wynikiem symulacji komputerowej będą wykresy zmiennych, kontury, wektory, trajektorie ruchu cząstek oraz wartości liczby cząstek, ciśnień, prędkości. W badaniu eksperymentalnym określono liczbę cząstek po obróbce powietrzem, utratę ciśnienia w układzie, zużycie energii do wytworzenia oscylacji. Wszystkie te parametry będą informacjami pierwotnymi. 

Planowane jest wykorzystanie analizy regresji do przetwarzania danych eksperymentalnych i ustalenia zależności między ich wartościami.

Dane kontaktowe:

Jednostka realizująca: Sieć Badawcza Łukasiewicz – Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP

Adres: Al. Jerozolimskie 202, 02-486 Warszawa

e-mail kierownika projektu: v.shybetsky@gmail.com

 

PODSUMOWANIE ZREALIZOWANEGO PROJEKTU

OSIĄGNIĘCIA W RAMACH PROJEKTU

Kluczowe rezultaty:

  • opracowano model matematyczny opisujący oddziaływanie dźwięku z drobnymi cząstkami zawieszonymi w powietrzu
  • badania wykazały, że rezonatory akustyczne mogą zwiększyć liczbę wychwyconych cząstek 6,8-krotnie, jednocześnie zmniejszając opór przepływu powietrza o 40 %
  • opracowano trzy koncepcje zastosowań: do pomieszczeń czystych (przemysł farmaceutyczny, elektroniczny), system autonomiczny oraz moduł przenośny do platform mobilnych
  • złożono wniosek patentowy dotyczący „Modułu ultradźwiękowego do wstępnej koagulacji aerozoli”
  • pomyślne przejście pierwszego etapu oceny w ramach grantu FENG Proof of Concept (688 548 euro) na komercjalizację technologii

Eksperymentalne stanowisko testowe:

  • zbudowano stanowisko badawcze w Łukasiewicz – PIAP w celu weryfikacji wyników modelowania
  • konfiguracja: komora ze stali nierdzewnej o wymiarach 90 × 90 mm, laserowy licznik cząstek, manometr różnicowy, generator aerozolu
  • przeprowadzono eksperymenty pełnoczynnikowe z czterema trybami pracy, trzema natężeniami przepływu i trzema poziomami zanieczyszczenia

                       

 

PUBLIKACJE NAUKOWE

  1. Shybetskyi V., Korobiichuk I. et al. Classification and Comparative Analysis of Acoustic Agglomeration Systems for Fine Particle Removal. Applied System Innovation, 2025, 8(4), 116. DOI: 10.3390/asi8040116. https://doi.org/10.3390/asi8040116.
  2. Shybetskyi V., Korobiichuk I., Kalinina M., Kostyk S., Khyzhna D. Oscillation-Induced Inertial Capture of PM2.5 Particles by Pre-Tensioned Resonating Rods. In: Proc. 11th World Congress on Civil, Structural, and Environmental Engineering (CSEE 2026), Paris, April 2026. DOI: 10.11159/iceptp26.170. https://doi.org/10.11159/iceptp26.170.
  3. Shybetskyi V., Korobiichuk I., Kalinina M., Khyzhna D., Shopova Z.. Modeling of Ultrasonic Emitter Surface Oscillations for Ultrasound Enhanced Processes. In: Szewczyk R., Zieliński C., Kaliczyńska M., Bučinskas V. (eds) Automation 2025: Recent Advances in Automation, Robotics and Measurement Techniques. AUTOMATION 2025. Lecture Notes in Networks and Systems, vol 1687. Springer, Cham, 2026, pp. 94–105. DOI: 10.1007/978-3-032-08359-3_9. https://doi.org/10.1007/978-3-032-08359-3_9.
  4. Shybetskyi V., Korobiichuk I. Mathematical modeling of acoustic impact on airborne particles through resonators. In: Proc. 1st International Scientific and Practical Conference „Artificial Intelligence and Information Technology” (AIIT-2024), Kyiv, June 2024. Zenodo: https://zenodo.org/records/16794305.
  5. Shybetskyi V. et al.. Ultrasonic pre-treatment for enhanced air filtration in pharmaceutical cleanrooms. In: Proc. XIXth International Scientific and Practical Conference Biotechnology of the 21st Century”, Kyiv, May 2025. Zenodo: https://zenodo.org/records/16794519.
  6. Shybetskyi V., Korobiichuk I., Kalinina M., Khyzhna D., Shopova Z.. Numerical Analysis of Resonator Configuration for Acoustic Agglomeration. In: Proc. XXVIth International Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM 2026, Albena, Bulgaria, July 2026.
  7. Korobiichuk Zh., Korobiichuk I., Shybetskyi V.. Prospects for the Development of Fine Particulate Matter Filtration Systems. In: Proc. XXVIth International Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM 2026, Albena, Bulgaria, July 2026.
  8. Shybetskyi V., Korobiichuk I., Kalinina M., Nowicki M., Kostyk S., Khyzhna D.. Numerical Investigation of PM2.5 Particle Dynamics in an Air Duct with Vibrating Plate Resonators under Ultrasonic Excitation. Submitted to Frontiers in Environmental Science. https://www.frontiersin.org/journals/environmental-science.

 

KONFERENCJE I WYDARZENIA NAUKOWE

  1. AIIT-2024 – 1st International Scientific and Practical Conference Artificial Intelligence and Information Technology” (Kijów, Ukraina, 3–4 czerwca 2024) http://kist.ntu.edu.ua/konferencii/49_konf_2024.pdf
  1. Automation 2025 (Warszawa, Polska, 7–8 maja 2025) https://automation.piap.pl/historia/automation-2025
  1. Biotechnology XXI Century – XIXth International Scientific and Practical Conference (Kijów, Ukraina, 16 maja 2025) https://www.biotech.kpi.ua/en/conference-biotechnology-xxi-century/conference-2025
  1. CSEE 2026 – 11th World Congress on Civil, Structural, and Environmental Engineering (Paryż. Francja, 16–18 kwietnia 2026) https://2026.cseecongress.com
  1. SGEM 2026 – XXVIth International Multidisciplinary Scientific GeoConference (Albena, Bułgaria, 4–13 July 2026) https://www.sgem.org/

 

KOMUNIKACJA I EDUKACJA

Artykuły naukowe dostępne publicznie:

Medium: https://medium.com/@v.shybetsky/ (styczeń 2026)

Substack: https://open.substack.com/pub/vladyslavshybetskyi/ (kwiecień 2026)

Konkursy innowacji:

  • XIV International Innovation Festival „Sikorsky Challenge 2025”, projekt: AirSonic, status: finalista, data: 28 października – 3 listopada 2025, lokalizacja: Kijów, Ukraina, nagroda: dyplom finalisty

 Integracja edukacyjna:

  • modele ANSYS z projektu zostały włączone do programu przedmiotu „Modelowanie procesów biotechnologicznych w specjalistycznym sprzęcie” na KPI
  • studenci analizują rzeczywiste przykłady z projektu RESPIRATION
  • studentka studiów magisterskich Zlata Shopova (KPI) uczestniczyła w projekcie jako współbadaczka przez cały czas jego trwania

 

KOMERCJALIZACJA I PARTNERSTWA

Złożone i przygotowane wnioski o dotację:

Program Numer grantu Status
FENG Proof of Concept (FNP) FENG.02.07-IP.05-0076/26 pozytywny wynik oceny formalnej (11.06.2026), trwa ocena merytoryczna
NATO Science for Peace and Security G10635-MYP zgłoszone, niezatwierdzone
OPUS32 NCN W przygotowaniu planowane złożenie wniosku jesienią 2026 r.

Partnerstwa:

  • VP Euro Corporation B.V. (Netherlands) – Intersectoral secondment to understand practical requirements of industrial ventilation

Opis wyników projektu przeznaczony dla ogółu społeczeństwa (wersja angielska)

 

                           

Badania realizowane w ramach projektu nr 2022/45/P/ST8/03621 współfinansowanego ze środków Narodowego Centrum Nauki oraz programu ramowego Unii Europejskiej w zakresie badań naukowych i innowacji Horyzont 2020 na podstawie umowy nr 945339 w ramach działań „Marie Skłodowska-Curie”