dr hab. inż. Andrzej Frąckowiak, prof. PP Poznań, 20marca 2015 Katedra Techniki Cieplnej
Politechnika Poznańska
R e c e n z j a
pracy doktorskiej mgra inż. Adama Tralewskiego
pt.: „ANALIZAPRZEPŁYWU W KANALE NAWROTNYM WIELOSTOPNIOWEJ DMUCHAWY PROMIENIOWEJ NA PODSTAWIE OBLICZEŃ NUMERYCZNYCH
I BADAŃ DOŚWIADCZALNYCH”
Podstawę do opracowania recenzji pracy doktorskiej mgra inż. Adama Tralewskiego stanowi pismo Dziekana Wydziału Maszyn Roboczych i Transportu Politechniki Poznańskiej z dnia 09.03.2015r.
Praca zawarta jest na 167 stronach i podzielona na 11 rozdziałów poprzedzonych spisem treści, a zakończoną bibliografią liczącą 55 pozycji literaturowych związanych z tematem pracy.
1. Omówienie pracy
Praca mgra inż. Adama Tralewskiegoma charakter numeryczno–eksperymentalny i dotyczy analizy przepływu płynu przez kanał nawrotny wielostopniowej dmuchawy promieniowej.
Autor zanim rozpoczął studia doktoranckie, brał udział w projekcie NCBiR związanym z wielostopniowymi dmuchawami promieniowymi i te badania miały decydujący wpływ na podjęcie tej tematyki w pracy doktorskiej.
W rozdziale pierwszym swej pracy Autor bardzo krótko przedstawił układ rozprawy.
W rozdziale drugim zamieścił informacje na temat dmuchaw wielostopniowych. Omówiona została budowa, zasada działania oraz zastosowanie tych dmuchaw. Następnie krótko omówił zasady projektowania oparte na zasadzie podobieństwa przepływów oraz podał przykłady rozwiązań konstrukcyjnych poszczególnych elementów stopnia sprężającego dmuchawy: wirnika, dyfuzora, przewału, kanału nawrotnego i kolana.
W rozdziale trzecim przedstawił genezę pracy i wskazał powód, dla którego zajął się zagadnieniem przepływu sprężanego czynnika przez kanał nawrotny.
W rozdziale czwartym opisany jest przedmiot rozprawy. Jest nim kanał nawrotny stopnia sprężającego dmuchawy promieniowej wielostopniowej będący kanałem dyfuzorowym, zakrzywionym. Do jego zadań należą: zmniejszenie w możliwie dużym stopniu wartości składowej obwodowej prędkości czynnika nadanej w wirniku, zmniejszenie jego prędkości oraz przygotowanie napływu na wirnik kolejnego stopienia maszyny, przy jak najmniejszym współczynniku strat przepływu.
W rozdziale piątym Autor przedstawił przegląd publikacji związanych z projektowaniem oraz badaniami kanałów nawrotnych stopni sprężających maszyn przepływowych.
W rozdziale szóstym Autor sformułował tezy swojej pracy oraz wyznaczył główne cele. Są to:
wykonanie obliczeń numerycznych dla wybranych geometrii kanału nawrotnego i wybór geometrii o najmniejszym współczynniku strat;
przeprowadzenie badań doświadczalnych z użyciem anemometru laserowego dla wybranej geometrii kanału nawrotnego;
wykonanie obliczeń numerycznych dla wybranej geometrii kanału nawrotnego;
porównanie wyników obliczeń numerycznych i badań doświadczalnych pod kątem zastosowania programu ANSYS CFX w projektowaniu stopni sprężających maszyn przepływowych.
Tezy jakie postanowił w pracy udowodnić są następujące:
wyniki obliczeń numerycznych otrzymane za pomocą programu ANSYS CFX można uznać za zgodne z wynikami badań laboratoryjnych;
uzasadnione jest stosowanie programu ANSYS CFX w projektowaniu stopni sprężających maszyn przepływowych;
na etapie projektowania przepływ przez kanał nawrotny powinien być traktowany jak przepływ przez kanał zakrzywiony, a nie jako opływ palisady łopatkowej.
W rozdziale siódmym przedstawiony jest szczegółowy program przeprowadzonych przez Autora badań.
W rozdziale ósmym Autor przedstawił wyniki swoich obliczeń numerycznych. Na wstępnie podał równania opisujące przepływ płynu oraz opisał modele turbulencji, które stosował w trakcie swoich obliczeń. W dalszej części przedstawił kolejne etapy związane z tworzeniem geometrii obszaru obliczeniowego, przygotowaniem siatki obliczeniowej, wykonaniem obliczeń oraz prezentacją wyników. W pierwszej części obliczeń Autor przedstawił wyniki obliczeń dla sześciu wariantów geometrii kanału nawrotnego. Dla tych wariantów przedstawił przebiegi wartości średnich ciśnienia statycznego, prędkości i kąta przepływu w przekroju wlotowym i wylotowym kanału nawrotnego.
Przedstawione zostały również rozkłady prędkości oraz kąta przepływu w wybranych przekrojach kanału nawrotnego.Z przedstawionych wyników obliczeń numerycznych wynika, że najmniejszą wartość współczynnika strat osiągnięta została dla wariantu szóstego, który został wybrany do drugiej części obliczeń numerycznych oraz badań eksperymentalnych. Dla porównania obliczeń numerycznych z badaniami eksperymentalnymi wyznaczono rozkłady prędkości wypadkowej i kąta przepływu w funkcji położenia wzdłuż szerokości kanału dla przekrojów wlotowego oraz w przekroju położonym na promieniu r = 120mm. Przedstawione zostały również rozkłady prędkości oraz kąta przepływu czynnika w przekroju wlotowym kanału międzyłopatkowego.
W rozdziale dziewiątym Autor przedstawił wyniki badań laboratoryjnych. Na wstępie omówił teoretyczne podstawy anemometrii laserowej oraz zasady pomiaru prędkości za pomocą anemometru laserowego. Następnie opisał budowę stanowiska pomiarowego oraz aparatury pomiarowej. Podał również algorytmy służące do obliczeń wielkości fizycznych na podstawie wielkości wyznaczonych eksperymentalnie. Rozkłady prędkości oraz kąta przepływu zostały przedstawione w taki sam sposób jak wyniki obliczeń numerycznych.
W rozdziale dziesiątym Autor przedstawił porównanie wyników badań eksperymentalnych z obliczeniami numerycznymi.
Kończący pracę rozdział jedenasty stanowi podsumowanie wyników oraz wnioski końcowe. Na szczególną uwagę zasługują oryginalne osiągnięcia Autora, do których można zaliczyć:
wybór przedmiotu i zakresu badań; Autor na podstawie przeglądu literatury zauważył, że informacje potrzebne przy projektowaniu dmuchaw promieniowych dla małych wartości wskaźnika szybkobieżności Kn, czyli małych kątów przepływu są niepełne i nieusystematyzowane.
opracowanie planu badań uwzględniające przeprowadzenie obliczeń numerycznych dla kilku wariantów geometrii kanału nawrotnego. Na tej podstawie Autor wybrał najbardziej korzystny wariant geometrii o najmniejszym współczynniku strat przepływu i dla tej geometrii wykonał szczegółowe obliczenia numeryczne, których wyniki porównał z wynikami badań eksperymentalnych.
zbadanie wpływu wybranych parametrów geometrii na kształtowanie struktury przepływu i wartości współczynnika strat oraz usystematyzowanie wiadomości pozwalających na szybkie i świadome konstruowanie stopni sprężających dmuchaw wielostopniowych.
uniwersalność otrzymanych wyników badań. Można je przenieść na sprężarki wielostopniowe, a ogólne wytyczne konstrukcyjne mogą mieć zastosowanie również dla większych wartości wskaźnika szybkobieżności zarówno w przypadku sprężarek jak i dmuchaw.
wykazanie zasadności korzystania z obliczeń numerycznych w procesie konstruowania maszyn sprężających na podstawie wykonanych przez Autora obliczeń numerycznych oraz badań eksperymentalnych.
2. Uwagi
Na stronie 46 Autor przedstawia równania, które są rozwiązywane przez CFD: równania Naviera – Stokesa (3), równanie ciągłości przepływu (1) i równanie energii (1) (nie podał tego równania) oraz równanie stanu gazu doskonałego (1). Z tego co jest napisane wynika, że Autor uważa, że równanie stanu i równanie energii rozwiązywane są zamiennie. Tymczasem wystarczyło policzyć liczbę niewiadomych (6) i liczbę równań, która też musi wynosić 6. Przy okazji, to nie zostało wyjaśnione co oznaczają niektóre wielkości w tych wzorach np. D lub F. Można by uznać, że jest to oczywiste, ale skoro Autor wyjaśnia co oznacza x i y, to powinien o tych wielkościach też coś napisać. W przypadku D jest to o tyle istotne, że jest to operator pochodnej substancjalnej, a wspisie oznaczeń jest to średnica rurociągu. Równania (8.1) dotyczy tylko płynu newtonowskiego, a równanie stanu (8.3) tylko gazu doskonałego, podczas gdy w programie ANSYS CFDmożna rozwiązywać równania dla płynów nienewtonowskich i dla wielu postaci równań stanu. Jeśli wymienione zostały równania różniczkowe, to warto dodać, że jednoznaczne ich rozwiązanie wymaga podania warunków brzegowych oraz warunku początkowego.
Opis modeli turbulencji wydaje się bardzo skrócony i nieprzejrzysty. Autor wymienia tylko te modele, które stosował w swoich obliczeniach. Robi to jednak w rozdziale zatytułowanym
„Podstawowe informacje na temat mechaniki płynów”, dlatego wypadałoby wspomnieć, że jest wiele innych modeli turbulencji i wyjaśnić przy okazji dlaczego wybrał właśnie te. Oznaczenia oraz operatory różniczkowe użyte w równaniach (8.4) – (8.12) są inne niż w równaniach (8.1) – (8.3). Jeśli Autor zdecydował się na omówienie wybranych modeli turbulencji, to powinien w pierwszej kolejności wyjaśnić na czym polega idea wprowadzenia tych modeli. Wtedy być może stałoby się jasne czym jest zmienna U i jaki jest jej związek z v? Co oznacza zmienna SM i czym się różni od F ze wzoru (8.1). Wyjaśnienie, że jest to suma sił działających na ciało brzmi jakoś dziwnie.Czy tym ciałem jest płyn? Co oznaczają operatory , T użyte w tych równaniach? I jakie są warunki brzegowe dla funkcji k, ε, ω?
Równanie (8.11) na stronie 48 nazwane zostało równaniem turbulentnej energii kinetycznej. Czy takie pojęcie istnieje i jest synonimem równania transportu energii kinetycznej turbulencji? Podobnie nie ma czegoś takiego jak równanie częstotliwości turbulencji. Czy o równaniu przewodnictwa ciepła można powiedzieć, że jest to równanie temperatury?
W rozdziale zatytułowanym „Tworzenie modelu/Przygotowanie siatki obliczeniowej” Autor ogólnie opisuje narzędzie TurboGrid, jakim posłużył się do przygotowania siatki obliczeniowej.
Tymczasem powinien w tym miejscu pokazać jak wygląda obszar obliczeniowy wraz z siatką elementów skończonych, ile węzłów ma siatka, jak zostały zagęszczone elementy siatki w pobliżu warstwy przyściennej, jaka jest jakość tej siatki (w module tym elementy zdegenerowane siatki są pokazane). Brak tej informacji nie pozwala w pełni ocenić jakości prezentowanych w pracy wyników.
W rozdziale 8.2.2 zatytułowanym definicja modelu fizycznego, Autor napisał o definicji warunków brzegowych tylko wlotu i wylotu, a dalej stwierdził, że obliczenia realizowano w całym stopniu sprężającym. Czy zatem oznacza to, nie zostały uwzględnione warunki symetrii obszaru obliczeniowego?
W rozdziale 8.2.3 (Obliczenia) zabrakło istotnych z punktu widzenia oceny poprawności obliczeń numerycznych. Autor nie podał wartości parametru RMS zakończenia obliczeń (parametr ten określa błąd rozwiązania układu równań liniowych ||Ax–b||), wartości parametru „Timescale” (parametr ten uwzględnia dynamikę procesu fizycznego), oraz przynajmniej jednego wykresu pokazującego zbieżność procesu iteracyjnego. Brak wartości tych wielkości nie pozwala jednoznacznie ocenić wyników obliczeń numerycznych.
W rozdziale 9.4 Algorytmy obliczeniowe, podział na podrozdziały 9.4.1 – 9.4.5 jest pozbawiony sensu. W podrozdziałach tych wypisane są tylko wzory, bez żadnego opisu. Dodatkowo w rozdziale 9.4.2 nie jest wyjaśnione znaczenie zmiennych L1 i M1’ we wzorze (9.19). Ze struktury wzorów wynika, że wartości wyznaczane z tych wzorów muszą być liczone iteracyjnie, ale Autor o tym nie wspomniał.
W rozdziale 9.5 Autor pisze, że każdy z obszarów pomiarowych posiadał pole martwe, w którym nie można było prowadzić pomiaru. Z rysunków 9.28 i 9.29 wynika, że ten obszar zajmuje ok. 12%
całego obszaru. Jak zatem Autor porównuje wartości średnie wielkości wyznaczone numerycznie i eksperymentalnie?
I ostatnia uwaga ogólna. Program Ansysposiada możliwość optymalizacji przepływu. Można ten proces zautomatyzować w ten sposób, że wyznacza się parametry oraz zakres ich zmienności, którew czasie obliczeń będą się zmieniać. Dodatkowo określana jest funkcja celu, która jest kryterium optymalizacji. W przypadku prezentowanych obliczeń byłyby to następujące parametry: liczba łopatek, parametry określające profil łopatki, położenie promieni r6, r7, r5. Funkcją celu byłaby w tym przypadku wartość współczynnika strat. Autor w swoich obliczeniach nie korzystał z tej możliwości programu, a arbitralnie wybrał 6 możliwych kształtów. Interesujące byłoby automatyczne wyznaczenie kształtu kanału nawrotnego i porównanie parametrów przepływu w tym kanale z obliczeniami wykonanymi przez Autora.
Poza tym mam kilka uwag szczegółowych.
Na stronie 9 pod rys. 2.1 napisane jest przeciw pompażowy, a na stronie 10 przeciwpompażowy.
Oprócz tego w pracy jest kilka błędów ortograficznych. Za szczególnie denerwujące można uznać wyrazy w środku zdania zaczynające się od dużej litery, co jest wynikiem jak sądzę nieuwagi Autora.
Na rys. 2.13, znajduje się uwaga, że prezentowana zależność została wyznaczona na podstawie rys. 2.12. Jak to się udało Autorowi zrobić to dla zakresu δ > 20?
Na stronie 45 Autor definiuje komputerową mechanikę płynów jako dział inżynierii…. Czy ta definicja jest poprawna?
Na stronie 48 jest napisane: … możliwości obliczeniowe z rozwiniętą opcją obróbki i prezentacji wyników. Myślę, że należy zwrócić uwagę i przy pisaniu pracy nie używać sformułowań żargonowych, typowych dla słowa mówionego. Ja oczywiście zrozumiałem sens tego sformułowania, ale uważam, że ten fragment zdania powinien w mowie pisanej brzmieć następująco: … możliwości obliczeniowe z rozbudowanymifunkcjami przetwarzania i prezentacji wyników.
Na stronie 49 – pisze się nienewtonowskich.
Na stronie 130 Autor zatytułował podrozdział 9.4.3 jako „Parametry powietrza na rurociągu ssącym”, a na stronie 131 podrozdział 9.4.4 jako „Parametry powietrza na rurociągu tłocznym”. Chyba chodziło mu o to, że tytuł pierwszego z nich powinien brzmieć „Parametry powietrza w rurociągu ssącym”.
Na stronie 137 zgodnie ze spisem oznaczeń v we wzorze pv = const powinna oznaczać prędkość, choć jest to objętość właściwa, co nie jest wyjaśnione. Nie lepiej było napisać p/ρ = const?
Powyższe uwagi nie umniejszają wartości wyników osiągniętych i przedstawionych w pracy przez Autora.Byłoby cenne, gdyby Autor odpowiedział na uwagi, przynajmniej w części w swoim referacie w trakcie obrony pracy.
3. Podsumowanie
Praca mgra inż. Adama Tralewskiego potwierdziła słuszność postawionych przez niego tez.
Autor wykazał się dużą znajomością zagadnień przepływowych i związanych z nimi zagadnień projektowania maszyn przepływowych, a szczególności projektowania dmuchaw promieniowych wielostopniowych.
W moim przekonaniu rozprawa doktorska mgra inż. Adama Tralewskiego spełnia wymogi Ustawy o Stopniach i tytule Naukowym i wnoszę do Rady Wydziału Maszyn Roboczych i Transportu o dopuszczenie jej do publicznej obrony.
