Wniosek o przeprowadzenie postępowania habilitacyjnego w dziedzinie nauk technicznych dyscyplina: Mechanika A U T O R E F E R A T

Transkrypt

1 Dr inż. Danuta Miedzińska Wojskowa Akademia Techniczna Wydział Mechaniczny Katedra Mechaniki i Informatyki Stosowanej Wniosek o przeprowadzenie postępowania habilitacyjnego w dziedzinie nauk technicznych dyscyplina: Mechanika A U T O R E F E R A T Warszawa, czerwiec 2018

2 I. Informacje o wykształceniu X 2007-VI 2011 Wojskowa Akademia Techniczna Wydział Mechaniczny Katedra Mechaniki i Informatyki Stosowanej Indywidualne studia doktorskie Stopień naukowy doktora nauk technicznych w dyscyplinie Mechanika Temat pracy doktorskiej: Numeryczne badania energochłonności materiałów pianowych z uwzględnieniem ich mikrostruktury, praca wyróżniona nagrodą Dziekana Politechnika Warszawska Wydział Mechaniczny, Energetyki i Lotnictwa Specjalność Energetyka Cieplna Tytuł zawodowy magistra inżyniera w dyscyplinie Mechanika Politechnika Warszawska Wydział Administracji i Nauk Społecznych Specjalność Administracja II. Informacje o zatrudnieniu w jednostkach naukowych 2012-obecnie Wojskowa Akademia Techniczna adiunkt naukowo-dydaktyczny; kierowanie i udział w projektach badawczych: analizy numeryczne, planowanie eksperymentu, raportowanie, koordynacja projektu, nowe inicjatywy projektowe, opracowywanie nowych wniosków projektowych opracowania merytoryczne i budżetowanie, opracowanie i prowadzenie wykładów i ćwiczeń ze studentami Wojskowa Akademia Techniczna starszy konstruktor; udział w projektach badawczych: analizy numeryczne, planowanie eksperymentu, raportowanie, koordynacja projektu, opracowywanie nowych wniosków projektowych opracowania merytoryczne i budżetowanie, wykłady i ćwiczenia ze studentami. 2

3 III. Wskazanie osiągnięcia wynikającego z art. 16 ust. 2 ustawy z dnia 14 marca 2003 r. o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki (Dz. U. nr 65, poz. 595 ze zm.): Monografia: Miedzińska Danuta, Modelowanie wpływu struktury materiałów o budowie losowej na ich właściwości mechaniczne, 2018, Wojskowa Akademia Techniczna, , 146 stron, punktacja MNiSW: 25 pkt. Monografia: Niezgoda Tadeusz, Miedzińska Danuta, Sławiński Grzegorz, Kędzierski Piotr, Małek Ewelina, Podstawy metody wydobycia gazu z łupków sprzężonej z magazynowaniem CO2, 2016, Wojskowa Akademia Techniczna, , 156 stron, punktacja MNiSW: 25 pkt. Cykl publikacji: 1. Miedzińska Danuta, Niezgoda Tadeusz, Małek Ewelina, Zasada Dariusz, Study on coal microstructure for porosity levels assessment, 2013, Bulletin of the Polish Academy of Sciences - Technical Sciences, 61, 2, , punktacja MNiSW: 25 pkt., JCR, IF Miedzińska Danuta, Niezgoda Tadeusz, Małek Ewelina, Analysis of Coal Structure in the Aspect of Gas Content, 2013, AGH Drilling, Oil, Gas, 30, 1, , punktacja MNiSW: 7 pkt. 3. Miedzińska Danuta, Polska technologia szczelinowania, Chemia Przemysłowa 1/2015, 62-66, punkty MNiSW: Miedzińska Danuta, New Method of Numerical Homogenization of Functionally Graded Materials, 2017, Procedia Structural Integrity, 5, , punkty MNiSW: Miedzińska Danuta, Numerical Modelling of Functionally Graded Composite Microstructure in Terms of Their Homogenization, 2017, Composites Theory and Practice, 13, 3, , punkty MNiSW: 11 pkt. 6. Miedzińska Danuta, Numerical Investigation of Pores Statistic Distribution Influence on Porous Material Mechanical Behaviour, 2017, Engineering Transactions, 65, 1, 89-95, punktacja MNiSW: 15 pkt., IF Miedzińska Danuta, Badania eksperymentalne wpływu dwutlenku węgla na strukturę porowatą i właściwości mechaniczne skały łupkowej, 2017, Biuletyn WAT, 66, 4, , punktacja MNiSW: 8 pkt. 8. Lutyński Marcin, Miedzińska Danuta, CO2 - CH4 sorption induced swelling of gas shales: An experimental study on the Silurian shales from the Baltic Basin, Poland, 2018, Physicochemical Problems of Mineral Processing, 54, 2, , punktacja MNiSZW: 20 pkt, JCR, IF dokumentujące osiągnięcie naukowe, jakim jest: Opracowanie metod analizy właściwości mechanicznych naturalnych ośrodków heterogenicznych 3

4 Opis osiągnięcia naukowego: Osiągnięcie naukowe dotyczy opisu, badań i modelowania numerycznego wybranych ośrodków o budowie losowej. Najbardziej interesujące, ze względu na powszechność ich występowania, są ośrodki naturalne o strukturze heterogenicznej, zarówno w skali mikroskopowej, jak i makroskopowej. Materiały takie są przede wszystkim wytwarzane przez naturę, np. skały. W swojej pracy naukowej kandydatka podjęła się opracowania metod analizy heterogenicznej losowej struktury ośrodka naturalnego, np. porowatego. Celem tych badań było określenie zjawisk zachodzących w tej strukturze związanych z jej formowaniem, jak i oddziaływaniem czynników zewnętrznych (np. sorpcja) i ich wpływem na właściwości mechaniczne takiego ośrodka. Do osiągnięcia tego celu użyła: teorii perkolacji i metod numerycznych, w których zaimplementowała zagadnienia stochastyczne, oraz badań eksperymentalnych. Podstawą do opracowania metody analizy ośrodków heterogenicznych były prace związane z rozwojem polskiej technologii wydobycia gazu z łupków przy użyciu CO2 z jednoczesnym magazynowaniem tego gazu. Podstawy tej technologii zostały opatentowane przez zespół pod kierunkiem prof. T. Niezgody, w skład którego wchodziła kandydatka. Idea ta zaowocowała projektem badawczo-rozwojowym pt. Opracowanie wytycznych do zaprojektowania innowacyjnej technologii wydobycia gazu z łupków przy użyciu ciekłego CO2 na drodze analiz numerycznych i badań eksperymentalnych, realizowanym w latach przez konsorcjum PGNiG, Wojskowa Akademia Techniczna, Politechnika Warszawska, Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie. Jednym z istotnych elementów tej technologii było zbadanie i opisanie heterogenicznej struktury łupków gazonośnych oraz zjawisk w niej zachodzących, związanych z oddziaływaniem i przepływem gazów. Wstępem do opracowania metod analizy ośrodka naturalnego były badania strukturalne przeprowadzone na próbkach węgla i łupka gazonośnego, w których kandydatka miała wiodący udział merytoryczny. Przykładowy wynik badań wykonanych metodą SEM przedstawiono na rys. 1. Rys. 1. Wizualizacja ziarnistej struktury węgla metodą SEM: z lewej widoczne są ziarna, z prawej widoczne są pory w obszarze granic poszczególnych ziaren Kandydatka miała wiodący udział w opracowaniu podstaw przytoczonej powyżej technologii wydobycia gazu z łupków. Bazując na szerokim przeglądzie stanu wiedzy na temat metod wydobycia gazu z łupków, opracowano podstawy nowej technologii wydobycia gazu z łupków przy użyciu CO2. Opisane zostały między innymi procesy formowania skał łupkowych, które 4

5 wpłynęły na ich budowę warstwową gradientową oraz strukturę losową tych skał. Wiedza ta umożliwiła podjęcie prac prowadzących do opracowania podstaw technologii oraz wytypowanie kierunku badań heterogenicznych materiałów naturalnych. Pierwszą metodą analizy materiałów naturalnych, jaką kandydatka opracowała w celu zaimplementowania jej do metody wydobycia gazu z łupków, była autorska metoda numerycznej homogenizacji ośrodków heterogenicznych o strukturze gradientowej. Na podstawie przeprowadzonych autorskich badań strukturalnych i badań dotyczących formowania skał ustalono, iż naturalne skały łupkowe charakteryzują się pewnego rodzaju warstwowością, w której pojawia się gradient cech morfologicznych i mechanicznych (rys. 2). Biorąc to pod uwagę, kandydatka opracowała autorską metodę homogenizowania takiego materiału. Polegała ona na podziale materiału na elementy zgodnie z kierunkiem gradientu zmiany struktury (rys. 3). Kandydatka przeprowadziła weryfikację tej metody wraz analizą błędów wynikających z homogenizacji. Metoda ta, wraz z charakterystyką ograniczeń w odniesieniu do jej stosowania, stanowi przydatne i proste w użyciu narzędzie do modelowania struktur o budowie gradientowej, gdzie niemożliwe jest modelowanie szczegółów mikrostrukturalnych, np. do analiz szczelinowania złoża łupka gazonośnego. Rys. 2. Rdzeń z odwiertu do złoża łupkowego widok warstwowej budowy Rys. 3. Schemat opracowanej metody homogenizacji heterogenicznych ośrodków o strukturze gradientowej Kolejnym etapem prac była autorska metoda modelowania heterogenicznych ośrodków naturalnych o kilku stopniach porowatości. W materiałach takich można zaobserwować pory o różnych rozmiarach, które można podzielić na stopnie w zależności od ich rozmiaru. Istnieją także struktury, na przykład łupków gazonośnych, gdzie w ściankach porów 5

6 makroskopowych występują pory mikroskopowe (rys. 1). Do modelowania takich struktur kandydatka zastosowała metodę wykorzystującą modele fraktalne, które uwzględniają typ stochastycznego rozkładu porów (np. Weibulla, normalny i liniowy) (rys. 4). Przeprowadzone przy użyciu tej metody badania numeryczne wykazały wyraźny wpływ metody losowania rozkładu porów na globalne właściwości mechaniczne ośrodków porowatych. Opracowany oryginalny sposób modelowania może być użyty do modelowania procesów powstawania ośrodków porowatych, np. diagenezy skał łupkowych. Rys. 4. Przykładowy model numeryczny do analizy struktur heterogenicznych o dwóch stopniach porowatości Końcowym etapem prac nad opracowaniem metod do analizy ośrodków heterogenicznych, które znajdują zastosowanie w opracowaniu technologii wydobycia gazu z łupków, były oryginalne, nowatorskie badania na specjalnie do tego celu zbudowanym stanowisku do analiz pęcznienia i wymiany sorpcyjnej CO2 i CH4 w ośrodku skalnym naturalnym o budowie heterogenicznej, jakim jest skała łupka gazonośnego. W badaniach tych wykazany został wpływ sorpcji gazów na pęcznienie ośrodka, czyli wpływ przepływu gazu na jego właściwości mechaniczne mechanizm tego zjawiska został pokazany poniżej. Udowodniono preferencję sorpcyjną ośrodka w kierunku CO2 względem CH4 (rys. 5) oraz że wielkość pęcznienia jest wprost proporcjonalna do adsorpcji, co również pokazuje wpływ przepływu gazu i jego rodzaju na właściwości ośrodka naturalnego. Są to pierwsze na świecie badania polskich łupków gazonośnych w aspekcie przepływu i interakcji z gazami. Istotnym wnioskiem z tych badań było to, że model Seidle i Huitt, stosowany dotychczas do opisu pęcznienia węgli różnych gatunków, jest odpowiedni do opisu procesów pęcznienia matrycy skalnej łupków gazonośnych (rys. 6). Stwierdzenie to stanowi istotny wkład do opracowania metody modelowania analitycznego tego typu skał. Należy zaznaczyć, że dotychczas model opisu tego zjawiska dla łupków nie był znany. 6

7 Rys. 5. Preferencyjna adsorpcja w kierunku CO2 względem CH4 Rys. 6. Odkształcenia objętościowe (pęcznienie) próbki łupka wg modelu Seidle Huitta, na tle danych eksperymentalnych Do wykazania wpływu zmian struktury ośrodka porowatego, wywołanych adsorpcją, przeprowadzono badania tomograficzne i wytrzymałościowe próbek łupka przed i po infiltracji ditlenkiem węgla. Wyniki tych badań wykazały, że im bardziej zmniejszyła się porowatość badanej próbki po infiltracji ditlenkiem węgla w małych powiększeniach, tym bardziej zwiększyła się jej porowatość w dużych powiększeniach i tym mniejszą osiągnęła wytrzymałość na jednoosiowe ściskanie. Do opisu analitycznego heterogenicznej struktury ośrodków naturalnych oraz zachodzących w niej zjawisk przepływu, kandydatka zaimplementowała teorię perkolacji. Teoria ta pozwala na określenie, czy system jest makroskopowo przewodzący. Makroskopowa przewodność ma fundamentalne znaczenie dla wielu zjawisk w ośrodkach nieuporządkowanych, w tym w odniesieniu do eksploatacji złóż niekonwencjonalnych. Teoria perkolacji jest narzędziem do interpretacji wyników badań eksperymentalnych oraz do analizy struktury ośrodków heterogenicznych. Może stanowić wyczerpujący i odpowiedni sposób opisu ośrodków heterogenicznych i zjawisk w nich zachodzących. Przykładowo, układy szczelin i uskoków w makroskopowo heterogenicznych skałach mogą być podobne do sieci perkolacji. Jeśli tak, to wiedza na temat perkolacji może być użyta do ich modelowania, co dodatkowo ma wpływ na metodę modelowania przepływu płynu w spękanych skałach. Także trzęsienia ziemi wykazują cechy zbliżone do perkolacji, co pozwala na lepsze zrozumienie tych ekstremalnych procesów. Perkolacja i modele sieciowe stanowią również ilościowe narzędzie do modelowania dyspersji w mikroskopowo nieuporządkowanych, ale makroskopowo homogenicznych skałach. 7

8 Wszystkie ważne mechanizmy dyspersji mogą być opisywane takimi modelami. Teoria perkolacji pozwala także na głębsze zrozumienie zjawiska przepływu w ośrodkach porowatych, analizy wyników badań geometrii i topologii przestrzeni porowej naturalnych ośrodków losowych. W ramach swoich badań kandydatka usystematyzowała wiedzę dotyczącą najważniejszych sposobów interpretacji danych eksperymentalnych uzyskanych na drodze porozymetrii rtęciowej oraz adsorpcji desorpcji, wykorzystujących teorię perkolacji. Prace te, wraz ze szczegółowym przedstawieniem autorskich metod analiz ośrodków heterogenicznych w aspekcie zastosowania ich do badań materiałów naturalnych, kandydatka zebrała w monografii pt. Modelowanie wpływu struktury materiałów o budowie losowej na ich właściwości mechaniczne wydanej w 2018 r. przez Wojskową Akademię Techniczną. Podsumowując, pokazany powyżej zakres badań stanowi opis nowych metod analizy badań ośrodków naturalnych w aspekcie wpływu ich heterogenicznej struktury na właściwości mechaniczne. Przedstawiono oryginalne metody analityczne, numeryczne i eksperymentalne służące do modelowania naturalnych materiałów o strukturze losowej. Metody te są elementem określenia efektywności opracowywanej technologii wydobycia gazu z łupków, w której istotnym elementem było określenie metod analiz naturalnych skał heterogenicznych, które zostaną użyte do badań właściwości mechanicznych takich ośrodków w aspekcie ich szczelinowania i zachodzących w nich przepływów, np. gazu. IV. Omówienie pozostałych osiągnięć naukowo - badawczych Poza obszarem zagadnień opisanym powyżej, kandydatka zajmowała się jeszcze kilkoma zagadnieniami naukowymi, wykonując prace badawcze i analityczne, które stanowiły podstawę publikacji i referatów wygłoszonych na konferencjach i seminariach naukowych. Prace te obejmowały przede wszystkim zagadnienia dotyczące projektowania i implementacji nowoczesnych materiałów w różnego typu konstrukcjach. Jednym z tych zagadnień były badania dotyczące zwiększenia efektywności energetycznej układów sprzężonych, z zastosowaniem inteligentnego materiału elastomeru magnetoreologicznego MRE. Autorskie badania kandydatki polegały na opracowaniu modelu numerycznego mikrostruktury i makrostrukturalnego MRE. Następnym krokiem było zaimplementowanie tego materiału do konstrukcji głowicy wibracyjnej w celu regulacji częstotliwości jej drgań poprzez zmianę sztywności elastomeru magnetoreologicznego. Ważnym elementem prac było opracowanie opisu analitycznego układu sprzężonego głowica grunt z elementem o zmiennej sztywności. Efekty tych prac przedstawiane były w artykułach oraz były częścią prac realizowanych w ramach projektu pt. Zwiększenie efektywności energetycznej sprzężonych układów mechanicznych przez zastosowanie magnetoreologicznych elastomerów, nr umowy: PBS1/A5/5/2012, instytucja finansująca: NCBiR, okres realizacji: Kolejnym zagadnieniem badawczym, który kandydatka rozwijała, było zastosowanie tkanin auksetycznych oraz ceramicznych nanowarstw do zwiększenia odporności cieplnej i mechanicznej odzieży specjalnej, np. strażackiej. Prace te są realizowane w ramach projektu pt. Nowoczesne technologie nanokopozytowych, refleksyjnych warstw materiałów strażackich ubrań ochronnych, nr umowy DOB-BIO6/04/104/2014, instytucja finansująca: NCBiR, okres realizacji: , którego jest kierownikiem. Wkład kandydatki polegał na opracowaniu metodologii i stanowiska do badań tkanin z naniesioną nanowarstwą ceramiczną w celu określenia ich barierowości cieplnej, elektromagnetycznej oraz odporności 8

9 mechanicznej na uderzenie falą wybuchu. Prace obejmowały tkaniny auksetyczne oraz tkaniny specjalne na ubrania strażackie. Wyniki badań przedstawione zostały w artykułach. Kandydatka brała również udział w badaniach kompozytów kevlarowych, z użyciem nowoczesnych technologii terahertzowych. W pracach wykorzystano urządzenia wykorzystujące promieniowanie terahercowe (0,1 10 THz). Badanie polegało na analizie struktury wielowarstwowego kompozytu po przebiciu pociskiem. Wyniki tych prac zostały opublikowane w czasopismach znajdujących się w bazie JCR. 9