Recenzja rozprawy doktorskiej mgr inż. Piotra Skowrońskiego Analiza oscylacji temperatury w stanach przejściowych urządzeń wymieniających ciepło"

Transkrypt

1 Prof. dr hab. inż. Stanisław Osowski Politechnika Warszawska Warszawa, Recenzja rozprawy doktorskiej mgr inż. Piotra Skowrońskiego Analiza oscylacji temperatury w stanach przejściowych urządzeń wymieniających ciepło" 1. Ocena doboru tematyki rozprawy Rozprawa doktorska mgr inż. Piotra Skowrońskiego dotyczy analizy oscylacji obserwowanych w praktycznych układach wymienników ciepła przekazujących ciepło z urządzenia aktywnego do biernego umieszczonych w pewnej odległości od siebie. Ciekawym zjawiskiem jest tu zaobserwowane przez doktoranta występowanie oscylacyjnych zmian temperatury w stanach przejściowych. Problem ten jest stosunkowo słabo zbadany zarówno pod względem badań eksperymentalnych jak i opracowania teoretycznego modelu potwierdzającego to zjawisko i określającego jego parametry. Oprócz drgań temperaturowych typu szumowego o nieznacznej amplitudzie i stosunkowo dużej częstotliwości można zauważyć w większości przeprowadzonych eksperymentów również oscylacje o małej częstotliwości (o około razy dłuższym okresie niż drgania szumowe) zanikające z czasem. Celem pracy jest analiza tego procesu nieustalonego pod kątem określenia parametrów oscylacji temperatury w stanach przejściowych urządzeń wymiennika ciepła przy różnych kształtach elementów aktywnych i pasywnych wymiennika. Oscylacje te trwają stosunkowo krótko (jak na czas działania wymiennika) ale mogą wpływać niekorzystnie na obiekty, wprowadzając dodatkowe obciążenia dynamiczne, które mogą mieć wpływ na ich wytrzymałość i prowadzić do skrócenia czasu ich bezawaryjnej eksploatacji. Stąd uważam, że tematyka rozprawy doktorskiej dotyczy praktycznie zaobserwowanego zjawiska, o bliżej nieznanym pochodzeniu z punktu widzenia fizyki. W tej sytuacji uważam, że wybór tematyki rozprawy można uznać za właściwy i odpowiadający wymaganiom ważności tematyki badawczej. 1

2 2. Charakterystyka i główne osiągnięcia rozprawy Tematyka pracy obejmuje przeprowadzenie badań na specjalnym stanowisku pomiarowym wymiennika, opracowanie i analizę wyników badań z wykorzystaniem wielu metod analizy sygnałów oraz wyznaczenie parametrów obserwowanych oscylacji metodami identyfikacji. Estymowane wartości parametrów dotyczą w szczególności częstości drgań własnych, współczynnika tłumienia i względnego współczynnika tłumienia. Rozprawa zawiera 109 stron i została podzielona na 6 rozdziałów, spis literatury oraz spis rysunków i tabel. Rozdział pierwszy i drugi stanowią wstęp i zawierają opis stanu wiedzy w tej dziedzinie. Uważam, ze przegląd stanu wiedzy przedstawiony w rozdziale drugim mógłby być znacznie ograniczony, poprzez odniesienie się do prac ściśle związanych z przedmiotem badań stanowiących główne jądro rozprawy. Rozdział trzeci dotyczy celu i zakresu badań przeprowadzonych w ramach rozprawy. Zarówno cel jak i zakres badań zostały jednoznacznie określone. Rozdział czwarty przedstawia metodykę pomiarów i sposób analizy wyników. Uważam, że wiele szczegółów dotyczących układu pomiarowego jest oczywistych i nie powinno znaleźć się w rozprawie na poziomie doktorskim (na przykład rysunki 4.8, 4.9, 4.10, 4.11, 4.12, 4.16 przedstawiające fotografie określonych przyrządów i elementów). Podobnie definicje transmitancji operatorowej, odpowiedzi impulsowej i skokowej są zbyt podstawowe, aby rozwodzić się nad nimi w pracy doktorskiej. Rys zawiera przy tym błąd. Odpowiedź czasowa układu jest splotem a nie zwykłym iloczynem wymuszenia i odpowiedzi impulsowej obiektu, jak to definiuje ten rysunek. Ważny element tego rozdziału stanowią punkty dotyczące omówienia modeli identyfikacji w implementacji Matlaba, które zostały zastosowane w pracy. Podstawowy dorobek badawczy autora zawarty jest częściowo w rozdziale czwartym (punkt 4.6) oraz w rozdziale piątym, stanowiącym główne jądro rozprawy doktorskiej. Ocenę tej części rozprawy opieram na treści oraz dodatkowych uzupełnieniach dostarczonych mi przez doktoranta. W części 4.6 rozprawy autor analizuje wpływ tolerancji poszczególnych elementów pomiarowych układu badanego na wyniki pomiarów. Jest to interesująca analiza, choć jej wyniki mogły być z góry przewidziane. Zmiany losowe wywołane różnym stanem środowiska występujące przy przepływie ciepła, zmienność sygnałów termoelementów użytych przy pomiarze temperatury według schematu pomiarowego autora, są wielokrotnie większe niż tolerancje odczytu przyrządów pomiarowych, stąd wniosek z tych badań jest oczywisty. 2

3 Jedynymi elementami, które mogą znacząco wpływać na wynik są termopary, których wskazania mogą podlegać przypadkowym zmianom typu szumowego wynikającym z podgrzewania elementów wymiennika. Rozdział piąty stanowi główne jądro rozprawy i dotyczy określenia parametrów drgań własnych (częstotliwości i współczynników tłumienia) na podstawie odpowiedzi skokowej i charakterystyki częstotliwościowej Bodego dla modelu zidentyfikowanego przy użyciu metody Boxa-Jenkinsa. Autor rozważa różne przypadki zasilania dla czterech kształtów elementów aktywnego i pasywnego wymiennika (w pracy na stronie 28 przedstawiono 5 kształtów). Analizuje odpowiedzi skokowe i charakterystyki częstotliwościowe Bodego, na podstawie których dokonuje określenia wartości częstotliwości drgań i współczynnika tłumienia alfa. Zadanie to związane jest z głównym celem pracy. Rozwiązanie problemu identyfikacji systemu wymiennika zaprezentowane przez doktoranta można uznać za właściwe pod warunkiem, że odpowiedź skokowa układu odpowiada rzeczywistemu (badanemu) wymiennikowi ciepła. Zauważyłem tu pewne nieścisłości numeryczne gdyż oscylacje występujące w odpowiedzi skokowej różnią się pod względem okresu od tych obserwowanych na wykresach pomiarowych (porównaj rysunki z rysunkami ). Przebiegi odpowiedzi skokowej powstałe w wyniku zastosowania modelu Boxa-Jenkinsa niedokładnie odzwierciedlają właściwe przebiegi czasowe oscylacji obserwowanych w rzeczywistym wymienniku ciepła. Dodatkowo w pracy nie przedstawiono danych liczbowych dotyczących jakości identyfikacji parametrów w postaci błędów predykcji FPE lub FIT (dane te otrzymałem dopiero na własną prośbę). Mam przy tym pytanie dotyczące natury fizycznej tych oscylacji. Tradycyjnie systemy termiczne przekazywania ciepła opisywane są zwykle równaniami różniczkowymi cząstkowymi typu parabolicznego, w których rozwiązaniu nie obserwuje się drgań. Ich modelem elektrycznym są obwody RC, w których również drgań nie ma. Jak zatem wyjaśnić fizyczną naturę tych obserwowanych oscylacji? Gdzie leży przyczyna ich powstania? Ostatnią część pracy stanowi podsumowanie, gdzie w siedmiu punktach przedstawiono główne osiągnięcia autora oraz wnioski praktyczne wynikające z przeprowadzonych badań eksperymentalnych i symulacyjnych. Wyniki przedstawione przez autora mają pewną wartość aplikacyjną i mogą być wykorzystane również przez innych badaczy przy opracowaniu praktycznie stosowanych systemów wymienników ciepła. 3

4 Za główne osiągnięcia rozprawy doktorskiej mgr inż. Piotra Skowrońskiego uważam: Przeprowadzenie szeregu badań eksperymentalnych wymiennika ciepła z różnymi elementami aktywnymi i pasywnymi przy różnych warunkach zasilania. Zastosowanie metodyki Boxa-Jenkinsa do zamodelowania procesu zachodzącego w wymienniku ciepła. Moje wątpliwości budzi niewystarczające porównanie wyników identyfikacji parametrów tego modelu z wynikami badań praktycznych. Zaproponowanie metody identyfikacji parametrów oscylacji temperatury w modelu wymiennika ciepła przy wykorzystaniu charakterystyk częstotliwościowych Bodego. Praca napisana jest poprawnym językiem polskim, dość dobrze zredagowana i nasycona wieloma wynikami badań dotyczącymi różnych przypadków zasilania i kształtu elementów wymiennika. Studiując te wyniki dla poszczególnych przypadków odnosi się wrażenie pewnych powtórek opisowych. Tym nie mniej uważam, że praca w ogólności jest dobrze opracowana pod względem graficznym i licznych prezentacji wyników numerycznych. Biorąc powyższe pod uwagę chciałbym w konkluzji podsumowującej tę część mojej opinii wyrazić swoją pozytywną ocenę rozprawy. 3. Uwagi krytyczne Niezależnie od zastrzeżeń sformułowanych w części pierwszej oceny całościowej rozprawy mam wiele konkretnych uwag krytycznych bądź dyskusyjnych, których nie poruszyłem wcześniej. 1. Odpowiedzi czasowe zmian temperatury w funkcji czasu odpowiadające różnym nastawom parametrów procesu (moc elektryczna elementu grzejnego) dla różnych kształtów elementów (rysunki od 5.5. do 5.11) pokazują oscylacje szumowe temperatury o nieregularnym kształcie i zmiennych parametrach dotyczących częstotliwości oraz tłumienia. Niezależnie od tego można zauważyć stosunkowo niewielkie oscylacje temperatury o znacznie dłuższym okresie trwania, zanikające z czasem. Oscylacje te podlegały w pracy identyfikacji pod względem wartości ich parametrów. Porównanie oscylacji podlegających identyfikacji (obserwowanych w pomiarach i tych zidentyfikowanych teoretycznie w odpowiedzi skokowej) wskazuje na znaczne różnice. Jaki jest związek oscylacji obserwowanych w pomiarach praktycznych i odpowiedzi skokowych zaprezentowanych w rozprawie? Zgodnie z teorią odpowiedź układu liniowego na dowolne wymuszenie w czasie jest splotem (konwolucją) wymuszenia i 4

5 odpowiedzi impulsowej. Trudno doszukać się takich relacji studiując okresy uzyskanych eksperymentalnie przebiegów i wyników obliczeń teoretycznych odpowiedzi skokowej. 2. Następne pytanie dotyczy analizy modelu wymiennika (rozdział czwarty rozprawy). Autor zastosował model Boxa-Jenkinsa identyfikacji i przedstawił analizę odporności modelu z uwzględnieniem korekty temperatur. a. Nie znalazłem w treści wartości numerycznych parametrów B, F, C, D tego modelu, a one stanowią najważniejszy efekt identyfikacji (zostały one dostarczone na moje życzenie). b. Jakie dane wzięte z sygnałów pomiarowych uzyskanych eksperymentalnie w badaniach wymiennika były używane w procesie identyfikacji (co stanowiło sygnały wejściowe a co wyjściowe)? Dane te na moją prośbę zostały dostarczone w trakcie recenzji. c. Jak zrealizować w praktyce odpowiedzi skokowe przedstawione w tym punkcie pracy? Takie porównanie byłoby wskazane aby móc ocenić właściwie jakość modelu teoretycznego wymiennika. Jak generuje się praktycznie sygnał wejściowy dla tej odpowiedzi w postaci funkcji Heaviside'a w procesie termicznym? Sygnał ten ma wartość stałą, poczynając od punktu zerowego, co w przypadku strumienia ciepła trudno uzyskać. 3. Metoda analityczna wyznaczania parametrów oscylacji zakłada, że w analizowanej charakterystyce częstotliwościowej obserwuje się punkt maksymalny charakterystyki Bodego (strona 59). Jednocześnie przy małych mocach zasilania (patrz rys. 5.21, 5.22, 5.23) punkt taki trudno zaobserwować, co powinno oznaczać brak oscylacji (czy tak?). Tymczasem w tabelach wynikowych w rozdziale 5 są podane wartości pulsacji i współczynnika tłumienia (różne od zera) dla każdego przypadku zasilania. Jak to należy rozumieć? Autor nie uwzględnia tego problemu w swojej dyskusji, a jest to chyba ważny praktycznie przypadek, wymagający jednoznacznego skomentowania. 4. Analiza szybkich przebiegów czasowych zmian temperatury w czasie (rysunki ) pokazuje istnienie również wielu harmonicznych o znacznie większych częstotliwościach. W pracy nie znalazłem żadnego odniesienia do tych szybkich zmian temperatury typu szumowego ani wyjaśnienia ich natury i przyczyn powstania. 5

6 5. Na rysunkach przedstawiających odpowiedzi skokowe brakuje jednostek na osi pionowej. W efekcie nie wiemy, jakiej fizycznej wielkości dotyczą te odpowiedzi. Z treści na stronie 68 wynikać może, że odpowiedź skokowa przedstawia zależność temperatury elementu biernego od temperatury elementu aktywnego, co sugeruje, że wymuszeniem jest temperatura elementu aktywnego. Jak w praktyce można osiągnąć stałość tej temperatury wymaganą w odpowiedzi skokowej? 6. Z drobnych uwag chciałbym wymienić pewne niedociągnięcia dotyczące nazewnictwa. Na przykład dotyczące częstotliwości i pulsacji sygnału. Jeśli wymiar parametru jest rad/sekundę to mamy do czynienia z pulsacją, jeśli natomiast l/s (Hz) to z częstotliwością. Tego typu pomyłki widoczne są w tabelach 4.6 i 4.7. Autor również używa pojęcia częstość". Jaki jest związek tego pojęcia z częstotliwością? Tego typu pojęcie jest używane w tabelach wynikowych , ale również 4.6 i Odpowiedzi układu w dziedzinie czasu noszą zwykle nazwę odpowiedzi" i nie można ich utożsamiać z charakterystykami, jak to robi autor w rozdziale piątym. Pojęcie charakterystyka" jest zwykle utożsamiane w dziedzinie przetwarzania sygnałów z dziedziną częstotliwości. 4. Konkluzja oceny Nawiązując do Ustawy o Stopniach Naukowych i Tytule Naukowym w sprawie warunków i trybu przeprowadzania przewodów doktorskich, stwierdzam, że przedstawiona mi do oceny rozprawa doktorska mgr inż. Piotra Skowrońskiego po dodatkowych uzupełnieniach i poprawkach spełnia zadowalająco warunki określone w Ustawie. Proponuję dopuścić jej autora do obrony, zakładając przy tym, że w czasie obrony nastąpi wyjaśnienie poruszonych przeze mnie problemów. 6