Kraków, dnia 14 września 2015 r. Dr hab. inż. Andriy Burbelko, prof. n. AGH

Transkrypt

1 Kraków, dnia 14 września 2015 r. Dr hab. inż. Andriy Burbelko, prof. n. AGH RECENZJA rozprawy doktorskiej Pana mgr. niż. Romana Hawranka pt. Numeryczne ujęcie mechanizmu filtracji wtrąceń niemetalicznych w procesie przepływu cieczy wielofazowej w wysokich temperaturach Niniejsza recenzja pracy doktorskiej reprezentującej dyscyplinę Budowa i eksploatacja maszyn została przygotowana na zamówienie Rady Wydziału Mechanicznego Politechniki Wrocławskiej z dnia r. Recenzowana praca doktorska ma klasyczny układ i składa się ze 149 str., zawiera 112 rysunków i 16 tabel oraz wykaz literatury 165 poz. (w tym 12 opublikowanych z udziałem autora). W treści rozprawy autor wydzielił Studium literatury, który składa się z 6 rozdziałów, przedstawił podsumowanie analizy stanu zagadnienia oraz sformułował tezę, cel i zadania pracy. Badania własne opisane zostały w częściach Metodyka badań (2 rozdziały) i Wyniki badań (3 rozdziały). Oddzielny rozdział stanowią wnioski i uwagi końcowe. Część wyników symulacji w postaci graficznej autor przedstawia w 7 Aneksach. Autor rozprawy uzasadnia wybrany temat badań potrzebami praktycznymi, a mianowicie ciągłym wzrostem wymagań stawianych przed elementami maszyn, a w tym przed wytwarzanymi metodami odlewniczymi. Stosowanie nowych materiałów na odlewy nie załatwi tego problemy, jeżeli nie będziemy dbali o jakość ciekłego metalu, krzepnącego we wnęce formy odlewniczej. Metody metalurgiczne wytapiania stopów i materiały formierskie stosowane w przemyśle powodują, że w mikrostrukturze odlewów zawsze występują wtrącenia faz niemetalicznych obniżające poziom właściwości mechanicznych i użytkowych wyrobów ze stopów metalowych. Filtracja ciekłego stopu przy jego wprowadzaniu do wnęki formy odlewniczej jest dość skutecznym zabiegiem, pozwalającym na obniżenie poziomu wtrąceń niemetalicznych w odlewach. Zabieg ten jest dość często stosowany w przemyśle. Autor rozprawy przedstawił bardzo szczegółowe studium zagadnienia, zaczynając od wad odlewów spowodowanych obecnością wtrąceń niemetalicznych. Przeanalizowano rodzaje, budowę i zastosowanie niektórych typów filtrów oraz specyfikę projektowania układów wlewowych w przypadku wprowadzenia zabiegu filtracji w formie. Szczególną uwagę autor zwraca na znane prawa filtracji i przegląd znanych mechanizmów tego procesu.

2 2 Analizując znane zjawiska zachodzące w filtrach oraz modele matematyczne filtracji ciekłego metalu autor doszedł do wniosku, że nie istnieje dotychczas jednolita teoria procesów zachodzących w przestrzeni filtrów metalurgicznych, która mogłaby z wystarczającą dokładnością wyjaśnić mechanizmy filtracji i ocenić efektywność tego zabiegu dla różnych typów filtrów. W związku z powyższym celem recenzowanej pracy doktorskiej słusznie wybrano wyjaśnienie mechanizmu filtracji wtrąceń z ciekłego metalu. Dla osiągnięcia tego celu zaproponowano zastosować metody komputerowej symulacji przepływu cieczy wielofazowej przez filtr. Przyjęto również, że wyniki symulacji należy potwierdzić za pomocą wyników doświadczalnych, polegających na badaniach składu fazowego żeliwa z grafitem kulkowym zakrzepłego w przestrzeni filtra. Uważam, że głównym elementem pracy są badania symulacyjne przepływu cieczy wielofazowej przez obszary filtrów piankowych i prasowanych. Celem tych badań jest wyjaśnienie mechanizmów oczyszczania ciekłego żeliwa od wtrąceń niemetalicznych w trakcie ruchu przez filtry w układzie wlewowym. Proces przepływu cieczy wielofazowej przez obszar o złożonej geometrii, który reprezentuje geometrie filtra, jest zjawiskiem bardzo złożonym. Doktorant zaproponował podejście do opracowania modelu matematycznego tego procesu do celów symulacji komputerowej procesu filtracji ciekłego metalu w odlewnictwie, które polega na uwzględnieniu wyłącznie czynników istotnych dla poprawnego ujęcia analizowanego zjawiska: zadanie dwuwymiarowe, przepływ ustalony, pominięcie przepływu ciepła, nieściśliwy płyn dwufazowy i in. Uważam, że ze względu na złożony charakter procesu założone uproszczenia modelowe są słuszne. Jako narzędzie do wykonania symulacji wybrano oprogramowanie Ansys-FLUENT. Jest to dziś jedna z najlepszych aplikacji symulacyjnych do wykonania obliczeń modelowych w zakresie komputerowej mechaniki płynów. Jest to również jedna z nielicznych aplikacji pozwalających na symulację przepływów wielofazowych. Uważam, że autor poprawnie wybrał właściwe narzędzie badawcze, niezbędne do osiągnięcia wyznaczonego celu. W ramach wstępnych symulacji komputerowych przeanalizowano przepływ ciekłego żeliwa pomiędzy wlewem głównym a zasilaną wnęką przez pełny układ wlewowy, zawierający filtr. W ramach tych badań wstępnych wytypowano fragment komory filtracyjnej z filtrem, w obrębie którego występuje stabilizacja przepływu. Właśnie dla tego fragmentu przeprowadzono bardziej szczegółowe badania symulacyjne, stanowiące główne osiągnięcie pracy.

3 3 Rozprawa nie jest pozbawiona wad. Tu wymienić chciałbym przede wszystkim zbyt niską rozdzielczość większości zamieszczonych materiałów graficznych. Występują liczne błędy interpunkcyjne i gramatyczne oraz nieścisłe sformułowania. Szereg uwag: W tekście kilkakrotnie występują niewłaściwe sformułowania, na przykład: ciało gazowe, stopy żeliwa, stopy staliwa Generalnie nie należy dublować prezentacji danych zestawionych w tabeli prezentacją graficzną tych samych danych (tabeli 1-4 i rys ). W pracy występują nieprecyzyjne sformułowania typu: Powierzchnia czołowa płaskich filtrów jest znacznie większa niż ich grubość (str. 34). Nie możemy porównywać pole powierzchni z wymiarem liniowym. Inny przykład zakrzepły w układzie stalowym filtr Skróty jednostek fizycznych nie zawsze przedstawiane są zgodnie z SI: sec. i mili sec. zamiast s i ms. str. 21, ust. 1: Zamiast cyklicznego zmęczenia należy zastosować pojęcie cyklicznego obciążenia. str. 21, ust. 2: Zadania stawiane przed filtrami wymieniono w pp. 1 i 2, natomiast w pp. 3-8 opisano wymagania w stosunku do materiałów i konstrukcji filtrów. str. 27, ust. 1: W pracy przyjęto tzw. vancouverski system cytowania według kolejności występowania w tekście. W tym miejscu odstąpiono od przyjętej reguły, powołując się na badania (Mutharasan et al. 1981) i (Hedjazi et al. 1975) za pomocą tzw. harwardzkiego systemu (autor, rok). str. 40, ust. 1: Opis pojęcia i sposób obliczenia otwartej powierzchni przekroju poprzecznego dla filtra piankowego są niejasne. str. 41, tabela 7: Czy jednostka przepustowości jest podana poprawnie? str. 42, ust. 1: Czy pojęcie rozkład normalny prędkości strugi w kanale oznacza rozkład Gaussa? str. 43, ust. 1: Przedwczesne zatkanie filtra ilustruje jedynie rys. 33f, a nie 33d, e, f, jak to podano w pracy. str. 44, równanie (2): Przedstawiony opis równania i notacja zmiennych są niekonsekwentne. Poprawna nazwa zmiennej x i nazwanej punktem w przestrzeni płynu w danym kierunku brzmi współrzędna i. Indeks dolny w oznaczeniu wektora prędkości υ i sugeruje, że

4 4 jest to rzut na kierunek współrzędnej i. Poprawny zapis równania ciągłości dla przepływu cieczy powinien wyglądać następująco: divυ t gdzie: div operator dywergencji divυ x 1 1 x 2 2 x 3 3. Taki poprawny zapis jest zastosowany w równaniu (14). Autor rozprawy nie buduje algorytmu rozwiązywania równań modelowych, a korzysta z oprogramowania komercyjnego, dlatego błędny opis nie ma charakteru krytycznego dla wyników pracy. str. 44, równanie (16), str. 45, równanie (17): Dla obszarów o niejednorodnym współczynniku przewodzenia ciepłą κ zamiast 2 T powinno być T str. 46, ostatni akapit: Równanie Bernoulliego może być stosowane dla modelowania przepływu ciekłych metali i stopów w kanałach układu wlewowego, a nie do ogólnego modelowania procesu wypełniania całej wnęki formy o dowolnym skomplikowanym kształcie. str. 47, akapit 2: Autor piszę o tym, że precyzja oprogramowania do symulacji procesów odlewniczych w zakresie zadań komputerowej mechaniki płynów jest znacznie gorsza niżeli w przypadku zadań związanych z przewodzeniem ciepła. Stwierdzenie to jest zbyt ogólne, ponieważ wśród ok. 20 znanych programów komputerowych dla symulacji procesów odlewniczych są pakiety, które dają dość poprawne wyniki w każdej z tych dziedzin. Są też takie które dobrze sobie radzą tylko w jednej z nich, przy czym nie koniecznie jest to dziedzina zagadnień cieplnych. Przedstawione przez autora powody niedokładności symulacji zadań CFD mogą być przeniesione w całości na zadania cieplne. str. 48, akapit 1: Sformułowanie filtry o większej porowatości (mniejszych kanałach filtracyjnych) jest mylące, ponieważ wymienione są tu dwie różne cechy filtrów: porowatość (mierzona udziałem objętościowym porów, czyli wartość bezwymiarowa) i liczebność kanałów (mierzona stosunkiem pola powierzchni kanałów do objętości filtra, którego jednostką jest m 2 /m 3 = m -1 lub ppi = cal -1 ). Filtry o większej porowatości mogą mieć zarówno większą ilość mniejszych kanałów, jak i mniejszą ilość kanałów o większych wymiarach poprzecznych. Podobne niewłaściwe zestawienie pojęć występuje na str. 54, pkt. 1: Filtry o najmniejszej porowatości (duże kanały) str. 51, rys. 37: w poz. c) powtórzono tabele 10 ze str. 49.

5 5 str. 54, rys. 41a,b: Rysunki a) i b) wykazują wpływ na filtrację wyłącznie prędkości przepływu, a nie wielu parametrów i ich zmienności w czasie, jak to wynika z tekstu. str. 54, pkt. 5: Należy mówić o zwilżalności ciała stałego przez płyn, więc zamiast sformułowań zwilżalność metalu, zwilżalność wtrąceń należy stosować: zwilżalność materiału filtra przez ciekłe wtrącenia i stop lub zwilżalność wtrącenia przez ciekły stop. str. 55, akapit 2: Czy w zdaniu Wtrącenia o niskiej temperaturze krzepnięcia nie powinno być o stosunkowo wysokiej temperaturze krzepnięcia? str. 56, akapit 3: Proszę o podanie poprawnego sformułowania zdania 2., które zaczyna się od słów Oznacza to tym samym str , rys. 46 i jego opis w tekście: Czy trajektoria ruchu wtrącenia (rys. b) będzie jednakowa dla sytuacji, kiedy gęstość wtrącenia jest wyraźnie większa lub jest wyraźnie mniejsza, niż gęstość cieczy? str. 70, rys. 47: rys. 47e nie pokazuje formy po zalaniu, lecz odlewy z układem wlewowym i filtrami, rys. 47f dubluje dane tabeli 13. str. 71: Jak był mierzony czas wypełniania każdej wnęki? Czy był rejestrowany lub stabilizowany poziom metalu we wlewie w trakcie zalewania? Na jakiej podstawie zalecony jest 4-5-krotne zwiększenie szerokości komory filtracyjnej w stosunku do wlewu przed filtrem? Jednostką prędkości jest m/s, a nie m 3 /s. str. 79, rys. 51d) przedstawia nie rozkład normalny, a histogram empiryczny rozkładu średnic kanałów filtra. Może być zbliżony do rozkładu normalnego, ale analiza statystyczna w pracy nie jest przedstawiona. str. 97. Rys. 71a jest powtórzeniem rysunku 62, a rys. 72a jest powtórzeniem rys. 63. str. 100, 1 zdanie: Sformułowanie faza gazowa rozpuszczona w metalu jest niepoprawne. Proszę przedstawić definicję pojęcia faza i przeformułować zdanie. str. 108: bryła pentahedronu o najczęściej pięciobocznych ścianach. Pojęcie pentahedron (które występuję również w innych miejscach rozprawy) użyto niepoprawnie, oznacza bowiem wielościan o pięciu ścianach. Należałoby zastąpić pojęciem wielościanu o najczęściej pięciobocznych ścianach. Rys. 10 (str. 20) nie został wymieniony w tekście rozprawy. Chciałbym zaznaczyć, że przedstawione wyżej uwagi nie podważają otrzymanych przez autora wyników, natomiast mam nadzieję, że będą uwzględnione w przyszłych pracach autora, który w rozdziale Wnioski i uwagi końcowe zasygnalizował, że istnieją nie prezentowane w tekście rozprawy badania nad filtracją stopów aluminium.

6 6 Po przeanalizowaniu rozprawy doktorskiej mgr. inż. Romana Hawranka chciałbym uzyskać odpowiedzi na następujące pytania: Pytania: 1. Przedstawione w tekście rozprawy rysunku maja zbyt niską rozdzielczość. Proszę w trakcie obrony przedstawić sekwencje zdjęć lub animacje lepszej rozdzielczości. 2. Dlaczego wpływ filtracji na granicę plastyczności R p0,2 żeliwa szarego i żeliwa z grafitem kulkowym ma różny znak: w żeliwie szarym maleje prawie 2-krotnie, a w żeliwie sferoidalnym lekko wzrasta? Obydwie zmiany są traktowane w tekście jako pozytywne. Czy ten wzrost dla żeliwa sferoidalnego jest istotny w ocenie statystycznej? (dot. str ). 3. Co oznacza zalewanie niejednorodne w zdaniu (str. 47): Filtr w układzie wlewowym powoduje zalewanie niejednorodne? 4. W układzie 9 równań (2 do 10) występuje 11 zmiennych. Proszę wyjaśnić możliwość jego jednoznacznego rozwiązania. 5. Cecha filtra podawana przez producenta jest wartością znamionową. Zarówno jej przestrzeganie, jak i kontrola są proste dla filtrów wytłaczanych i ekstrudowanych. Dla filtrów piankowych odchylenie od wartości znamionowej nie jest proste do kontroli. Czy doktorant podejmował próby pomiaru faktycznych parametrów geometrycznych filtrów piankowych (udział objętościowy i wymiar liniowy kanałów)? Czy można uzyskać dane odnośnie statystyki tych parametrów od producentów filtrów? 6. Czym uzasadniony jest wybór wielkości i liczby wtrąceń w badaniach symulacyjnych? Założenie rozkładu logarytmicznie normalnego mogłoby (prawdopodobnie) zapewnić bardziej naturalne odwzorowanie zestawu wtrąceń występujących ciekłym metalu. 7. W jakich pozycjach początkowych znajdowały się wtrącenia? 8. Czy zmienna X-velocity oznacza rzut wektora prędkości na oś poziomą na rysunkach 55 i dalej? 9. Skala rysunków, przedstawiających badania własne, przeszkadza w jednoznacznej identyfikacji obszarów wirowych i zastoin w filtrze piankowym. Proszę przedstawić wyniki we właściwej dla tego skali. 10. Proszę wyjaśnić stwierdzenie 10 (str. 88): Ze wzrostem prędkości przepływu metalu zmniejsza się zdolność do zatrzymywania wtrąceń (Rys. 60). Na tym rysunku liczba wtrąceń zatrzymanych na ściankach filtra ze wzrostem prędkości przepływu zwiększa się: 5 dla 0,05 m/s, 6 dla 0,20 m/s, 15 dla 0,35 m/s, 19 dla 0,50 m/s. 11. Dlaczego sumaryczna liczba wtrąceń o średnicy 0,6 mm w przypadku prędkości przepływu 0,05 m/s na rys. 61a i 70a jest oceniona na poziomie 0%?

7 7 12. Czy poszczególne diagramy przestawione na rys. 61a-e otrzymano za pomocą uśredniana kilku symulacji, czy na podstawie wyników pojedynczych eksperymentów obliczeniowych? 13. Uważam, że granica pomiędzy filtracją boczną a filtracją wsteczną w przypadku filtrów piankowych jest dość rozmyta (z powodu braku wyraźnej ścianki tylnej filtra). Czy autor może zaproponować obiektywne kryterium podziału, np. odległość od gabarytu filtra? 11. Rys. 60 nie potwierdza tego, że wtrącenia większych wymiarów są porywane przez strumień metalu poza filtr piankowy nawet po wcześniejszym kontakcie ze ścianą filtru. Potwierdzić takie zjawisko może sekwencja zdjęć, przedstawiająca ruch cząstek. 12. Jednym z założeń modelowych jest brak poślizgu przy ścianach bocznych (str. 77), natomiast na str. 91 stwierdzono, że strefy o obniżonej prędkości przepływu w stosunku do prędkości początkowej na filtrze prasowanym występują tylko w wąskich obszarach przed i za ściankami tego filtra. Proszę o wyjaśnienia. 13. Które wyniki doświadczalne potwierdzają gromadzenie się wtrąceń niemetalicznych w kanałach filtra na utworzonym placku (str. 101)? Z tekstu nie wynika, gdzie zlokalizowane są przekroje 7 a-d, opisane w rozdziale Z rys. 60j (str. 87) wynika, że przy maksymalnej prędkości przepływu 1 m/s znaczna część wtrąceń zatrzymuję się w przestrzeni filtra, nie mając bezpośredniego kontaktu z jego ściankami. Wymaga to dodatkowego wyjaśnienia. PODSUMOWANIE Rozprawa doktorska, przygotowana przez mgr. inż. Romana Hawranka stanowi oryginalne rozwiązanie problemu naukowo-technicznego i wykazuje dobrą ogólną wiedzę teoretyczną i praktyczną kandydata, a także umiejętność prowadzenia pracy naukowej. Uważam, że rozprawa, pomimo przedstawionych wyżej uwag, spełnia wymagania ustawy z dnia 14 marca 2003 r. o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki (Dz. U. z dnia 16 kwietnia 2003 r. ze zmianami). Wnioskuje o przyjęcie rozprawy doktorskiej i dopuszczenie jej do publicznej obrony. Dr hab. inż. Andriy Burbelko, prof. nadzw. AGH