Dr hab. inż. Zbigniew Zapałowicz, prof. ZUT Katedra Techniki Cieplnej Wydział Inżynierii Mechanicznej i Mechatroniki Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie Szczecin, 27 grudnia 2017 r. RECENZJA rozprawy doktorskiej mgr inż. Dariusza Bogdana Grygo pt.: Analiza zjawisk zachodzących podczas pracy tarana wodnego 1. Podstawa formalna Ponowna recenzja w/w rozprawy doktorskiej została wykonana na pisemne zlecenie Dziekana Wydziału Nauk Technicznych Uniwersytetu Warmińsko-Mazurskiego w Olsztynie dr hab. inż. Adama Lipińskiego, prof. UWM z dnia 29.11.2017 r. (zgodnie z pismem WNT- DZ.DR-BiEP 192/2017). Opracowanie wykonano zgodnie z wymogami tekstu Ustawy z dnia 14 marca 2003 r. o stopniach i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki, w brzmieniu ustalonym Ustawą z dnia 18 marca 2011 roku. Recenzent otrzymał od Autora rozprawy obszerne pisemne odpowiedzi i wyjaśnienia na sformułowane w pierwszej wersji pracy uwagi pismo z dnia 20 października 2017 r. Większość z podanych uwag została uwzględniona w całości lub częściowo przez mgr inż. Dariusza Grygo w poprawionej wersji rozprawy doktorskiej. 2. Uzasadnienie podjęcia badań Tarany wodne są obecnie bardzo rzadko spotykanymi w praktyce urządzeniami służącymi do transportu wody. Urządzenia te zalicza się do grupy przenośników cieczy. Autor rozprawy podejmując się badań tych urządzeń stwierdził, że możliwe jest ich ponowne zastosowanie w niektórych obszarach gospodarki. Za możliwością ponownego zastosowania taranów wodnych przemawia fakt, że ich konstrukcje są proste i tanie, a do transportu wody wystarczą odpowiednie źródło wody oraz ukształtowanie terenu. Zaletami taranów wodnych są więc zarówno brak konieczności zakupu energii jak i niskie koszty eksploatacji. Do wad niestety należy zaliczyć ograniczony obszar zastosowań, stosunkowo niską wydajność i ograniczoną geometryczną wysokość podnoszenia. Na podstawie istniejącej wiedzy o budowie i działaniu taranów wodnych Autor stwierdził, że wymaga ona dalszego uporządkowania i uzupełnienia stąd motywacja do podjęcia badań. 3. Ocena merytoryczna pracy Poprawiona wersja rozprawy doktorskiej Pana mgr inż. Dariusza Grygo liczy 193 strony, przy czym zasadnicza część pracy wraz z bibliografią to 180 stron tekstu. Niestety Autor niepotrzebnie zostawił dwie wolne strony między zasadniczą częścią tekstu a 1
rozdziałem Bibliografia. Struktura pracy jest poprawna. Na pracę składa się 11 numerowanych rozdziałów. Rozdziały Spis treści i Wykaz ważniejszych oznaczeń rozpoczynają rozprawę doktorską. W rozdziale Wprowadzenie zdefiniowano przedmiot badań taran wodny oraz podano zasadę jego działania. Kolejny rozdział zawiera informacje o motywach podjęcia badań, ich celu oraz zakresie. Zasadnicza część pracy to rozdziały 3 7, w których podano informacje o budowie i działaniu stanowiska badawczego, przedstawiono metody badań, zamieszczono i omówiono wyniki badań eksperymentalnych, analitycznych i numerycznych. W rozdziale 8 podano autorskie propozycje konstrukcji taranów wodnych i możliwości ich praktycznego zastosowania. Podsumowanie rozprawy doktorskiej i wnioski znajdują się w rozdziale 9. Zasadniczą część pracy kończy rozdział Bibliografia. Na końcu rozprawy zamieszczono rozdziały Spis rysunków oraz Streszczenie pracy po polsku i po angielsku. Szczegółowe omówienie pracy Zasadnicza cześć pracy zaczyna się rozdziałem Wprowadzenie. W rozdziale tym Autor podał definicję tarana wodnego i zasadę jego działania oraz podał informacje o stanie wiedzy dotyczącej taranów wodnych. W podrozdziale 1.6 Doktorant omówił także zjawisko uderzenia hydraulicznego, które jest kluczowe w działaniu tych urządzeń. Podsumowując informacje podane w tym rozdziale uwypuklił obszary wiedzy wymagające jeszcze uporządkowania i uzupełnienia. Uwagi recenzenta dotyczące tego rozdziału zostały uwzględnione w nowej wersji rozprawy doktorskiej. W rozdziale 2 pracy doktorskiej Autor przedstawia swoje motywacje i argumenty, które zadecydowały o podjęciu badań taranów wodnych, ze szczególnym uwzględnieniem przebiegu przemian zachodzących w trakcie jednego cyklu pracy tych urządzeń. Na tej podstawie formułuje hipotezę, cele pracy oraz określa zakres prowadzonych badań. Najtrudniej jest tu uzasadnić obszar zastosowań tarana wodnego, który jest jak już wcześniej wspomniano, mocno ograniczony. Rozdział 3 rozprawy doktorskiej przedstawia szczegółowo stanowisko badawcze (jedno z kilku), które Autor zbudował i uruchomił w celu przeprowadzenia badań. Koncepcja konstrukcji stanowiska badawczego i jego wyposażenie zostały głęboko przemyślane już w fazie projektowania. Doktorant szczegółowo przedstawia i omawia poszczególne układy oraz aparaturę pomiarową wykorzystaną w trakcie badań. Uwagi dotyczące rozdziału 3: - czy w tabeli 3.2. nie należałoby podać także dokładności pomiaru parametrów w poszczególnych układach? - nieprecyzyjny jest opis pomiaru wysokości położenia lustra wody w zbiorniku w układzie dostarczającym wodę do tarana wodnego; zbiornik jest nieprzeźroczysty i z poziomu gruntu nie możliwe jest określenie gdzie jest położone lustro wody? Informacja o tym pomiarze jest też na str. 67. - w bibliografii nie ma cytowanych prac [WIKA Instruments, 2014] str.58, (EZ Digital Co., 2014] str.60 - nadal nie rozumiem sensu zamieszczenia rys.3.15 i 3.16; owszem informacje o ciśnieniach są istotne z punktu widzenia przyjętej przez Autora metodyki badań, ale wystarczy jedno zdanie komentujące wyniki pomiaru ciśnień zamiast rysunków. Najistotniejszy rozdział rozprawy doktorskiej to rozdział 4. Analiza zmian ciśnień w odpowiednich przestrzeniach tarana wodnego pozwala na szczegółową analizę zjawisk i podział cyklu pracy tarana wodnego na etapy i fazy. Jest to najważniejsze osiągnięcie rozprawy doktorskiej. Autor podzielił cykl pracy tarana wodnego na etapy przyśpieszania, pompowania (podnoszenia) i powrotu. Etap przyśpieszania ma dwie fazy, które zależą od położenia elementu zamykającego zawór impulsowy, przy czym zawór ciśnieniowy jest w 2
obu fazach tego etapu zamknięty. Etap podnoszenia wody rozpoczyna się z chwilą zamknięcia zaworu impulsowego (punkt A na skali czasu) i trwa do chwili zatrzymania ruchu wody (punkt E). Etap ten ma 5 charakterystycznych faz. Granice między poszczególnymi fazami wynikają ze zmian ciśnienia w obu przestrzeniach tarana wodnego, które z kolei zależą od zjawisk fizycznych towarzyszących podnoszeniu wody. Ostatni z etapów rozpoczyna się z chwilą, gdy element zamykający zawór ciśnieniowy zaczyna się przemieszczać w kierunku gniazda zaworu (punkt E). Etap tan składa się z dwóch faz. Wykres 4.10 przedstawiający jakościowe zmiany charakterystycznych parametrów (ciśnień i prędkości) oraz położenie zaworów jest istotny z punktu widzenia poznawczego. Uwagi dotyczące rozdziału 4: - czy konieczna jest aż tak duża dokładność określania gęstości wody (999,006 kg/m 3 )? - jaka jest metodyka określania ekwiwalentnej prędkości rozchodzenia się fali uderzeniowej? - czy miejsce pomiaru ciśnienia może mieć wpływ na otrzymane wyniki? - czy punkt A odpowiada jednocześnie zamknięciu zaworu impulsowego i otwarciu zaworu ciśnieniowego? Jak wynika z analizy podanej przez Autora te położenia zaworów odpowiadają różnym chwilom czasowym. Co prawda czas między zamknięciem zaworu impulsowego a otwarciem zaworu ciśnieniowego jest bardzo krótki (kilka nanosekund), to jednak są to formalnie dwie różne chwile. Może należałoby wprowadzić do analizy także tą fazę procesu? Wtedy etap przyspieszania składałby się nadal z trzech faz. Natomiast etap podnoszenia z 6 faz. Wymagałoby to wprowadzenia punktu I w procesie podnoszenia cieczy, któremu odpowiadałoby chwila zamknięcia zaworu impulsowego. W czasie odpowiadającym odcinkowi I-A fala uderzeniowa przemieszczałaby się w przestrzeni między zaworami. Punkt A odpowiadałby chwili otwarcia zaworu ciśnieniowego - dlaczego Doktorant omawia przebieg procesu w czasie odpowiadającym punktom A i B w etapie przyśpieszania; według przyjętego podziału ta faza pracy tarana wodnego należy do etapu podnoszenia wody (str.78), - czy tytuł podrozdziału 4.3 Graficzna interpretacja przebiegu zjawisk w taranie wodnym nie byłby lepszy? - w opisie rys.4.10 zamiast przepływ wody lepiej zapisać prędkość przepływu wody. Uwagi dotyczące tego rozdziału, a przedstawione w pierwszej wersji recenzji, zostały uwzględnione lub skomentowane przez Doktoranta. Rozdział 5 pracy przedstawia wyniki badań doświadczalnych i analizę teoretyczną rozruchu tarana wodnego. Badania te dotyczą dwóch praktycznych sytuacji rozruchu tarana wodnego. Pierwszej, gdy instalacja hydrauliczna z taranem wodnym jest napełniana wodą i drugiej, gdy woda wypełnia instalację hydrauliczną a wymagane jest tylko zainicjowanie jej pracy. Autor wykazał, że na czas rozruchu tarana wodnego ma wpływ średnica przewodu zasilającego; im jest większa tym czas rozruchu jest dłuższy. W trakcie napełniania instalacji z taranem wodnym instalacja ta zachowuje się jak układ naczyń połączonych. Ważnym spostrzeżeniem Autora jest też próba określenia ciśnienia dyspozycyjnego w przewodzie tłocznym niezbędnego do inicjacji pracy tarana wodnego. Ciśnienie to zależy przede wszystkim od oporów hydraulicznych instalacji w fazie ruchu powrotnego wody. Autor wykazał również, że jeśli dyspozycyjne ciśnienie w przewodzie tłocznym jest wystarczające to taran wodny w każdej chwili może rozpocząć działanie po otwarciu głównego zaworu zasilającego. Intersująca jest też propozycja Autora zastosowania tarana wodnego w instalacji odprowadzania wody deszczowej. W rozdziale 6 Doktorant poszukuje zależności między wydajnością tarana wodnego a wysokością, na która jest podnoszona woda nazywając tą zależność charakterystyką wydajności. W technice pompowej charakterystykę wydajności lub charakterystykę wysokości podnoszenia sporządza się uzależniając wysokość podnoszenia od wydajności (odwrotnie niż to przyjął Doktorant). Bardzo chaotyczny jest podrozdział 6.1. Moim zdaniem 3
Autor niepotrzebnie przedstawia oryginalne oznaczenia i wzory opracowane przez rożnych badaczy. Wystarczyłoby opisać efektywność pracy tarana wodnego posługując się rysunkiem 1.1 i oznaczeniami przyjętymi przez Autora. Jak już pisałem w poprzedniej recenzji zgodnie z nomenklaturą pompową h s to geometryczna wysokość napływu, h c to geometryczna wysokość tłoczenia, a różnica wysokości (h c h s ) to geometryczna wysokość podnoszenia. Wysokości te powinny być uzależnione od wydajności tarana wodnego V c. Prosiłbym Autora o sporządzenie charakterystyk (h c h s ) = f (V c ). Charakterystyki te będą podobne do charakterystyk wydajności pomp wyporowych (konkretnie tłokowych). Nie zgadzam się z Autorem co do traktowania współczynnika μ jako współczynnika proporcjonalności, to jest współczynnik efektywności tarana wodnego, wynikający każdorazowo ze wzorów podanych przez Rankina lub D Aubuissona. Słuszny jest podany przez Autora wzór (6.8), ale η jest w nim współczynnikiem efektywności. Rysunek 6.2. proponowałbym sporządzić jako graficzny obraz funkcji V c = f((h c h s ), η). Sugerowałbym także obliczyć sprawność objętościową tarana wodnego, wg wzoru: η V = V C V S Parametr ten można także nazwać stopniem wykorzystania źródła wody. W pracy nie ma nadal informacji co oznaczają liczby podane w nawiasach w równaniach regresji (str.122-128). Autor wyjaśnił, że są to błędy standardowe wyrazów znajdujących się przed nawisami, ale nie podał tego wyjaśnienia w pracy. Analiza teoretyczna i numeryczna przepływu wody przez zawór impulsowy ma celu określenie sił działających na element ruchomy zaworu. Badania te pozwalają ocenić czas zamykania się zaworu impulsowego, który decyduje o pracy tarana wodnego. Rozdział 8 pracy zawiera propozycje rozwiązań konstrukcyjnych współczesnych taranów wodnych. W rozdziale tym podano także możliwości praktycznego zastosowania taranów wodnych, które są niestety mocno ograniczone. Zasadniczą część pracy kończy rozdział Podsumowanie. Wnioski są sformułowane prawidłowo i potwierdzają realizację postawionych celów naukowych oraz postawioną w rozprawie doktorskiej hipotezę. Bibliografia licząca 104 pozycji zamieszczona jest na końcu pracy. 4. Ocena strony redakcyjnej pracy Praca doktorska jest napisana i zredagowana w sposób poprawny. Jednak nadal w niektórych jej fragmentach Autor nie ustrzegł się kilku skrótów myślowych, a kilka zdań i akapitów w pracy wymagałoby dalszej korekty językowej. Do uwag, które powinien rozważyć Autor należą następujące: - w tytułach podrozdziałów 5.2.1, 5.2.2, 5.3.1, 5.3.2 lepiej brzmi tekst Test rozruchu tarana wodnego z, - w podrozdziale 1.2 w 5w. od góry jest sformułowanie..., z którego taran wodny czerpie zasilanie ; lepiej zapisać jest zasilany, - w niektórych podrozdziałach najpierw w tekście pojawia się rysunek lub tabela, a dopiero potem jest ich cytowanie; cytowanie musi poprzedzać rysunek lub tabelę, - w podrozdziale 1.4 w 1w od góry tekst w nawiasie jest bez sensu, - podpis pod rys.1.4; lepiej tekst w nawiasie zapisać: (numeracja zgodna z ) - w podpisie rys.1.7. brak jest tekstu opisującego poszczególne przypadki a) d), - na str.27 w 1w od góry brak jest słowa sposób określania, - na str.53, podrozdział 3.4. 3w. od góry Główne elementy konstrukcji zostały połączone za pomocą metody spawalniczej ; czy nie lepiej zapisać zespawane, - str.62, 8w od góry, zwrot zastosowanie funkcjonalności jest niezrozumiały dla czytelnika, 4
- str.65 1w od góry, zwrot dysponowanego czasu badania jest także niefortunny, - przeredagowania wymaga zdanie znajdujące się na końcu strony 74; zastosowano tą samą skalę na osi x, - opis rys.4.1 nie może być na dalszej stronie, - nadal nie zawsze Autor stosuje jednostki układu SI np. 1l (litr) zamiast 1dm 3 (tabela 3.2), bar zamiast MPa (tabela 3.2, str.73), mm, cm (np. str.58), - czy poduszkę powietrzną można wykonać z elementów z tworzyw sztucznych? (str.115), - dlaczego informacje podane w tab.7.1 są w języku angielskim? - na podstawie rys. 7.4 7.6 trudno jest ocenić rozkłady prezentowanych parametrów? - w rozdziale 8 jest dużo skrótów myślowych w opisie elementów użytych do budowy taranów wodnych. 5. Podsumowanie Podtrzymuję swoją opinię, że rozprawa doktorska Pana mgr inż. Dariusza Bogdana Grygo zawiera oryginalne wyniki badań. Doktorant wykazał się umiejętnością konstruowania urządzeń, realizacją badań doświadczalnych i ich interpretacją teoretyczną oraz modelowaniem numerycznym. Szczegółowa analiza i interpretacja fizyczna zjawisk występujących w trakcie jednego cyklu pracy tarana wodnego oraz określenie warunków jego rozruchu są istotnym wkładem Autora w rozwój hydromechaniki, będącej częścią dyscypliny Budowa i Eksploatacja Maszyn. Wniosek Stwierdzam, że praca doktorska mgr inż. Dariusza Bogdana Grygo zatytułowana: Analiza zjawisk zachodzących podczas pracy tarana wodnego, spełnia wymogi stawiane rozprawom doktorskim zgodnie z Ustawą z dnia 14.03.2003 roku O stopniach naukowych i tytule naukowym oraz stopniach i tytule w zakresie sztuki i dlatego przedkładam Radzie Wydziału Nauk Technicznych Uniwersytetu Warmińsko-Mazurskiego w Olsztynie wniosek o dopuszczenie jej Autora do dalszych etapów przewodu doktorskiego. Treść pracy jest zgodna z dyscypliną naukową Budowa i Eksploatacja Maszyn. 5