Prof. dr hab. inż. Tomasz Dobski, Politechnika Poznańska Katedra Techniki Cieplnej Pl. Marii Skłodowskiej-Curie 5 60 965 Poznań RECENZJA rozprawy doktorskiej mgr inż. Zbigniewa Pałuckiego pt. Analiza przepływu gazu rzeczywistego przez nastawialny dyfuzor łopatkowy promieniowej maszyny sprężającej Recenzja opracowana na zlecenie Dziekana, prof. dr hab. inż. F Tomaszewskiego Wydziału Maszyn Roboczych i Transportu Politechniki Poznańskiej Recenzowana praca ma objętość 120 stron i zawiera oprócz treści zasadniczych dodatek dotyczący symulacji komputerowej przepływu płynu rzeczywistego przez dyfuzor. Praca jest napisana w dobrym języku polskim. Praca dotyczy dyscypliny budowy i eksploatacji maszyn. 1. Podstawowe założenia pracy, zakres badań oraz obliczeń numerycznych Maszyny sprężające różne gazy są powszechnie stosowane w przemyśle chemicznym gazowniczym, w oczyszczalniach ścieków, wentylacji kopalń, hal przemysłowych. Szacuje się że maszyny sprężające stosowane w polskim przemyśle zużywają ponad 2% energii eklektycznej z bilansu Kraju. Można ten wskaźnik obniżyć nawet o kilkanaście punktów procentowych. Jeżeli zadaniem przemysłowym jest sprężenie gazu do wyższych ciśnień wtedy stosuje się maszyny promieniowe. Maszyna taka składa się z kanału dolotowego z kierownicą wstępną, wirnika dyfuzora bezłopatkowego, dyfuzora łopatkowego oraz kolektora zbierającego sprężony gaz. Obecne techniki pomiarowe pozwalają na badania mające na celu optymalizację kształtu poszczególnych części maszyny sprężarkowej. Autor pracy wykonywał doktorat w Laboratorium Maszyn Sprężających Katedry Techniki Cieplnej Politechniki Poznańskiej, którego wyposażenie pozwala na badania fragmentów maszyn. Praca dotyczy konstrukcji, badania prototypu oraz wykonania obliczeń numerycznych przez cześć maszyny sprężającej. Sprzęt komputerowy dostępny w KTC pozwala na zaawansowane obliczenia numeryczne. Recenzowana praca przedstawia wyniki badań laboratoryjnych oraz modelowania numerycznego jednego z najważniejszych fragmentów maszyny sprężającej: dyfuzora łopatkowego. Jego zadaniem jest zamiana energii kinetycznej strugi czynnika sprężanego powietrza na ciśnienie statyczne. Prędkość przepływu na wylocie z wirnika wynosiła ponad 200 m/s. Badany czynnik był uważany za gaz rzeczywisty, czyli przepływ był turbulentny oraz lepki. W obliczeniach numerycznych uwzględniono te warunki początkowe opisujące płyn. Na badania nie maja one wpływu, bo w naturalny sposób wpływały one na zjawiska str. 1
przepływowe zachodzące w badanym fragmencie maszyny sprężającej. Objawia się to oderwaniami strugi powietrza od ścianek kanału międzyłopatkowego dyfuzora, przyrostem temperatury na skutek przepływu turbulentnego (nie na skutek przyrostu ciśnienia). Pozyskanie funduszy na zbudowanie stoiska, aparaturę pomiarową (najdroższa część to LDA dwuwiązkowy pracujący na świetle rozproszonym (scattering light) w kierunku głowicy nadawczej anemometru było bardzo trudne. Dobranie rodzaju posiewu, opanowanie pomiarów dla małej liczby drobin posiewu (tylko 1000 na minutę na skutek absorbcji na drobinach kurzu pochodzącego ze sprężanego powietrza mimo zastosowania filtrów) stanowiło dodatkowe utrudnienie w prowadzonych badaniach. Z tego to powodu zaawansowane laboratoria, jak na przykład Laboratorium Maszyn Przepływowych w Politechnice w Monachium pracują na układach zamkniętych, co w naszych warunkach jest niemożliwe ze względu na koszty. Badana maszyna została zaprojektowana przez zespół współpracowników Profesora Janusza Walczaka w którym znaczącą rolę odgrywał Doktorant mgr inż. Zb. Pałucki w ścisłej współpracy z zakładami HCP w Poznaniu. Ma ona moc silnika całkowitą 70 kwel, wyposażona jest w układ sterowania obrotami za pomocą regulatora częstotliwości oraz złożoną przekładnię mechaniczną pozwalającą na pracę z bardzo wysokimi obrotami aż do ponad 20 000 obr/min. Podstawowy przyrząd badawczy- anemometr laserowy dwuwiązkowy- pozwala na pomiary prędkości aż do wartości kilkuset m/s. Z uwagi na zastosowany dwuwiązkowy układ LDA możliwe są pomiary dwóch składowych wektora prędkości. Istnieje możliwość rozbudowania układu optycznego do wersji trójwiązkowej pozwalającej na badania wszystkich składowych wektora prędkości, ale tego typu badania nie wchodziły w zakres programu badań objętych doktoratem. 2. Zawartość pracy Praca składa się z 8 rozdziałów. W 1 rozdziale Wprowadzenie Pan Z. Pałucki, przedstawił ogólny opis zastosowania maszyn sprężających, zakres ich stosowania, oraz ogólny opis konstrukcji typowej maszyny odśrodkowej. Podaje także schematy konstrukcyjne z zaznaczonymi wymiarami charakterystycznych podzespołów jakie będą wykorzystane w badaniach i modelowaniu numerycznym. Podaje także porównanie charakterystyk przyrostu ciśnienia oraz sprawności izentropowej sprężania maszyny wyposażonej w tradycyjny dyfuzor oraz dyfuzor z nastawianymi łopatkami. Ten drugi typ dyfuzora ma znacznie lepszą charakterystykę- co jest potwierdzeniem prawidłowości przyjęcia tematyki pracy. We wprowadzeniu Autor odnosi się także do pojęcia gazu rzeczywistego mającego w zakresie pracy niejako podwójne znaczenie: płyn rzeczywisty jako płyn lepki ale także jako płyn, którego stan termodynamiczny jest opisany równaniem stanu gazu rzeczywistego a nie gazu doskonałego. Ten aspekt w odniesieniu do modelowania numerycznego będzie jeszcze przez recenzenta poruszony poniżej. W rozdziale 2 sformułował trzy główne tezy pracy, a raczej zadania do wykonania w rozumieniu zasad wykonywania prac doktorskich nazywanych nawet hipotezami a w niektórych krajach State of art. Można tak założyć, bo w tym krótkim rozdziale jest przedstawiony konkretny zakres badań: badania maszyny sprężającej za pomocą przede wszystkim anemometru laserowego, opracowanie na podstawie wyników tych badań charakterystyki sprężania oraz porównanie badań laboratoryjnych z wynikami symulacji komputerowej wykonanej za pomocą komercyjnych programów nieznacznie zmodyfikowanych. Rozdział 3 zawiera zestawienie Algorytmów obliczeniowych wszystkich wielkości jakie będą występować w badaniach i obliczeniach numerycznych. Wśród nich są także str. 2
podane zależności opisujące sposób obliczenia lub wyznaczenia doświadczalnego takich istotnych parametrów jak na przykład przyrost ciśnienia, sprawność izentropową, moc wewnętrzną. Ten rozdział jest opracowany bardzo dobrze i zwięźle przez co łatwo się zorientować w zakresie pracy. Rozdział 4 przedstawia opis zasady pracy i przeprowadzenia badań przepływu płynu powietrza za pomocą dopplerowskiego anemometru laserowego LDA. Technika pomiaru prędkości płynów za pomocą LDA jest skomplikowana ale pozwala na uzyskanie bardzo dobrych wyników charakteryzujących się dużą zgodnością z rzeczywistym przepływem. Opis metody LDA przedstawiony przez Autora dysertacji wskazuje na Jego bardzo duże doświadczenie badawcze i zrozumienie tej metody, jej zalet oraz wad, czy też nawet błędów jakie można popełnić jej stosowaniu. Autor recenzji ma osobiste doświadczenie z badań przepływu za pomocą LDA nabyte w Politechnice w Sztokholmie i jest pełen uznania dla zespołu pracującego w laboratorium w jakim Pan Pałucki wykonał badania. Zespół ten w ciągu ½ roku w pełni opanował technikę pomiarową od pomiarów w płomieniu w przepływie z silnym zawirowaniem, aż po pomiary bardzo trudne przepływu w maszynach sprężających jakie są zaprezentowane w ocenianej pracy. Rozdział 5 pracy zawiera opis stoiska badawczego, wykonanych badań oraz wnioski z nich wypływające. Stoisko badawcze zostało oparte konstrukcyjnie o dmuchawę promieniową DA-200, wyprodukowaną przez Zakłady HCP Poznań, przy znaczącym udziale w zakresie projektowania i badania aerodynamicznego, zespołu Profesora dr hab. inż. J. Walczaka - promotora recenzowanej pracy. Jest to jedno-stopniowa dmuchawa o znamionowym stopniu sprężania = 1,6 i mocy elektrycznej napędu 70 kwel. Prędkość obrotowa wirnika w czasie badań była bardzo wysoka - 25 tysięcy obr/min. W rozdziale 5 bardzo jasno i dokładnie są przedstawione wszystkie parametry konstrukcyjne, w szczególności geometria badanego dyfuzora łopatkowego, opis przyrządów pomiarowych, zasady wykonanych pomiarów ciśnień, natężenia przepływu, hałasu. Badania za pomocą LDA były prowadzone w kierunku obwodowym i promieniowym. Zastosowanie posiewu w postaci kropel wody generowanych przez generator ultradźwiękowy zostało dobrze wybrane z pakietu stosowanych w podobnych badaniach innych rodzajów posiewów. Co prawda ten posiew nie pozwalał na uzyskanie dużej ilości zbieranych sygnałów przez anemometr (wspomniana absorbcja drobin na cząstkach kurzu) ale alternatywny posiew na przykład TiO2, stosowany w tym samym laboratorium przez zespół zajmujący się spalaniem, nie byłby lepszym rozwiązaniem z uwagi na dużą gęstość posiewu a tym samym znaczne opóźnienie prędkości drobin w stosunku do prędkości płynu zależne od tak zwanych drag forces. Należy przypomnieć, że badania były prowadzone dla prędkości ponad 160 m/s. Rozdział 5 przedstawia także wyniki badań profili prędkości i analizę wyników. Badania zostały wykonane z bardzo dużą starannością - recenzentowi wiadomo, że były one wielokrotnie powtarzane. Ich podsumowanie jest dobrze przedstawione. W rozdziale 6: Obliczenia numeryczne zostały opisane obliczenia numeryczne w dwóch częściach: a) opis modelu numerycznego i procedury numerycznej b) przedstawienie wyników obliczeń. Autor dysertacji w obliczeniach posłużył się procedurą ANSYS rozszerzoną o pakiety specjalistyczne dedykowane do obliczeń numerycznych stosowanych w maszynach przepływowych. Autor stosował trzy modele turbulencji w swoich obliczeniach: 1. model k- cechującego się małą wrażliwością na poziom turbulencji strugi dolotowej, ograniczoną produkcją energii kinetycznej k w przestrzeni płynu o dużych gradientach ciśnienia czyli w przepływie spowolnionym, 2. model k- dobrze oddający przepływ w warstwie przyściennej, 3. model SST- czyli Shear Stress Transport tu zastosowany jako model uśredniony. str. 3
W rozdziale 7: Zestawienie wyników, wnioski Pan Zbigniew Pałucki przedstawił zestawienie wyników badań, obliczeń numerycznych oraz ich porównanie. Porównanie wyników badań z wynikami obliczeń cechuje duża zgodność, co jest godne podkreślenia z uwagi na bardzo trudne stoisko badawcze oraz bardzo skomplikowany opis numeryczny badanego przepływu. Jako kryterium optymalizacji przyjęto: a) maksymalny spręż maszyny b) maksymalną sprawność izentropową. Jako wynik badań przedstawiono optymalne kąty pochylenia łopatek dyfuzora. Parametry te są kluczowymi dla prawidłowego konstruowania maszyn sprężających. 3. Uwagi do pracy Recenzent w pracy zauważył kilka niejasności i prosi o ich dodatkowe wyjaśnienie. Są to w szczególności: 3.1 Str. 52: przedstawiono zakres maksymalnego dopuszczalnego ciśnienia przetworników różnicy ciśnień jako równe 25 MPa, a ciśnienie pracy do 25 MPa. Jednak zasadniczo w czasie pomiarów mierzona wartość ciśnienia nie była większa niż 2 bary. Jaki był błąd pomiaru ciśnienia i czy te ciśnienia były stałe w czasie? 3.2 Str. 78 Jaka jest definicja ciśnienia zmodyfikowanego p i jaką rolę ono odgrywa w równaniach momentu? 3.3 Autor stosował w obliczeniach numerycznych trzy modele turbulencji: 3.3.1 k- dla swobodnej strugi (jądra przepływu?) cechuje się on dużą wrażliwością na turbulencję strugi dolotowej, ogranicza produkcję energii kinetycznej, 3.3.2 k- dla warstwy przyściennej, 3.3.3 SST- czyli shear stress transport jako model uśredniony. Jakie są zalety i wady tych modeli turbulencji i jakiej zgodności wyników obliczeń należy się spodziewać z wynikami badań profili prędkości stosując poszczególne modele? 3.4 Jaki model równia stanu został przyjęty w obliczeniach numerycznych? Czy parametry pracy maszyny sprężającej pozwalały na zastosowanie modelu gazu doskonałego czy równie to powinno to być równaniem wirialnym? Jeżeli tak, to jak duży błąd obliczeń był spowodowany przyjęciem modelu równania gazu doskonałego? 3.5. Czy wyniki badań oraz obliczeń numerycznych mogą być przeniesione na inne gazy rzeczywiste takie jak na przykład: transport gazu ziemnego ciśnienie do 200 bar, biogaz, przesyłanie i zatłaczanie CO2 w technologach CCS (CO2 Capture and Sequestration)? str. 4
3.6. Jakie możliwości wykorzystania wyników badań i obliczeń w przemyśle widzi Autor? 4 Ocena pracy i podsumowanie recenzji Przedstawiona do oceny praca jest bardzo trudną pracą. Pan mgr inż. Zbigniew Pałucki wykazał się w niej bardzo dużym talentem w planowaniu eksperymentu, konstrukcji stoiska badawczego, przeprowadzeniu badan i obliczeń numerycznych i opracowaniu wniosków. Praca ma duży potencjał aplikacyjny z uwagi na przykład na duży program modernizacji przesyłu gazu ziemnego w Polsce, Europie, przemyśle wydobywczym ropy i gazu, budowie nowych oczyszczalni ściegów, rozwoju energetyki, konstrukcja turbin gazowych stacjonarnych i lotniczych. Zdobyte doświadczenie w zastosowaniu do pomiarów przepływ turbulentnego z wysokimi prędkościami do 200 m/s za pomocą LDA także jest bardzo ważnym dla przyszłych badań i konstruowania maszyn. Zdobyta umiejętność posługiwania się nowoczesnymi metodami numerycznymi do symulacji przepływu z dużymi zmianami ciśnienie też powinno owocować nie tylko w projektowaniu nowych maszyn ale także w modernizacji istniejących instalacji. Podsumowanie Biorąc pod uwagę moją powyższą opinię stwierdzam, że praca w pełni spełnia wymagania określone Ustawą z dnia 14 marca 2003 r. dotyczącą stopni i tytułów naukowych i rekomenduję ją do dalszej procedury obrony i nadania stopnia doktora nauk technicznych Panu Zbigniewowi Pałuckiemu. Niech mi będzie wolno zaproponować ocenę pracy, jak to ma miejsce wielu ośrodkach akademickich polskich i zagranicznych. Ocenę tę szacuję na magna cum laude co można przetłumaczyć jako praca bardzo dobra. Poznań, 16 stycznia 2015 roku str. 5
str. 6