Recenzja nr 2 - Wydział Inżynierii Chemicznej i Procesowej

Prof. dr hab. inż. Czesław Kuncewicz
Wydział Inżynierii Procesowej i Ochrony Środowiska
Politechniki Łódzkiej
Łódź, 7.08.2013r
Recenzja
dorobku naukowego dr inż. Łukasza Makowskiego w ramach postępowania
habilitacyjnego przeprowadzanego na Wydziale Inżynierii Chemicznej i Procesowej PW
Podstawy formalne recenzji
Recenzję opracowano na podstawie pisma Dziekana Wydziału Inżynierii Chemicznej i
Procesowej Politechniki Warszawskiej z dn. 5 lipca 2013r przesłanego do mnie w imieniu
Centralnej Komisji ds. Stopni i Tytułów, w którym zostałem poinformowany o powołaniu
mnie w skład komisji habilitacyjnej w roli recenzenta, w celu przeprowadzenia postępowania
habilitacyjnego dr inż. Łukasza Makowskiego. Drogą elektroniczną otrzymałem kompletną
dokumentację zawierającą materiały i informacje o Kandydacie wymagane w Ustawie o
Stopniach i Tytułach z dn. 14 marca 2003 (Dz. U. nr 65, poz. 595 ze zm.).
Sylwetka Kandydata
Pierwszy kontakt dr inż. Łukasza Makowskiego z pracą naukową nastąpiło już podczas
studiów na Wydziale Inżynierii Chemicznej i Procesowej Politechniki Warszawskiej, gdzie w
ramach pracy Koła Naukowego pod kierunkiem prof. dr hab. inż. Jerzego Bałdygi, przyszłego
promotora Jego pracy doktorskiej, brał udział w pracach dotyczących badań procesu
precypitacji aminokwasów w mieszalniku zderzeniowym. Fakt ten niewątpliwie zaważył na
karierze naukowej Habilitanta. Po ukończeniu studiów w 1997r rozpoczął studia doktoranckie
pod kierunkiem prof. Jerzego Bałdygi. Tematyka pracy doktorskiej była związana z
poprzednim tematem i dotyczyła wpływu mieszania na przebieg homogenicznych,
równoległych
reakcji
chemicznych
w
reaktorach
zbiornikowych
z
mieszadłem
mechanicznym. Praca doktorska obroniona w styczniu 2003r nt. „Zastosowanie hipotezy
zamykającej oraz oprogramowania CFD do opisu przebiegu złożonych reakcji chemicznych
1
w układach z przepływem burzliwym” polegała na zbudowaniu i rozwiązaniu modelu
matematycznego z nałożonym modelem przepływu burzliwego, a następnie z jego
doświadczalną weryfikacją z wykorzystaniem anemometrii laserowej do bezinwazyjnego
pomiaru prędkości chwilowych.
Po obronie pracy doktorskiej zainteresowania naukowe Habilitanta nieznacznie się
zmieniły, przesuwając ich ciężar w kierunku badań dotyczących wpływu mieszania na jakość
otrzymywanego produktu końcowego. Problem ten jest ściśle związany z inżynierią produktu,
która to tematyka jest z powodzeniem uprawiana na Wydziale Inżynierii Chemicznej i
Procesowej PW. W swoich pracach Habilitant wykazał, że na szybkość przebiegu złożonych
reakcji chemicznych oraz na proces precypitacji wpływa nie tylko sama kinetyka reakcji, ale
również sposób prowadzenia procesu. Sposób i miejsce kontaktowania się reagentów,
intensywność mieszania, dobór typu i częstości mieszadła, rodzaj reaktora i tryb jego pracy,
stosunek objętościowy reagentów i ich stężenie początkowe - wszystkie te elementy należało,
i zostały uwzględnione w modelach matematycznych opracowywanych w tym czasie przez
Habilitanta. Podczas implementacji numerycznych CFD wykazał On, że najlepszą zgodność
modeli z doświadczeniami uzyskano przy wykorzystaniu pełnych hipotez zamykających
wykorzystujących model burzliwości k-. Należy podkreślić, że praca była wykonywana przy
współpracy ze szwajcarska uczelnią ETH Zürich.
Uzyskane wyniki wykazały również, że w przypadkach bardziej skomplikowanych np.
przepływy niestacjonarne w niehomogenicznym polu burzliwości, w których należy
zastosować bardziej zaawansowane metody rozwiązań, bezpośrednie metody DNS nie są
praktycznie do zastosowania ze względu na konieczność stosowania w modelach skal
przestrzennych mniejszych od skali Batchelora. Oznaczałoby to konieczność stosowania
liczby komórek obliczeniowych przekraczających możliwości współczesnych komputerów.
Ograniczenia te były bezpośrednim powodem zwrócenia się Habilitanta w kierunku
budowania modeli wielkowirowych (modeli LES), które są w chwili obecne uważane za
realna alternatywę w stosunku do modeli tradycyjnych, gdyż mogą symulować przebieg
rzeczywistych procesów przemysłowych w szerokim zakresie zmian liczb Reynoldsa, a
przede wszystkim zmian liczby Schmidta. Wynika to z faktu, że bezpośrednie modele DNS
wymagają bardzo dużych, niemożliwych w chwili obecnej mocy obliczeniowych
komputerów, z drugiej strony modele RANS bazujące na wartościach średnich nie mogą i nie
dostarczają pełnej informacji na temat przebiegu symulowanych procesów. Modele
wielkowirowe zakładają, że energia kinetyczna burzliwości jest określana przez ruchy dużej
skali i są one zależne od geometrii przepływu (odwrotnie niż szybkość dyssypacji energii). Z
2
formalnego punktu widzenia modle LES można uważać jako typ pośredni pomiędzy
modelami DNS a modelami RANS. Ich zapotrzebowanie na moc obliczeniową jest
kompensowane jakością uzyskanych wyników. Habilitant opracował i rozwiązał modele LES
dla kilku praktycznych przypadków. Pierwszym z nich był reaktor kanałowy z
zainstalowanym wewnątrz progiem oraz poprzecznym dozowaniem substratów do głównego
strumienia płynu. W reaktorze tym przebiegała albo reakcja chemiczna, albo był realizowany
proces precypitacji. Drugim rozpatrywanym przypadkiem był reaktor, w którym intensywne
mieszanie uzyskuje się poprzez zderzenie strumieni wlotowych substratów. Znaczącym
osiągnięciem Habilitanta w tych pracach było wykazanie, ze nie w każdym przypadku istnieje
konieczność stosowania hipotezy zamykającej. W obszarze podsiatkowym, dla przebiegu
równoległych reakcji chemicznych jest to konieczne natomiast dla procesów precypitacji
konieczność taka nie występowała, co znacznie upraszczało model. W przypadku reaktora
zderzeniowego wykazano możliwość penetrowania strumieni wlotowych przez fluktuacje
dużych skal co zmieniało w istotny sposób obszar mieszania i obszar reakcji.
Opisane powyżej badania były wykonywane przez Habilitanta w trakcie realizacji
wielu projektów naukowych, z których można wymienić m.in.:
- projekt KBN „Symulacje wielkowirowe (LES) mieszania burzliwego zew złożonymi
reakcjami chemicznym oraz ich weryfikacja doświadczalna”,
- projekt NCN „Efekty mieszania w procesach inżynierii produktu”,
- projekt badawczy w ramach 6 Ramowego Programu UE „ Transforming nano-particles into
sustainable consumer products
through advanced product and process formulation”
realizowany we współpracy z dwoma koncernami oraz sześcioma ośrodkami naukowym w
tym pięcioma ośrodkami zagranicznymi (szczegóły w Autoreferacie),
- praca badawcza „Research Project At Warsow University of Technology and Advances In
Air and Crankcase
Filtration for Cummins Filtration” finansowana przez firmę
amerykańską Cummins,
- project badawczy “Process intensification methodologies for liquid-liquid system in
structured equipment” realizowany w ramach 7 Programu Ramowego UE we współpracy z
trzema koncernami oraz czterema zagranicznymi ośrodkami naukowymi,
- czy też projekt badawczy KBN „Dynamika nanostrukturalnych cząstek aerozolowych o
złożonej geometrii – zastosowanie w bioinżynierii.
Zaprezentowany powyżej zestaw prac badawczo-rozwojowych w dziesięcioletnim okresie
pracy należy uznać za duży i świadczy o znaczącej aktywności naukowej Habilitanta po
obronie pracy doktorskiej w 2003 roku.
3
Ocena osiągnięcia naukowego w rozumieniu art. 16 ust. 2 z 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.)
Wyszczególnionym w przesłanym wniosku osiągnięciem naukowym w rozumieniu Ustawy,
jak w tytule rozdziału, jest jednotematyczny zestaw składający się z 15 publikacji
wymienionych w Załączniku recenzji oraz monografia „Efekty mieszania w procesach
inżynierii produktu”, która w głównej mierze opiera się na 15 wymienionych publikacjach.
Sześć z nich są publikacjami z tzw. listy filadelfijskiej o łącznej, wysokiej wartości Impact
Factor równej 9,31. Zazwyczaj liczba jednotematycznych publikacji przedstawionych do
oceny zawiera się w granicach 5÷8, jednak w tym przypadku ich liczba jest na tyle duża, że
recenzowanie poszczególnych prac mogłoby stwarzać wrażenie braku ich spójności
tematycznej dlatego recenzji będzie poddana monografia Habilitanta, której trzon stanowią
rzeczone publikacje.
Cała monografia jest podzielona na 8 rozdziałów. Po rozdziale pierwszym, w którym
omówiono podstawowe etapy projektowania dowolnego produktu, Autor skupia się na opisie
teorii
modeli
wielkowirowych
i
uzasadnia
celowość
podziału
całego
spektrum
energetycznego przepływu burzliwego na obszar wielkoskalowy, w którym można
zastosować modelowanie bezpośrednie i dużo gęstszy obszar podsiatkowy, w którym z
konieczności należy stosować uproszczone hipotezy domykające. W dalszych podrozdziałach
Autor przedstawia sposób ustalania rozdzielczości przestrzennej i czasowej siatki
numerycznej ze szczególnym uwzględnieniem warstwy przyściennej. Rozważa szczegółowo
dopuszczalny kompromis pomiędzy jakością uzyskiwanych wyników a koniecznością
zwiększenia nakładów obliczeniowych. W końcowych podrozdziałach, po analizie warunków
brzegowych (technika zawracania) i warunków początkowych koniecznych do rozwiązania
modeli wielkoskalowych, omawiane są kryteria zbieżności obliczeń związane ściśle z
późniejszą walidacją uzyskanych wyników symulacyjnych. W końcowym podrozdziale
przedstawiony jest model k-, dość często stosowany do modelowania rdzenia rozwiniętego
przepływu burzliwego, oparty na klasycznej metodzie uśrednień Reynoldsa.
W rozdziale 3 Autor stosuje opisaną w rozdziale 2 procedurę filtracyjną w stosunku do
równania transportowego dla niereagującego trasera, uzyskując w efekcie równanie na
podsiatkowy strumień trasera uwzględniający dziesięć jego różnych rodzajów. W dalszych
podrozdziałach omawiane są modele dyfuzji podsiatkowej zaczynając od modelu bazującego
na paradygmacie o podsiatkowej dyfuzji, modelu drugiego rzędu Schmita i Schumana, a
4
kończąc na krótkim przedstawieniu modelu RANS. Wszystkie trzy modele podlegały
następnie weryfikacji doświadczalnej w reaktorze rurowym dla liczby Reynoldsa Re=32 000.
Żaden z opisanych modeli nie wykazał zdecydowanej przewagi nad pozostałymi co, zdaniem
Autora, wymusza konieczność pracy nad dalszym badaniem modeli podsiatkowych.
W rozdziale 4 przedstawione są metody modelowania burzliwego z nałożona reakcją
chemiczną lub procesem precypitacji. Wykorzystano w tym przypadku hipotezę zamykającą z
zastosowaniem funkcji gęstości prawdopodobieństwa aproksymowaną przez funkcję beta.
Hipotezę zamykającą dla reakcji równoległych przestawiono w podrozdziale 4.5 natomiast
dla procesu precypitacji w podrozdziale 4.6. Wcześniej omówiono podstawowe modele
mieszania z reakcją chemiczną takie jak modele mechanistyczne tzn. 3-otoczeniowy model
Pattersona, model zagarniania (model EDD), model koalescencji itp.
O ile powyższe cztery rozdziały były poświęcone zagadnieniom związanym z
budowaniem modeli mikromieszania z większymi lub mniejszymi uproszczeniami, o tyle
rozdział 5 poświęcony jest omówieniu dwóch podstawowych metod pomiarowych pola
prędkości (metoda LDV i metoda PIV) oraz metodzie PLIF, czyli metodzie laserowo
indukowanej fluorescencji, pozwalającej określić w badanym układzie stężenie trasera.
Rozdziały 6 i 7 są poświęcone weryfikacji modelowania przebiegu równoległych
reakcji w laboratoryjnym reaktorze zbiornikowym o działaniu ciągłym i półokresowym oraz
procesu precypitacji w reaktorze półokresowym. Rozdział 6 zawierał obliczenia prowadzone
z wykorzystaniem modelu burzliwości k- i były one uzyskane dla czterech różnych modeli
mikromieszania omawianych wcześniej w części teoretycznej rozprawy. Dodatkowo zbadano
wpływ podstawowych parametrów procesowych takich jak: sposób pracy reaktora, częstość
obrotowa mieszadła, szybkość zasilania, stosunek objętościowy reagentów, ich stężenia
początkowe oraz szybkość zasilania na własności końcowe produktu. Najlepsze dopasowanie
uzyskano dla modelu z wykorzystaniem pełnej hipotezy domykającej połączonej z
obliczeniami CFD. W konkluzji tego rozdziału Autor stwierdza, że zastosowanie metody
wielkowirowej z pewnością poprawi jeszcze dokładność obliczeń, co pozwoli na uzyskanie
dodatkowych informacji na temat struktury przepływu burzliwego.
Przewidywania Autora potwierdziły się w wynikach prezentowanych w ostatnim
merytorycznym rozdziale - rozdziale 7. Praktyczną weryfikacje modelu LES przeprowadzono
dla dwóch typów reaktorów: reaktora kanałowego z progiem wewnętrznym oraz dla reaktora
rurowego z głowicą typu T-mieszalnik. Potwierdzono, że modele wielkoskalowe dają
dokładniejszą i bardziej pełną informację niż wyniki uzyskane z rozwiązań modeli RANS
bazujących na wartościach średnich. Podobne wnioski dotyczące dokładności modeli LES w
5
porównaniu z modelami k-
można odczytać z analizy wyników dotyczących procesu
precypitacji siarczanu baru prowadzonym w dyszy zderzeniowej typu T-mieszalnik.
Wykazano, że stosowanie metod RANS z uwzględnieniem koncepcji dyfuzji wirowej i
gradientowej nie jest wystarczające w obszarze intensywnego mieszania, czyli w obszarze
zderzenia strumieni wlotowych. Dużo dokładniejsze okazały się modele wielkowirowe.
Podsumowując należy stwierdzić, że podjęta w monografii tematyka jest trudna i
ambitna. Wymagało to dużego zaangażowania Autora w poznanie natury przepływów
burzliwych i ich opisu, uwzględniając wiele istniejących teorii dotyczących poszczególnych
zakresów burzliwości.
Poziom rozprawy należy uznać za bardzo wysoki, wszystkie rozdziały zostały
opracowane prawidłowo i czytelnie pomimo skomplikowanej tematyki rozprawy i stosowania
mocno zaawansowanego aparatu matematycznego. Również zbudowane a następnie
rozwiązane modele matematyczne z wykorzystaniem pakietu obliczeniowego Ansys Fluent,
należy uznać za zadanie wykonane prawidłowo. Podane w monografii procedury
obliczeniowe są w dużym stopniu uniwersalne, gdyż nie zawierają żadnych stałych
dopasowujących wartości modelowych do wartości doświadczalnych, co pozwala na ich
stosowanie do dowolnej geometrii przepływu. Jest to duża zaleta proponowanych procedur.
Druga zaletą pracy są przeprowadzone i dokładnie opisane badania doświadczalne.
Wykonane one zostały z wykorzystaniem nowoczesnych systemów pomiarowych takich jak
systemy laserowe LDV, PIV czy PLIF. Przeprowadzone i zweryfikowane obliczenia
modelowe mają nie tylko znaczenie poznawcze, ale również czysto aplikacyjne. Na przykład
dobra zgodność modelowego rozkładu wielkości kryształów uzyskanych podczas procesu
precypitacji z rozkładem doświadczalnym pozwala na precyzyjne projektowanie własności
końcowego produktu, co jest niezwykle cenne z praktycznego punktu widzenia.
Trzecim znaczącym osiągnięciem pracy jest krytyczna dyskusja dotycząca obszarów
stosowalności poszczególnych rodzajów modeli mikromieszania. Ważnym wnioskiem
końcowym pracy jest stwierdzenie, że modele wielkoskalowe dające dokładniejsze rezultaty
wykazują większe zapotrzebowanie na moc obliczeniową i dlatego należy je stosować jedynie
w tych przypadkach kiedy modele burzliwości niższych rzędów zawodzą.
Ocena pozostałego dorobku Habilitanta
Całościowy dorobek publikacyjny dr Łukasza Makowskiego obejmuje:
- 36 oryginalnych publikacji, z czego 25 publikacji z listy filadelfijskiej, łączny IF = 31,86,
6
- dwie monografie (doktorat i habilitacja),
- 28 pełnych tekstów prac w materiałach konferencyjnych – w absolutnej większości
prezentowane na konferencjach zagranicznych,
- 114 cytowań (bez autocytowań),
- indeks H równy 9.
Podobny dorobek po obronie doktoratu oraz bez wliczania monotematycznego zestawu 15
publikacji i monografii wygląda następująco:
- 17 publikacji, z których 15 było wydrukowanych w czasopismach z listy filadelfijskiej o
łącznej wartości IF = 17,43,
- monografia,
- 26 pełnych tekstów prac w materiałach konferencyjnych – w absolutnej większości były
one prezentowane na konferencjach zagranicznych, a Habilitant wielokrotnie wygłaszał
referaty w języku angielskim,
- udział w 9 projektach badawczych (5 grantów KBN, 1 grant NCN, 2 Programy Ramowe
UE oraz jeden projekt międzynarodowy).
Oceniając pozostały dorobek Habilitanta (bez zestawu 15 monotematycznych prac) można
stwierdzić, że jego tematyka jest jednak spójna z w.w. zestawem. Wynika to niewątpliwie z
problematyki, którą zajmuje się zespół prof. Jerzego Bałdygi. Są to szeroko rozumiane
zagadnienia mikromieszania połączone z zastosowaniem metod CFD do opisu mechanizmów
rządzących w przepływach w skali mikro. Oprócz problematyki związanej z zastosowaniem
metod LES do modelowania procesów precypitacji oraz sposobu prowadzenia reakcji w
różnego rodzaju reaktorach, dr Łukasz Makowski publikował również prace dotyczące
rozbijania struktur nanocząsteczkowych
w szybkoobrotowych mieszalnikach typu rotor-
stator lub przepływach kawitacyjnych, przepływu układów dwufazowych przez złoża
porowate czy problemem odkładania się nanostruktur aerozolowych w układzie oddechowym
człowieka. Jak wynika z przesłanych dokumentów udział Habilitanta najczęściej obejmował
„współtworzenie modelu, implementacji modelu do obliczeniowej mechaniki płynów,
wykonaniu obliczeń oraz uczestniczenie w analizie wyników i opracowaniu wniosków”.
Dorobek dydaktyczny i organizacyjny Habilitanta jest typowy jak na etap kariery
naukowej, na którym znajduje się Habilitant. Prowadził dotychczas zajęcia ćwiczeniowe oraz
projektowe z przedmiotów dotyczących mechaniki płynów. Od 2011r prowadzi autorski
wykład „Wstęp do obliczeniowej mechaniki płynów”. Był opiekunem 12 prac magisterskich i
3 prac inżynierskich (1,5 pracy na rok).
7
8
Załącznik
Jednotematyczny cykl 15 publikacji pt. „Efekty mieszania w wybranych zagadnieniach procesów
inżynierii produktu".
1. Vicum L., Ottiger S., Mazzotti M., Makowski Ł., Bałdyga J., „Multi-scale modeling of a
reactive mixing process in a semibatch stirred tank", Chemical Engineering Science, 2004, 59,
1767-1781.
2. Bałdyga J., Makowski Ł., „Improving reaction selectivity by clever mixing", Fluent News Applied Computational Fluid Dynamics, 2004, 3.
3. Bałdyga J., Makowski Ł., Orciuch W., "Interaction between mixing, chemical reactions, and
precipitation", Industrial & Engineering Chemistry Research, 2005, 44, 5342-5352.
4. Bałdyga J., Makowski Ł., "Effects of mixing on complex chemical reactions. Problem of
micromixing models", Inżynieria Chemiczna i Procesowa, 2005, 27, 363-376.
5. Bałdyga J., Makowski Ł., Orciuch W., "Micromixing effects in precipitation -application of
CFD", Polish Journal of Chemical Technology, 2006, 8, 1-4.
6. Orciuch W., Makowski Ł., Bałdyga J., „Wpływ mieszania na precypitację prowadzoną w
reaktorze o działaniu półokresowym", Inżynieria i Aparatura Chemiczna, 2006, 6, 170-172.
7. Bałdyga J.; Makowski Ł., Orciuch, W., "Double-feed semibatch precipitation - Effects of
mixing", Chemical Engineering Research & Design, 2007, 85, 745-752.
8. Makowski Ł., Orciuch W., „Wpływ mieszania na precypitację siarczanu baru w reaktorze
przepływowym z dozowaniem poprzecznym", Inżynieria i Aparatura Chemiczna, 2009, 6,
117-119.
9. Makowski Ł., Orciuch W., „Dobór warunków mieszania w kontroli przebiegu
10. złożonych reakcji chemicznych", Inżynieria i Aparatura Chemiczna, 2009, 5, 71-73.
11. Makowski Ł., Orciuch W., „Pomiary lokalnych wartości stężenia w reaktorze
12. przepływowym", Inżynieria i Aparatura Chemiczna, 2010, 1, 69-71.
13. Makowski Ł., Bałdyga J., „Zastosowanie modeli wielkowirowych do symulacji przebiegu
złożonych reakcji chemicznych", Inżynieria i Aparatura Chemiczna, 2010, 2,77-79.
9
14. Makowski Ł., Bałdyga J., "Large Eddy Simulation of mixing effects on the course of parallel
chemical reactions and comparison with k-epsilon modeling", Chemical Engineering &
Processing, 2011, 50, 1035-1040.
15. Makowski Ł., Orciuch W., "Local distributions of fluid velocity and tracer concentration in a
tank reactor", Chemical and Process Engineering - Inżynieria Chemiczna i Procesowa, 2011,
32, 33-40.
16. Makowski Ł., Orciuch W., Bałdyga J., "Large eddy simulations of mixing effects on the
course of precipitation process", Chemical Engineering Science, 2012, 77, 85-94. Makowski
Ł., Orciuch W., Bałdyga J., „Zastosowanie modeli wielkowirowych do symulacji przebiegu
precypitacji siarczanu baru w reaktorach zderzeniowych", Inżynieria i Aparatura Chemiczna,
2012, 6, 352-353.
Monografia
1. Makowski Ł., „Efekty mieszania w wybranych zagadnieniach procesów inżynierii
produktów", Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, 2013.
10