Doctoral Thesis

Modeling and Simulation of Total and Static Pressure in the Area of Supersonic Flow at Low Pressures

Final Thesis 4.73 MB Summary of Thesis 4.73 MB

Author of thesis: Ing. Michal Bílek

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: doc. Ing. Jiří Maxa, Ph.D.

Reviewer: prof. Ing. Vladimír Horák, CSc.

Abstract:

This work deals with the issue of supersonic gas flow at low pressures in differentially pumped chambers used in the field of environmental scanning electron microscopy. The research builds on the activities of the Institute of Scientific Instruments of the Czech Academy of Sciences and the Department of Electrotechnology at Brno University of Technology, Faculty of Electrical Engineering and Communication, and focuses on experimental and CFD analysis of flow in an environment at the boundary of continuum mechanics. The aim of the work is to apply the method of flow-axis mapping using Pitot tubes for measuring static and total pressure and to establish a basis for the further development of this methodology. To achieve these objectives, CFD analyses in the Ansys Fluent system were employed, describing the characteristics of supersonic, underexpanded flow with shock waves across various pressure scales. Based on these analyses, suitable positions for experimental measurements were determined. The work also includes the design, development, and implementation of static and total pressure measurements in an experimental chamber, optimized for small dimensions and minimal disturbance of the flow. The results contribute to a better understanding of jet flow phenomena in differentially pumped systems of environmental electron microscopy and to the development of experimental methods for their measurement.

Keywords:

Ansys Fluent; CFD; Differentially pumped chamber; ESEM; Pitot tube; Perpendicular shock wave; Oblique shock wave

Date of defence

18.03.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaPznamka

Process of defence

Student byl na začátku obhajoby představen a seznámen s průběhem obhajoby. Následovala prezentace představující práci, čtení posudků oponentů, zodpovězení otázek a rozprava se členy komise. V neveřejné části bylo tajně hlasováno o výsledku a následně byl student s rozhodnutím komise seznámen.

Language of thesis

Czech

Faculty

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií

Department

Department of Electrical and Electronic Technology

Study programme

Microelectronics and technology (DKC-MET)

Composition of Committee

doc. Ing. Jiří Vaněk, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Tomáš Binar, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Václav Uruba, CSc. (člen)
prof. Ing. Vladimír Horák, CSc. (člen)
doc. Ing. Dalibor Rozehnal, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
doc. Ing. Jiří Maxa, Ph.D.

Dizertační práce Ing. Michala Bílka, zpracovaná na téma Modelování a simulace celkového a statického tlaku v oblasti nadzvukového proudění v nízkých tlacích, se zabývá studiem jedné z oblastí nadzvukového proudění v nízkých tlacích za podmínek čerpání vakuových komor Environmentální elektronové mikroskopie. Práce prezentuje moderní metodiku spojující teorii, experimentální snímání a CFD simulace se zaměřením na optické metody.
Daný výzkum probíhá na Ústavu přístrojové techniky AVČR pod vedením doc. Viléma Neděly. V rámci této spolupráce vznikla experimentální komora pro daný typ výzkumu. Daná experimentální komora je koncipována jako zařízení pro širší oblast výzkumu v nízkých tlacích umožňující získat širokou škálu výsledků proudění v nízkých tlacích z oblasti měřených tlaku, teploty a podobně.

Dílčím úkolem na tomto celkovém výzkumu doktoranda Michala Bílka bylo v oblasti odladění snímání celkového a statického tlaku za pomocí pitotových trubic ve stísněných podmínkách dané komory.

 

Ve své oblasti disertace dokázal doktorand splnit úkol a sestavit a provést základní odladění aparatury schopné snímat celkový a statický tlak pro tlakový spár 10:1, kde nadzvukové proudění probíhá v nízkých tlacích v oblasti tlaků využívaných v environmentální elektronové mikroskopii. Zároveň tyto podmínky odpovídají letové hladině 15-25 000 m nad mořem, což rozvíjí další plánovaný výzkum při obtékání štíhlých profilů a pitotových trubic v daných letových výškách.

 

Tato metoda snímání celkového a statického tlaku byla sladěna s ostatními experimentálními metodami, především optickými metodami zobrazující tlakové gradienty a slouží jako nedílná součást komplexního výzkumu. Sladění a kombinace této metody s CFD simulacemi, s ostatními výsledky experimentálního snímání rozložení tlaků a teploty pomocí sond v dané aparatuře experimentální komory umožňuje komplexně popsat charakter nadzvukového proudění v podmínkách nízkých tlaků.


Ode mě jako školitele přijímal zkušenosti a dokázal samostatně získávat další informace. Se zadanými podklady pracoval samostatně.
S týmem spolupracoval ochotně, ale vzhledem k pracovnímu zatížení a osobním problémům měl problém se v jednom období více zapojit do průběžného publikování. Výsledkem je 1 impactovaný článek ve Q2. Nad to dalších 7 publikací ve Scopus a v současné době dosáhl H-index 4 ve Scopus. V současné době je v recenzním řízení další publikace pro Q2.
Doktorand prokázal kolektivní vlastnosti pro týmovou práci a ochotu ke spolupráci. Práce položila základ k dalšímu plánovanému výzkumu nadzvukového proudění v nízkých tlacích pro oblast elektronové mikroskopie a aerodynamice ve stratosféře.

Jako školitel mohu potvrdit, že doktorand naplnil všechny povinnosti, které ukládá legislativa pro udělení doktorátu. Points proposed by supervisor: 90

Reviewer’s report
prof. Ing. Vladimír Horák, CSc.

viz pdf
File inserted by the reviewer Size
Posudek oponenta [.pdf] 880,71 kB

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová