konstruiranje in analiza gretja - core- v - konstruiranje in analiza gretja voznikovega obmoČja...

KONSTRUIRANJE IN ANALIZA GRETJA

VOZNIKOVEGA OBMOČJA

Diplomsko delo

Študent(ka): Aljaž GAJŠT

Študijski program: Univerzitetni študijski program 1. stopnje Strojništvo

Smer: Konstrukterstvo

Mentor: izr. prof. dr. Miran ULBIN

Somentor: asist. dr. Matej ZADRAVEC

Maribor, september 2015

- II -

- III -

I Z J A V A

Podpisani Aljaž GAJŠT izjavljam, da:

je bilo predloženo diplomsko delo opravljeno samostojno pod mentorstvom izr. prof.

dr. Miran ULBIN in somentorstvom asist. dr. Matej ZADRAVEC ;

predloženo diplomsko delo v celoti ali v delih ni bilo predloženo za pridobitev

kakršnekoli izobrazbe na drugi fakulteti ali univerzi;

soglašam z javno dostopnostjo diplomskega dela v Knjižnici tehniških fakultet

Univerze v Mariboru.

Maribor, 2.9.2015 Podpis: ___________________________

- IV -

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorju izr. prof. dr. Miran ULBIN

in somentorju asist. dr. Matej ZADRAVEC za pomoč

in vodenje pri opravljanju diplomskega dela.

Posebna zahvala velja staršem, ki so mi omogočili

študij.

- V -

KONSTRUIRANJE IN ANALIZA GRETJA VOZNIKOVEGA OBMOČJA

Ključne besede: avtobus, konstruiranje, površinsko modeliranje, CREO, ANSYS

UDK: 629.342.048.7-11(043.2)

POVZETEK

V diplomskem delu je opisan potek konstruiranja grelnega kanala za gretje voznikovega

območja na avtobusu. Model grelnega kanala je izdelan v programskem paketu CREO

Parametric. Opisana je tudi simulacija toka zraka po grelnem kanalu, ter primerjava

učinkovitosti obstoječega grelnega kanala z modificiranim grelnim kanalom. Simulacija

pretoka zraka po grelnem kanalu je izvedena v programskem paketu ANSYS.

- VI -

MECHANICAL DESIGN AND ANALYSIS OF DRIVER'S AREA

HEATING

Key words: bus, design, surface modeling, CREO, ANSYS

UDK: 629.342.048.7-11(043.2)

ABSTRACT

This diploma describes the design of driver´s area heating channel on a bus. Model of the

heating channel is designed in the software package CREO Parametric. It also describes air

flow simulation through heating channel and comparison between existing and modified

heating channel. Air flow simulation is designed in the software package ANSYS .

- VII -

KAZALO

1 UVOD ................................................................................................................................ 1

1.1 OPIS SPLOŠNEGA PODROČJA DIPLOMSKEGA DELA....................................... 1

1.2 OPREDEVITEV DIPLOMSKEGA DELA ................................................................. 1

1.3 STRUKTURA DIPLOMSKEGA DELA ..................................................................... 1

2 PREDSTAVITEV PODJETJA IN OPIS PROBLEMA ............................................... 3

2.1 PREDSTAVITEV PODJETJA .................................................................................... 3

2.2 ZGODOVINA PODJETJA .......................................................................................... 3

2.3 PROIZVODI PODJETJA ............................................................................................ 3

2.4 OPIS PROBLEMA ...................................................................................................... 4

3 MODELIRANJE S POVRŠINAMI ................................................................................ 5

4 MODIFIKACIJA GRELNEGA KANALA ................................................................... 7

4.1 PREDSTAVITEV OBSTOJEČEGA MODELA ......................................................... 7

4.2 KONSTRUIRANJE MODIFICIRANEGA KANALA ............................................... 8

4.2.1 KONSTRUIRANJE GRELNEGA KANALA ..................................................... 8

4.2.2 KONSTRUIRANJE POKROVA GRELNEGA KANALA ............................... 12

4.2.3 SESTAVA MODIFICIRANEGA GRELNEGA KANALA .............................. 14

5 RAČUNALNIŠKA DINAMIKA TEKOČIN ............................................................... 15

6 ANALIZA PRETOKA ZRAKA PO GRELNEM KANALU ..................................... 17

6.1 ANALITIČNA DOLOČITEV VRSTE TOKA .......................................................... 17

6.2 IZDELAVA NUMERIČNEGA MODELA IN RAČUNSKE MREŽ ........................ 18

6.3 PARAMETRI NUMERIČNE SIMULACIJE ............................................................ 20

7 REZULTATI IN DISKUSIJA ....................................................................................... 21

8 SKLEP ............................................................................................................................. 28

9 VIRI ................................................................................................................................. 29

- VIII -

KAZALO SLIK

Slika 2.1 Prostor pod armaturno ploščo...................................................................................... 4

Slika 3.1 Kvader iz površin [2] ................................................................................................... 5

Slika 3.2 Model opisan s površinami [2] .................................................................................... 6

Slika 4.1 Sestavni deli obstoječega grelnega kanala .................................................................. 7

Slika 4.2 Mesta priključkov na kanalu ....................................................................................... 8

Slika 4.3 Konceptna skica modificiranega grelnega kanala ....................................................... 8

Slika 4.4 Extrude - Remove Material ......................................................................................... 9

Slika 4.5 Extrude as Surface, Boundary Blend, Fill ................................................................... 9

Slika 4.6 Copy Surfaces, Merge ............................................................................................... 10

Slika 4.7 Extrude as Surface – Remove Material ..................................................................... 10

Slika 4.8 Extrude as Surface, Merge, Round ............................................................................ 11

Slika 4.9 Thicken ...................................................................................................................... 12

Slika 4.10 Fill, Copy Surface, Intersect .................................................................................... 12

Slika 4.11 Copy Surface, Extrude as Surface, Merge .............................................................. 13

Slika 4.12 Pokrov grelnega kanala ........................................................................................... 13

Slika 4.13 Sestav modificiranega grelnega kanala ................................................................... 14

Slika 5.1 Interdisciplinarna narava računalniške dinamike tekočin [3].................................... 16

Slika 6.1 Numerična modela grelnega kanala .......................................................................... 18

Slika 6.2 Primerjava računskih mrež ........................................................................................ 19

Slika 6.3 Detajl mreže z mejno plastjo elementov ................................................................... 20

Slika 7.1 Ohranitev mas ter hitrosti - obstoječ kanal ................................................................ 21

Slika 7.2 Ohranitev mas ter hitrosti - modificiran kanal .......................................................... 22

Slika 7.3 Monitor - obstoječ kanal............................................................................................ 23

Slika 7.4 Monitor - modificiran kanal ...................................................................................... 23

- IX -

Slika 7.5 Ravnina ...................................................................................................................... 25

Slika 7.6 Tokovnice .................................................................................................................. 25

Slika 7.7 Vektorji hitrosti ......................................................................................................... 26

Slika 7.8 Turbulentna kinetična energija .................................................................................. 27

Slika 7.9 Tlaki .......................................................................................................................... 27

KAZALO DIAGRAMOV

Diagram 7.1 Masni pretok na izstopih...................................................................................... 24

- X -

UPORABLJENI SIMBOLI

Re - Reyndolsovo število

𝑣 - hitrost

𝑑 - premer

ν - kinematična viskoznost

Φ𝑉 - volumski pretok

Φ𝑚 - masni pretok

A - presek

ρ - gostota

UPORABLJENE KRATICE

RDT - računalniška dinamika tekočin

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 1 -

1 UVOD

1.1 OPIS SPLOŠNEGA PODROČJA DIPLOMSKEGA DELA

Gretje voznikovega območja je zelo pomembno iz stališča varnosti saj rosenje

vetrobranskega stekla zelo zmanjšuje vidljivost. Prav tako je pomembno za dobro počutje

voznika avtobusa, kateri je zato bolj zbran pri sami vožnji, mirnejša vožnja pa poskrbi tudi za

dobro počutje potnikov. Konstruiranje grelnega kanala vetrobranskega stekla ter analiza

pretoka zraka po grelnem kanalu je predmet tega diplomskega dela.

1.2 OPREDEVITEV DIPLOMSKEGA DELA

V diplomskem delu so opisani nekateri problemi, kateri so posledica potrebe po gretju

voznikovega območja. Sledi opis reševanja enega izmed problemov, konstruiranje rešitve ter

nato primerjanje toka zraka pred in po uporabi rešitve problema.

1.3 STRUKTURA DIPLOMSKEGA DELA

V diplomskem delu je najprej opisano podjetje TAM-Durabus, zgodovina podjetja ter

njihovi proizvodi. Sledi opis problema pri gretju voznikovega območja za lažje razumevanje

vsebin predstavljenih v nadaljevanju diplomskega dela.

Naslednje poglavje opisuje površinsko modeliranje. Površinsko modeliranje je bilo

uporabljeno pri konstruiranju vseh tridimenzionalnih modelov, kateri so predstavljenih v

diplomskem delu.

V nadaljevanju je predstavljen obstoječ model grelnega kanala, opis poteka

konstruiranja modificiranega grelnega kanala ter pokrova grelnega kanala. Potek

konstruiranja je predstavljen z opisom posameznih korakov ter slikami.

V naslednjem poglavju so predstavljene osnove računalniške dinamike tekočin.

Sledi analitični preračun veličin potrebnih za izdelavo simulacije, potek mreženja

negativa grelnega kanala, predstavitev nastavitev vhodnih veličin ter robnih pogojev, ki so

bili uporabljeni pri izvedbi simulacije toka zraka po grelnem kanalu.


- 2 -

Predstavitev dobljenih rezultatov simulacije, s slikovnim materialom ter komentarji.

Prikaz tokovnic, hitrosti, vrtinčnosti v notranjosti kanala ter pretoki na izstopih iz grelnega

kanala.

Na koncu je dodan še sklep, kjer so opisani naslednji koraki za izdelavo modificiranega

grelnega kanala ter dobre in slabe strani modifikacije grelnega kanala.


- 3 -

2 PREDSTAVITEV PODJETJA IN OPIS PROBLEMA

2.1 PREDSTAVITEV PODJETJA

Podjetje TAM-Durabus je Evropsko podjetje specializirano za razvoj in izdelavo

avtobusov. Podjetje je locirano v Sloveniji, na razpotju Srednje in Jugovzhodne Evrope. Samo

podjetje TAM-Durabus je poznano podjetje v Centralni Evropi z bogatimi 65 letnimi

izkušnjami v avtomobilski industriji. Poznano je po visoki kvaliteti z visoko kvalificiranim in

narodno raznolikim delovnim kadrom, kar pripomore k vključevanju podjetja v pomembne

multinacionalne skupine v avtomobilski industriji. [1]

2.2 ZGODOVINA PODJETJA

TAM-Tovarna Avtomobilov in motorjev Maribor je bila oblikovana in identificirana v

Jugoslaviji leta 1947. V tem času je bila Tovarna Avtomobilov Maribor najpomembnejša

proizvajalka motornih vozil z velikim ugledom v celotni regiji. Velik ugled je prinesel tudi

veliko prepoznavnost in tako je podjetje izdelalo približno 8000 različnih vozil (tovornjakov,

avtobusov) na leto ter je zaposlovalo skoraj 10000 ljudi.

S prevzemom TAM-Durabusa leta 2013 je podjetje stopilo v novo poglavje v svoji

dolgi zgodovini. S proizvodnjo modernih turističnih, letaliških ter mestnih avtobusov je TAM

ponovno znamka, ki predstavlja prihodnost transportnih vozil. [1]

2.3 PROIZVODI PODJETJA

Podjetje razvija in proizvaja visoko kvalitetne Evropske produkte z naprednim

tehnološkim razvojem. TAM-Durabus proizvaja predvsem letališke avtobuse (VivAir2

Airport), mestne avtobuse (Vive Intercity Bus), električne mestne avtobuse (Viva-E Electric

City Buses) in turistične avtobuse (Vive TH, Vive TL, Vive TLL). [1]


- 4 -

2.4 OPIS PROBLEMA

Pod armaturno ploščo v avtobusu je zelo veliko raznoraznih komponent. Zaradi

velikega števila komponent nastanejo prostorski problemi. Eden takšnih problemov se je

pojavil pri priključitvi vozniškega grelca na grelni kanal vetrobranskega stekla. Ker ima

sedanja izvedba štiri priključke, ki povezujejo vozniški grelec z grelnim kanalom priključne

cevi zasedejo zelo veliko prostora pod armaturno ploščo. Zaradi malo prostora pod armaturno

ploščo pa je priključitev teh cevi na grelni kanal precej zahtevna ter zahteva veliko časa pri

montaži.

Slika 2.1 Prostor pod armaturno ploščo


- 5 -

3 MODELIRANJE S POVRŠINAMI

Pri površinskem modeliranju model opišemo z njegovimi površinami. Kot primer lahko

vzamemo šest ploskev, ki skupaj tvorijo kvader, kot je prikazano na sliki 3.1. Modeliranje s

površinami je zelo popularno pri oblikovanju vesoljske tehnike ter prevoznih sredstev.

Posebej uporabno je pri razvoju zapletenih ukrivljenih oblik, katere pogosto srečamo pri

prevoznih sredstvih ter vesoljski tehniki. [2]

Slika 3.1 Kvader iz površin [2]

Vsi fizični objekti so tridimenzionalni. Pogosto naletimo na težave pri opisu mej

trdnega objekta, če objekt opišemo s površinami dobimo enolično obliko objekta. Meje

objekta predstavlja več površin, ki skupaj tvorijo zaprto celoto. Pri opisu objektov je prostor

razdeljen v dva dela glede na meje. Prvi del omejuje točke, ki ležijo v objektu ter ga

oblikujejo, drugi del pa opisuje okolico v kateri se objekt nahaja. Meje objekta so lahko

opisane z ravnimi linijami, krivuljami ali kombinacijo ravnih linij ter krivulj. Primer modela,

katerega oblika je opisana s površinami je prikazan na sliki 3.2. [2]


- 6 -

Slika 3.2 Model opisan s površinami [2]

Pri modeliranju s površinami lahko površine kopiramo iz drugih objektov, raztegujemo

v poljubne smeri, na površine projiciramo krivulje iz ravnine, spajamo več površin, določimo

krivuljo po kateri se sekata dve površini, določimo vzporedno površino z želenim odmikom.

Poleg naštetih operacij lahko na površinah uporabljamo tudi ukaze, ki jih uporabljamo pri

modeliranju z volumskimi modeli (Extrude, Revolve, ipd.)


- 7 -

4 MODIFIKACIJA GRELNEGA KANALA

4.1 PREDSTAVITEV OBSTOJEČEGA MODELA

Celoten sklop gretja vetrobranskega stekla je sestavljen iz štirih komponent. Prva

komponenta je armaturna plošča, ki predstavlja del pokrova pretočnega kanala, druga

komponenta je pretočni kanal, ki je nameščen pod armaturno ploščo, tretja ter četrta

komponenta sta pokrova, ki pokrivata predel grelnega kanala, ki ga armaturna plošča ne

pokrije. Sestava obstoječega grelnega kanala je prikazana na sliki 4.1.

Slika 4.1 Sestavni deli obstoječega grelnega kanala

Obstoječa izvedba priključitve vozniškega grelca na pretočni kanal je izvedena s štirimi

cevmi premera 70 mm. Dve cevi sta priključeni na sredini pretočnega kanala, preostali dve pa

vsaka na svoji strani pretočnega kanala. Mesta priključkov cevi so prikazana na sliki 4.2.


- 8 -

Slika 4.2 Mesta priključkov na kanalu

4.2 KONSTRUIRANJE MODIFICIRANEGA KANALA

4.2.1 KONSTRUIRANJE GRELNEGA KANALA

Zaradi želje po poenostavitvi priključitve vozniškega grelca na grelni kanal ter

sprostitve prostora, ki ga zajemajo priključne cevi je nastala ideja za priključitev grelca samo

z eno cevjo ter ustrezno dodelavo pretočnega kanala. Najprej je nastala konceptna skica

modificiranega grelnega kanala (slika 4.3), ki je bila odobrena s strani predstavnikov oddelka,

ki se ukvarja z izdelavo gretja avtobusa.

Slika 4.3 Konceptna skica modificiranega grelnega kanala


- 9 -

Sledila je predelava obstoječega modela. Prvi korak je bil s funkcijo Extrude – Remove

Material izdelati odprtino v obstoječem grelnem kanalu. Rezultat je prikazan na sliki 4.4.

Slika 4.4 Extrude - Remove Material

V naslednjem koraku smo s pomočjo funkcij Extrude as Surface, Boundary Blend ter

Fill izdelali osnovno obliko modificiranega grelnega kanala. Rezultat je prikazan na sliki 4.5.

Slika 4.5 Extrude as Surface, Boundary Blend, Fill


- 10 -

S pomočjo kopiranja površin iz zgornjega dela armaturne plošče smo določili višino

modificiranega dela grelnega kanala. Površine smo nato združili s funkcijo Merge. Rezultat

je prikazan na sliki 4.6.

Slika 4.6 Copy Surfaces, Merge

Ker je bil modificiran del grelnega kanala previsok je bilo potrebno s funkcijo Extrude

as Surface – Remove Material odstraniti odvečne površine. Rezultat je prikazan na sliki 4.7.

Slika 4.7 Extrude as Surface – Remove Material


- 11 -

Sledila je izdelava priklopa za cev premera 150mm. S pomočjo funkcije Extrude as

Surface smo naredili površino v obliki kroga, nato smo s funkcijo Merge površine združili.

Sledila je še izdelava zaokrožitev s funkcijo Round. Rezultat uporabe opisanih funkcije je

prikazan na sliki 4.8.

Slika 4.8 Extrude as Surface, Merge, Round

V zadnjem koraku smo odstranili stranske priklope za cevi ter s funkcijo Thicken

površine spremenili v volumski model. Končni rezultat konstruiranja je prikazan na sliki 4.9.


- 12 -

Slika 4.9 Thicken

4.2.2 KONSTRUIRANJE POKROVA GRELNEGA KANALA

Zaradi spremembe oblike grelnega kanala je bilo potrebno izdelati tudi pokrov, ki

pokriva prostor katerega zgornji del armaturne plošče ne pokrije. V prvem koraku smo s

pomočjo funkcije Fill, Copy Surface ter Intersect izdelali osnovo pokrova, ki je prikazana na

sliki 4.10.

Slika 4.10 Fill, Copy Surface, Intersect


- 13 -

Nato smo s funkcijami Copy Surface, Extrude as Surface ter Merge določili končno

velikost pokrova ter obliko. Rezultat je prikazan na sliki 4.11.

Slika 4.11 Copy Surface, Extrude as Surface, Merge

Po končanem urejanju površin smo uporabili funkcijo Thicken ter površinski model

spremenili v volumski model. Končen pokrov je prikazan na sliki 4.12.

Slika 4.12 Pokrov grelnega kanala


- 14 -

4.2.3 SESTAVA MODIFICIRANEGA GRELNEGA KANALA

Slika 4.13 prikazuje sestav modificiranega grelnega kanala, katerega smo kasneje

uporabili za izdelavo negativa.

Slika 4.13 Sestav modificiranega grelnega kanala


- 15 -

5 RAČUNALNIŠKA DINAMIKA TEKOČIN

Računalniška oziroma računska dinamika tekočin (RDT) predstavlja pomembno

področje inženirskih znanosti, saj omogoča reševanje zahtevnih inženirskih problemov toka

tekočin in s tem povezanih prenosnih pojavov (prenos toplote in snovi) na povsem novem

nivoju. Medtem ko je večina klasičnega inženirskega dela na področju mehanike tekočin

vezana na modele koncentriranih parametrov (Bernoullijeva enačba) in enodimenzionalne

modele ter uporabo eksperimentalno dobljenih korelacij (npr. za lokalne izgube v cevnih

elementih, toplotno prestopnost ...), ki so omejeno uporabni, obravnava RDT realne

prostorske geometrije in realne parametre obratovanja (robni pogoji).

Osnova RDT modeliranja je izhodiščni sistem ohranitvenih zakonov mase, gibalne

količine, toplote in snovi v diferencialni obliki. Najuniverzalnejša oblika ohranitvenih

zakonov so Navier-Stokes enačbe, ki jih lahko uporabimo za opis laminarnega in

turbulentnega toka, stisljive in nestisljive ter Newtonske in ne-Newtonske tekočine. Navier-

Stokes enačbe so v svojem bistvu parcialne diferencialne enačbe, ki jih ob zadanih robnih in

začetnih pogojih rešujemo skorajda praviloma numerično. Numerično reševanje zajema

računalniško obdelavo podatkov, ki jih ustvarjajo računalniški algoritmi na osnovi

aproksimativnih metod (na primer Metode končnih volumnov), ki jih uporabimo za številčno

reševanje Navier-Stokes enačb.

Zaradi nenehnega hitrega razvoja računalniških zmogljivosti, tako hitrosti računanja kot

spominskih kapacitet, lahko danes rešujemo vse zahtevnejše primere v vse krajšem času na

vse (cenovno) dostopnejših računalnikih. Računalniška dinamika tekočin tako postaja vse

pomembnejši spremljevalec in dopolnjevalec eksperimentalnih metod, kar omogoča hiter in

zanesljiv študij različnih pojavov v dinamiki tekočin.

Računalniška dinamika tekočin ima izrazito interdisciplinarni značaj (slika 5.1). V

ospredju so inženirske znanosti ter matematika in fizika, saj te predstavljajo osnovo za

numerični izračun nekega problema. Izvedbo numeričnega izračuna danes zagotavlja uporaba

elektronskega računalnika in zanj napisanih algoritmov, ki v bistvu predstavljajo pretvorjeno

matematično obliko fizikalnih zakonov, primerno za opis z enim izmed računalniških

programskih jezikov, v primeru RDT-ja najpogosteje FORTRAN-om ali C-jem. Zaradi

izrednih množin podatkov, ki so na voljo za obdelavo po koncu izračuna, postajajo vse


- 16 -

pomembnejše tudi predstavitvene tehnike, predvsem seveda vizualne in sicer v obliki

interaktivne prostorske računalniške grafike. [3]

Slika 5.1 Interdisciplinarna narava računalniške dinamike tekočin [3]


- 17 -

6 ANALIZA PRETOKA ZRAKA PO GRELNEM KANALU

6.1 ANALITIČNA DOLOČITEV VRSTE TOKA

Za izvedbo simulacije toka zraka po grelnem kanalu je potrebno določiti, kakšna vrsta

toka se pojavi v grelnem kanalu. Ločimo dve vrsti toka tekočin. Laminaren tok imamo, kadar

se tokovnice s časom ne spreminjajo. Če se tokovnice s časom spreminjajo je tok turbulenten.

Vrsto toka določimo s pomočjo Reynoldsovega števila. Kadar je vrednost Reynoldsovega

števila v kanalu nižja od 2300 je tok laminaren, v nasprotnem primeru lahko rečemo, da

imamo turbulenten tok [4]. Izračunani sta bili dve vrednosti Reynoldsovega števila, kajti

vstopa za obstoječi ter modificiran grelni kanal sta različnih premerov.

𝑅𝑒 =𝑣∙𝑑

ν ; 𝑅𝑒1 = 8,6 ∙ 104 ; 𝑅𝑒2 = 1,6 ∙ 105 (6.1)

Re [/] - Reyndolsovo število

𝑣 [m/s] - hitrost toka

𝑑 [m] - premer vstopne cevi

ν [m2/s] - kinematična viskoznost

Hitrost toka izračunamo iz volumskega pretoka zraka v grelec ter dveh različnih premerov

vstopne cevi za obstoječi ter modificiran grelni kanal (dobstoječ=70 mm in dmodificiran=150 mm).

𝑣 =Φ𝑉

𝐴 ; 𝑣1 = 21,65

𝑚

𝑠 ; 𝑣2 = 18,86

𝑚

𝑠 (6.2)

𝑣 [m/s] - hitrost toka

Φ𝑉 [m3/s] - volumski pretok

A [m2] - presek cevi


- 18 -

Masni pretok zraka izračunamo iz volumskega pretoka ter gostote zraka.

Φ𝑚 = ρ ∙ Φ𝑉 ; Φ𝑚 = 0,364𝑘𝑔

𝑠 (6.3)

Φ𝑚 [kg/s] - masni pretok

ρ [kg/m3] - gostota

Φ𝑉 [m3/s] - volumski pretok

Iz izračunanih vrednosti Reynoldsovih števil vidimo, da je tok v grelcu turbulenten in je

potrebno na podlagi tega vključiti dodatne modele (enačbe), ki opišejo naravo turbulentnega

toka.

6.2 IZDELAVA NUMERIČNEGA MODELA IN RAČUNSKE MREŽ

S kopiranjem notranjih površin grelnega kanala, pokrova armaturne plošče ter obeh

pokrovov smo dobili osnovno obliko negativa grelnega kanala za izdelavo simulacije. S

funkcijo Solidify smo te površine nato spremenili v volumski model (model je bil pripravljen

v programskem paketu CREO Parametric). Geometrija, ki smo jo uporabili za mreženje je

prikazana na sliki 6.1 (zgoraj obstoječ kanal, spodaj modificiran kanal).

Slika 6.1 Numerična modela grelnega kanala


- 19 -

V programski paket ANSYS smo uvozili STEP datoteko. Numeričnemu modelu smo

nato vse vstopne površine poimenovali vstop, vse izstopne površine izstop, ter ostale površine

stene. Model smo nato zamrežili s tetraedričnimi elementi. Mreži smo dodali mejno plast na

stenah grelnega kanala, kar je potrebno zaradi obravnave toka kot turbulentnega. Pri

obstoječem kanalu smo dobili računsko mrežo s 3248316 elementi in 1040887 vozlišči, pri

modificiranem kanalu pa 5474791 elementi in 1732337 vozlišči. Primerjava obeh mrež

(zgoraj obstoječ kanal, spodaj modificiran kanal) je prikazana na sliki 6.2, detajl mreže v

katerem je prikazana mejna plast je prikazan na sliki 6.3.

Slika 6.2 Primerjava računskih mrež


- 20 -

Slika 6.3 Detajl mreže z mejno plastjo elementov

6.3 PARAMETRI NUMERIČNE SIMULACIJE

V prvem koraku smo določili, da imamo v računskem območju tekočino z lastnostmi

zraka pri 25°C. Zaradi prej izračunane vrednosti Reynoldsovega števila, ki kaže na

turbulentno naravo toka smo uporabili za opis le te SST (Shear Stress Transport) model. Tok

je bil računan kot izotermen pri temperaturi 25°C, saj nas je v osnovi zanimalo le tokovno

polje.

Površinam, ki smo jih poimenovali vstop smo določili vstopni masni pretok 0,364 kg/s.

Površinam z imenom izstop smo definirali z robnim pogojem izstop ter določili relativni tlak

0 Pa. Na stenah smo definirali brez zdrsni robni pogoj stena, kar pomeni da je hitrost zraka na

steni enaka nič.

V zavitku Monitor smo določili katere parametre želimo spremljati med samo

simulacijo. Spremljali smo masni pretok na vsakem izmed izstop ter za kontrolo vhodnih

parametrov masni pretok na enem izmed vstopov.


- 21 -

7 REZULTATI IN DISKUSIJA

Pravilnost izvedbe simulacij smo ocenili iz grafa ohranitve mase ter gibalne količine

(hitrosti v vseh koordinatnih smereh). Graf za obstoječ model je prikazan na sliki 7.1, graf za

modificiran model pa na sliki 7.2.

Slika 7.1 Ohranitev mas ter hitrosti - obstoječ kanal


- 22 -

Slika 7.2 Ohranitev mas ter hitrosti - modificiran kanal

Iz grafov ohranitve je razvidno da je napaka vseh enačb padla pod 10-3

, kar predstavlja v

primerih uporabe komercialnega programskega orodja ANSYS CFX rešitev, ki je numerično

pravilno rešena.

Na monitorju smo spremljali masne pretoke na izstopih. Na sliki 7.3 lahko vidimo

nihanja v toku skozi posamezen izstop pri obstoječem kanalu. Nihanja v pretoku na izstopu

pri modificiranem kanalu so prikazana na sliki 7.4.


- 23 -

Slika 7.3 Monitor - obstoječ kanal

Slika 7.4 Monitor - modificiran kanal


- 24 -

S Function calculator-jem smo nato izračunali pretok zraka skozi posamezen izstop.

Rezultati so zbrani v diagramu 7.1. Iz diagrama je razvidno, da je pretok zraka skozi izstope

pri modificiranem kanalu bolj enakomerno porazdeljen kot pri obstoječem kanalu.

Diagram 7.1 Masni pretok na izstopih

Za lažjo primerjavo ter opazovanje rezultatov smo na sredini grelnega kanala izdelali

ravnino, ki je prikazana na sliki 7.5. Na tej ravnini smo nato opazovali tokovnice, kar je

prikazano na sliki 7.6. Iz tokovnic je razvidno da je pri modificiranem kanalu tok veliko bolj

umirjen ter z manj vrtinčenja.

0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

Obstoječ kanal

Modificiran kanal


- 25 -

Slika 7.5 Ravnina

Slika 7.6 Tokovnice


- 26 -

Na ravnini smo prikazali tudi vektorje hitrosti, kar je prikazano na sliki 7.7. Na mestih

kjer so vektorji temno modre barve se pojavlja vrtinčenje zraka v grelnem kanalu, saj modra

barva pomeni hitrosti blizu nič in v vrtincih imamo mesta, kjer zrak tudi stoji oz. ima izrazito

majhno hitrost.

Slika 7.7 Vektorji hitrosti


- 27 -

Slika 7.8 Turbulentna kinetična energija

S prikazom turbulentne kinetične energije prikažemo mesta, kjer nastajajo vrtinčenja

tokov. Mesta povečane turbulentne kinetične energije so prikazana na sliki 7.8.

Iz prikaza tlakov na ravnini, kar je vidno na sliki 7.9 lahko razberemo, da imamo v

modificiram kanalu povečan tlak samo v predelu vstopa zraka v grelni kanal. Prav tako smo z

Function calculator-jem izračunali tlačni padec med vstopom ter izstopom. Le ta je pri

obstoječem kanalu znašal 1211 Pa, pri modificiranem grelnem kanalu pa 1434 Pa.

Slika 7.9 Tlaki


- 28 -

8 SKLEP

Zaradi spremembe priključitve grelnega kanala iz sistema na štiri cevi na sistem z eno

cevjo se montaža grelnega kanala zelo poenostavi. Prav tako se sprosti veliko prostora pod

armaturno ploščo, ki ga lahko sedaj uporabimo za namestitev kakšne druge komponente ali

kaj podobnega.

Sodeč po simulacijah je modificiran grelni kanal učinkovitejši, saj enakomerneje

izpihuje zrak na vetrobransko steklo. V naslednjem koraku bi bilo potrebno izdelati prototip

grelnega kanala, na katerim bi nato izvedli meritve ter rezultate meritev primerjali z rezultati

meritev na obstoječem kanalu.

Iz primerjave tlačnega padca med vstopom in izstopom med grelnima kanaloma

ugotovimo, da za modificiran grelni kanal potrebujemo malenkost močnejši ventilator, vendar

je ta razlika zanemarljivo majhna.

Za samo uporabo modificiranega kanala v praksi bi bilo potrebno spremeniti tudi

priklop na grelec iz sedanjih štirih cevi na eno cev.


- 29 -

9 VIRI

[1] Podatki o podjetju TAM-Durabus [svetovni splet]. Dostopno na WWW:

http://www.tam-durabus.eu/

[2] Radhakrishnan, P.: CAD/CAM/CIM [svetovni splet]. Dostopno na WWW:

https://books.google.si/books?id=LITRsQJaf80C&printsec=frontcover&hl=sl#v=onepa

ge&q&f=false

[3] Hriberšek Matjaž, Škerget Leopold: Računalniška dinamika tekočin. Maribor: Fakulteta

za strojništvo 2005

[4] Škerget Leopold: Mehanika tekočin. Maribor: Fakulteta za strojništvo 1994

[5] Kraut Bojan: Krautov strojniški priročnik – 14 slovenska izd., predelana / izdajo

pripravila Puhar Jože, Stropnik Jože – Ljubljana: Littera picta, 2007

http://cobiss6.izum.si/scripts/cobiss?ukaz=SEAL&mode=5&id=1143318572619564&PF=AU&term=%22Radhakrishnan,%20P.%22

konstruiranje in analiza gretja - core- v - konstruiranje in analiza gretja voznikovega obmoČja...

Documents