Marzeniem wielu osób jest odwiedzenie Egiptu oraz zobaczenie wielu niesamowitych atrakcji turystycznych, które potrafią być oddalone od siebie o wiele dziesiątki kilometrów. W takim wypadku powstaje pytanie, jakim środkiem transportu należy się poruszać? Wiele osób decyduje się na podróż prywatnym autem, bądź spływ statkiem po Nilu. Jest też jeszcze jedna opcja, która zostanie rozważona w tym artykule. Jest to mianowicie podróży autobusem.
W tym miejscu pojawia się jedno, zasadnicze pytanie: jaki autobus wybrać, żeby warunki w środku busa były komfortowe? Czy kolor autobusu ma znaczenie oraz czy jakość lakieru wpływa na temperaturę panującą wewnątrz pojazdu? Postaram się odpowiedzieć na to pytanie w poniższym tekście.
SOLIDWORKS Flow Simulation – kolor auta ma znaczenie
Częstym zagadnieniem, którym zajmuje się numeryczna mechanika płynów są ogólnorozumiane wymiany ciepła. Jednym z typów wymiany ciepła jest radiacja, czyli inaczej promieniowanie. Bardzo często zjawisko to jest pomijane w symulacjach, ze względu na mniejszy wpływ na ostateczny bilans ciepła. Jednakże jest ono istotne przy promieniowaniu słonecznym. Dlatego też chciałbym skupić się na działaniu tej funkcji w programie SOLIDWORKS Flow Simulation.
Ale najpierw należy powiedzieć czym jest SOLIDWORKS Flow Simulation. Jest to program służący do rozwiązywania problemów związanych z numeryczną mechaniką płynów. Oprogramowanie to pozwala na weryfikacje konstrukcji już na samym etapie projektowania. Jego najważniejszym zadaniem jest wskazanie najbardziej optymalnego rozwiązania oraz znaczne skrócenie cyklu projektowania do minimum.
Teraz, wracając do meritum- rozważając wymianę ciepła na konstrukcjach wystawionych na działanie żywiołów, chcemy mieć pewność, że promieniowanie słoneczne jest odpowiednio rozliczane, nie tylko przez typowy dzień, ale także o różnych porach dnia w różne dni roku. SOLIDWORKS Flow Simulation ułatwia to.
Podczas korzystania z kreatora projektu w celu skonfigurowania badania, w obszarze właściwości promieniowania można włączyć opcję „Promieniowanie słoneczne”. Wybierając tę opcję, rozszerza listę cech fizycznych, aby dostosować ją do konfiguracji słonecznej.
W celu poinformowania SOLIDOWRKS Flow Simulation, gdzie na niebie znajduje się słońce, należy wprowadzić szerokość geograficzną i kierunek północy. Aby to ułatwić, istnieje inżynierska baza danych dołączona do programu, która zawiera kilkanaście wstępnie zdefiniowanych lokalizacji, które w tym pomagają. Ponadto użytkownik ma możliwość zdefiniowania zachmurzenia oraz wysokością nad poziomem morza. Ze względu na, to że tematem tej pracy będzie autobus wykorzystywany w Egipcie, to zdecydowałem się na wybór miasta Kair. Następnie wybrałem porę dnia oraz porę roku, aby dokładnie ustawić zenit źródła promieniowania. W pracy wybrano 31 stycznia o godzinie 12 w samo południe. Ponadto zdecydowałem się, że słońce będzie grzać z temperaturą równą 33 stopni Celsjusza.
Kolejnym etapem był wybór typu symulacji. Zdecydowałem się na przeprowadzenie symulacji zewnętrznej z domyślnymi warunkami początkowymi. Jako domyślną jakość ścianki wybrałem ciało doskonale czarne. Cechy związane z wyborem tej opcji zostały przypisane wszystkim obiektom stałym (w dalszej części projektu, właściwości te zostały zmienione dla poszczególnych ścian). Następnie zdecydowałem się na przeprowadzenie symulacji z domyślnymi warunkami początkowymi, czyli temperatura otoczenia była równa 20,05 stopnia Celsjusza. Po tak zdefiniowanych warunkach początkowych otrzymałem poniższy rysunek, na którym są widoczne promienie słoneczne.
Następnie wybrałem materiały biorące udział w symulacji. Z tego względu, że autobus składa się z zewnętrznej oraz wewnętrznej warstwy, należało nadać im dwa różne typy materiałów. Na samym początku zdecydowałem się, że zewnętrzna warstwa będzie wykonana ze stali, a wewnętrzna z polimeru ABS. Ponadto szybom przypisałem materiał szklany, a siedzeniom przypisałem materiał plastikowy. Następnie poinformowałem SOLIDWORKSa jak ma traktować te obiekty oraz czy mają być one przezroczyste czy nie. Możliwość wyboru tych opcji jest dostępne w okienku odpowiedzialnym za przypisanie materiału do ciał stałych.
Kolejnym krokiem było przypisanie właściwości fizycznych poszczególnym ścianom. Dzięki temu posłużyła opcja „Radiative Surfaces” rozwijana z głównego drzewka nawigacji.
Te opcje informują program o jakości ścianek. To tam są zawarte wiadomości o kolorze ścian. Mianowicie mowa tutaj o współczynniku absorpcji oraz o współczynniku emisyjności. Współczynniki te są odpowiedzialne za to, do jakiej temperatury nagrzeje się obiekt. Przy wyborze tych opcji, użytkownik ma dostęp do szerokiej bazy danych, którą może rozszerzyć o własne materiały. Dzięki takiemu rozwiązaniu, użytkownik ma pełną dowolność jak powinna wyglądać jego powierzchnia.
Współczynnik absorbcji słonecznej przyjmuje wartości z przedziału 0-1, gdzie 0 jest ciałem doskonale białym, a 1 prezentuje ciało idealnie czarne. To samo dotyczy się współczynnika odbicia, który również przyjmuje wartości z przedziału 0-1, z tą różnicą, że 0 jest przyjmowane dla ciała doskonale czarnego, a wartości 1 jest przypisana ciału doskonale białemu.
W symulacji tej zdecydowałem się, na wykorzystanie rzeczywistych właściwości poszczególnych ścian. W tym celu zdecydowałem się, że wykorzystana stal będzie wypolerowaną stalą nierdzewną.
Po przypisaniu tych opcji zdecydowałem się na dodanie warunku brzegowego do wnętrza autobusu. Postanowiłem dodać tam wentylacje, która będzie działać z temperaturą równą 20 stopni Celsjusza. Aby tego dokonać należało wybrać odpowiednią ikonę z drzewa ustawień.
Następnie należy wybrać ścianę, która będzie spełniać określoną funkcję w badanym obiekcie. W tym przypadku wybrano ścianę, która będzie odpowiedzialna za doprowadzenie chłodnego powietrza. ). Po wyborze odpowiedniej geometrii należy ustawić panujące tam warunki. W tej symulacji powietrze jest dostarczane z prędkością 0.15 m/s, a jego temperatura wynosi 20 stopni Celsjusza.
Następnie wykonałem otwory w dachu autobusu, którym przypisałem ciśnienie atmosferyczne.
Dla tak stworzonych warunków należało dodać cele obliczeniowe, aby program wiedział, jakie parametry są istotne w tej symulacji oraz żeby wiedział, kiedy ma przestać wykonywać obliczenia. W tym celu zdecydowano się, że program ma przestać wykonywać obliczenia, w momencie, w którym ustalą się temperatury ciał stałych i powietrza wewnątrz pojazdu. Dodatkowo zdecydowano się na śledzenie zmian wszystkich parametrów związanych ze strumieniem promieniowania. Po tak ustawionych opcjach, wykonano obliczenia i przeanalizowano otrzymane wyniki.
Analiza pierwszych wyników
To co wyróżnia SOLIDWORKSa Flow Simulation od pozostałych programów jest bardzo szeroka gama możliwości przedstawienia wyników. Jest to bardzo intuicyjne oraz proste. Dzięki temu użytkownicy mogą łatwo uzyskać wgląd, którego potrzebują do podjęcia decyzji technicznej.
Pierwszą możliwością jest stworzenie wykresu przekroju. Pozwala on spojrzeć na przekrój poprzeczny modelu w dowolnym miejscu i wybrać szeroki zakres cech, takich jak temperatura czy ciśnienie. Można dynamicznie przenosić wykres przekroju do systemu i przeglądać wyniki w określonym obszarze. Jak widać na poniższym rysunku, temperatura w autobusie jest około 27 stopni. Elementem, który się nagrzał najbardziej jest panel sterowania, który jest postawiony obok kierowcy (czerwony element).
Następnie zdecydowałem się przedstawić wykres powierzchniowy, który pozwala przedstawiać uzyskane wyniki na poszczególnym obiekcie. Takie podejście pozwala uzyskać wyraźny rozkład wyników na badanym obiekcie. Dzięki temu mogłem zwizualizować do jakich temperatur nagrzeje się sam autobus. Wyniki zostały przedstawione poniżej.
Jak widać na powyższym rysunku, najbardziej nagrzeje się przednia szyba oraz tablica znajdująca się nad nią. Nagrzeją się one do temperatury aż 68 stopni Celsjusza! Pytanie powstaje zatem, do jakich temperatur nagrzeją się krzesła w samym busie? Na całe szczęście, one nagrzeją do znacznie niższych temperatur i maksymalna temperatura będzie wynosić około 35 stopni Celsjusza. Jak widać przy takim położeniu słońca, najbardziej nagrzeją się przednie siedzenia, ponieważ to do nich dociera bezpośrednio promieniowanie słoneczne.
Po przenalizowaniu otrzymanych temperatur, postanowiłem zwizualizować, gdzie przeważnie będą docierać promienie słoneczne.
Jak widać, większość promieni słonecznych dotrze do przednich siedzeń autobusu. Ta informacja dobrze tłumaczy, dlaczego przednie siedzenia nagrzeją się znacznie bardziej niż te tylne.
Ponadto proces wymiany ciepła można zaobserwować dzięki wykreśleniu trajektorii przepływu powietrza wylatującego z klimatyzacji. Dzięki temu narzędziu uzyskuje się niesamowity wgląd w przepływ cieczy i można zobaczyć znacznie więcej niż w przypadku rzeczywistych eksperymentów. Jak widać na poniższym rysunku, najbardziej chłodzone są krzesła znajdujące się w centralnej części busa.
Czy użyta stal to najlepsza opcja?
Po otrzymaniu powyższych wyników zastanowiłem się, jak wybór innych materiałów wpłynie na ostateczne wyniki. W związku z tym postanowiłem zmienić współczynnik absorpcji i wykonać kilka dodatkowych symulacji. Wykonanie takiego kroku jest bardzo łatwe i intuicyjne w programie SOLIDWORKS Flow Simulation. Program pozwala na kopiowanie konfiguracji i tworzenie symulacji z innymi wybranymi opcjami. W tym celu wystarczy skopiować symulacje i pozmieniać odpowiednie ustawienia. Następnie program pozwala na automatyczne porównanie wyników między sobą.
Na samym początku postanowiono, że autobus będzie miał kolor biały, czyli jego współczynnik absorpcji słonecznej będzie równy 0.3. Kolejnym przypadkiem, który wzięto pod uwagę był autobus o kolorze szarym o współczynniku absorpcji równym 0.6. Przedostatnim przykładem, który wzięto pod uwagę był autobus w kolorze czerwonym o współczynniku absorpcji 0.7. Wszystkie powyższe modele zostały wykonane z polerowanej stali nierdzewnej. Ostatni przypadek, który rozważano było użycie stali o podwyższonej odporności na warunki atmosferyczne o współczynniku emisyjnym równym 0.85, a nie 0.074 tak jak dla polerowanej stali nierdzewnej.
Porównanie wartości maksymalnych jest widoczna w poniższej tabeli:
| Parametr | BUS-steel 9260 [Domyślna] | BUS-steel 9260-color-white [Domyślna] | BUS-steel 9260-color-grey [Domyślna] | BUS-steel 9260-color-red [Domyślna] | BUS-steel 9260-not-polished-color-red [Domyślna] |
| Temperatura minimalna [oC] | 20,05 | 20,05 | 20,05 | 20,05 | 20,05 |
| Temperatura maksymalna [oC] | 68,46 | 71,10 | 94,39 | 102,87 | 72,40 |
Jak widać, najniższa maksymalna temperatura będzie panować w pierwszym przypadku. Przedstawia to również poniższy rysunek, gdzie przeważają przeważnie „zimniejsze barwy”. Najbardziej nagrzeje się autobus, który został pomalowany na kolor czerwony i został wykonany ze stali polerowanej.
Różnice w temperaturach można również dostrzec na samych krzesłach, gdzie temperatura jest znacząco większa dla pozostałych przypadków.
Jak widać najgorsze wyniki zostały uzyskane dla stali polerowanej dla koloru czerwonego i koloru szarego.
Po przeprowadzeniu powyższej analizy postanowiono wykonać analizę czasową, żeby sprawdzić jak nagrzewa się autobus oraz fotele w autobusie w ciągu dwóch godzin.
Jak widać na powyższych animacjach, słońce zmienia swoje położenie, przez co zmienia się temperatura poszczególnych części busa. Jak można było przypuszczać, najbardziej nagrzeją się elementy, do których docierają bezpośrednio promienie słoneczne. Jak widać- program SOLIDWORKS Flow Simulation pozwala na przewidzenie zjawisk zachodzących w czasie.
Kolejnym aspektem, który postanowiono przebadać jest, zmiana temperatury w momencie, w którym bus jedzie przed siebie z prędkością 60 km/h.
Na powyższym rysunku przedstawiłem temperaturę panującą wewnątrz autobusu. Jest ona znacząco niższa niż dla przypadku, kiedy autobus stoi w miejscu. Obecnie w autobusie przeważa temperatura rzędu 21 stopni Celsjusza. Są to warunki komfortowe do podróżowania nawet po takich gorących miejscach jak Egipt.
Jednocześnie na rysunku widać linie prądu powietrza. Dla niektórych z was zastanawiające może być powstałe zawirowanie na dachu busa. Zgodnie z oczekiwaniami, oderwanie się strugi oraz powstanie zawirowania powinno powstać na granic dachu, a nie na jego środku. Jednakże nie jest to błąd, ponieważ w dachu znajduje się wgłębienie, które jest źródłem powstania wiru. Stąd też otrzymane wyniki są prawidłowe.
Jak wynika z powyższego rysunku, warunki początkowe są szalenie ważne do przeprowadzenia symulacji. Informacja czy obiekt znajduje się w ruchu, czy nie znacząco wpływa na wyniki. Potwierdza to także poniższy rysunek, na którym widać temperaturę samego pojazdu. Dalej najcieplejszym elementem busa jest jego przednia szyba, lecz teraz ta nagrzewa się jedynie do temperatury 37 stopni Celsjusza.
Wnioski
Jak widać z powyższych rozważań, najlepsze wyniki zostały przy wykorzystaniu pierwotnie użytej polerowanej stali nierdzewnej. W celu uzyskania jeszcze lepszych wyników zalecałbym wykorzystanie stali o podwyższonej odporności na warunki atmosferyczne. Ponadto kolor tej stali powinien należeć do jasnych barw. Dla tak dobranych parametrów powinno uzyskać się znacznie ciekawsze wyniki.
Ponadto bardzo istotnym warunkiem jest informacja, czy symulacja jest przeprowadzona z krokiem czasowy czy z w stanie ustalonym. Jak widać, symulacje z korkiem czasowym pozwalają zwizualizować jak będzie poruszać się słońce względem badanego obiektu. Zjawisko to wpływa jednoznacznie na wyniki końcowe wymiany ciepła. Dlatego, aby dogłębnie poznać temperatury do jakich nagrzeją się elementy wewnątrz autobusu, niezbędne jest wykorzystanie symulacji z krokiem czasowym.
Jak widać, możliwości SolidWorks Flow Simulation post processing są szerokie, potężne jak również bardzo intuicyjne w użyciu. Dzięki intuicyjnym i potężnym możliwościom w zakresie przepływu płynów i wymiany ciepła, SolidWorks Flow Simulation umożliwia każdemu inżynierowi produktu przeprowadzenie współbieżnej symulacji CFD i uzyskanie najlepszego projektu pod względem jakości i wydajności.
