Projekti / Programi
Modeliranje tokovnih in temperaturnih razmer v rotirajočih elementih
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.13.02 |
Tehnika |
Procesno strojništvo |
Prenosnost v trdninah in tekočinah |
| Koda |
Veda |
Področje |
| P240 |
Naravoslovno-matematične vede |
Plini, dinamika tekočin, plazma |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.11 |
Tehniške in tehnološke vede |
Druge tehniške in tehnološke vede |
računalniška dinamika tekočin, PIV,zavorni diski, zavorni bobni, hlajenje, rotacijski elementi, dinamometer
Raziskovalci (18)
Organizacije (2)
Povzetek
Cimos proizvaja tudi dele zavornih sistemov (zavorne bobne in diske). Del proizvodnje (kapacitete več kot 1 500 000 kos/leto) je v Mariboru del pa v Kikindi (kapaciteta več kot 2 000 000 kos/leto. Cimos prevzema tudi del razvoja in testiranja zavornih sistemov in s tem povečuje dodano vrednost izdelku, hkrati pa povečuje možnosti, da bodo linije zapolnjene tudi po menjavi avtomobilskih modelov in posledično zavornih sistemov. Cimos je osvojil postopke za trdnostne izračune in simulacije. Zaradi delovanja zavor prihaja do povečanja temperature zavor, kar pa ima velik vpliv na lastnosti materiala (natezna trdnost, koeficient trenja, Youngov modul-E) in posledično tudi učinkovitost zavor. Preskuševališče za zavorne sisteme je dobavljeno, operativno in omogoča testiranja.
Cenovno in s stališča odzivnosti je zelo ugodno, če se dajo razmere najprej simulirati in se testira samo perspektivne izvedbe. Pri tem pa je zelo pomemben parameter hlajenje zavornega diska (bobna). Toplotno-tokovne razmere hlajenja zavornega sistema so zaradi intenzivne generacije toplote in nestacionarnega tokovnega polja izredno zahtevne, tako da je običajen inženirski pristop ocene prenosnega pojava s pomočjo inženirskih prenosnih koeficientov neustrezen. Prenosni pojav je izrazito nestacionaren, turbulenten, neizotropen, lakalno pogojen, s temperaturno odvisnimi snovskimi lastnostmi trdnine in tekočine. Pri prenosu toplote so pomembni vsi mehanizmi prenosa toplote, prevod, konvekcija in sevanje. Problem hlajenja zavornega sistema bomo zato obravnavali numerično s pomočjo računske dinamike tekočin (CFD) in eksperimentalno z modernimi neinvazivnimi metodami PIV in LDA.
Namen projekta je razviti postopek za numerično simulacijo tokovnih razmer v in okoli zavornih diskov. Pri tem bomo upoštevali spremenljive snovske lastnosti materiala diskov. Simulacije bomo izvedli pri različnih vrtilnih frekvencah diskov. S pomočjo numerično dobljenih rezultatov za tokovno in temperaturno polje bomo lahko ovrednotili intenzivnost hlajenja pri različnih vrtilnih frekvencah diskov. Pri tem je potrebno upoštevati, da so površine hrapave (litje v pesek), da so oblike notranjih reber bolj ali manj slabi približki ventilatorskih lopatic in možnost livarskih napak, ki lahko imajo velik vpliv zaradi majhnih dimenzij kanalov. Zavedamo se, da so razmere na preskuševališču drugačne kot v avtomobilu, vendar so bolj ponovljive in je rezultate lažje primerjati. Numerične vrednosti na izstopu iz zavornega diska bomo primerjali z rezultati PIV in temperatur na zavornem disku in tako potrdili ustreznost in stopnjo zanesljivosti numeričnega modela. Pričakujemo, da bomo z vpeljavo CFD dobili boljši vpogled v proces hlajenja in vplivne faktorje, ki vplivajo nanj. Pričakujemo, da bo mogoče oblikovati notranja rebra diskov tako, da se bo našel optimum med mehanskimi lastnostmi diska, njegovim hlajenjem in možnostjo izdelave in tako omogočili, da se kupcu ponudijo diski, ki izpolnjujejo zahteve in jih je mogoče cenovno ugodno tudi izdelati. Model se bo uporabil tudi pri iskanju optimalnega števila in oblike lopatic. Dodatna prednost pa je, da Cimos v dogovoru s kupcem ponovno izvaja preračune in simulacije za obstoječe zavorne sisteme, ki so že v masovni proizvodnji. Tako bo mogoče izvesti primerjavo računskih vrednosti z eksperimentalnimi in potrditi ustreznost oziroma določiti interval zaupanja. Prav tako bo mogoče primerjati rezultate obstoječih (komercialnih) paketov in spremenjenih modelov in določiti stopnjo ujemanja ter morebiti dopolniti obstoječe modele, hkrati pa kupcu tudi pokazati prednosti in pomanjkljivosti enih in drugih. Dodatno pričakujemo, da bomo z direktnim simuliranje prenosa toplote uspeli identificirati »vroče točke« in jih eksperimentalno potrditi.
Pomen za razvoj znanosti
Novi numerični model za določitev učinkovitosti ohlajanja zavornega diska omogoča ocenitev dizajna oziroma hladilnih kanalov že v razvojni fazi, s čimer se izognemo izdelavi nepotrebnih prototipov in eksperimentov. Ker pa so toplotne-tokovne razmere v takšnih rotirajočih elementih zelo kompleksne je tudi njih zelo težko modelirati oziroma simulirati. Kot prvo je potrebno poznati fiziko problema oziroma vezanost toplotnih-tokovnih razmer, katero želimo zajeti z numeričnim modelom. Tako na prvem mestu predstavlja pomemben prispevek na področju znanosti, razumevanje fizike oziroma dogajanja znotraj hladilnih kanalov, pri čemer je potrebno vzeti v obzir ekspanzijo zraka, katerega disk črpa zaradi razlike v obodni hitrosti oziroma tlaku skozi hladilne kanale, saj se zrak pri tem močno segreje zaradi visoke temperature diska. To pa pomembno vpliva tako na tokovne kot toplotne razmere, ki jih želimo zajeti. Prav tako je tokovno dogajanje močno turbulentno, zlasti v okolici diska, katerega pa je možno opisati le s primernim turbulentnim modelom. Intenzivnost turbulence je neprimerno večja v območju na izstopu iz zavornega diska oziroma hladilnih kanalov kot znotraj njih. Kljub temu pa prihaja znotraj kanalov do separacije toka oziroma recirkulacije, katero je za dober opis toplotnih razmer oziroma stopnjo konvekcije potrebno zajeti. Pri tem klasični inženirski k-? RANS turbulentni model odpove. Za opis takšnega režima je ustrezneje izbrati SST model s primerno obravnavo mejne plasti. Kljub temu pa je turbulentni tok v takšnih rotirajočih elementih izrazito nestacionaren, kar se odraža v stabilnosti RANS izračuna z zgoščevanjem računske mreže. Za natančnejši opis toplotnih-tokovnih razmer znotraj hladilnih kanalov je potrebno problem obravnavati nestacionarno oziroma z naprednejšimi turbulentni modeli kot je URANS, LES ali hibridni. Tako predstavlja obravnava te problematike nov prispevek k razvoju znanosti, tako na področju zračno hlajenih zavornih diskov, kot tudi na širokem področju rotirajočih elementov, kot so radialno-aksialne črpalke. Prispevek k razvoju znanosti predstavlja tudi meritev kvazi-stacionarnega hitrostnega polja, tako na izstopu iz hladilnih kanalov, kot tudi znotraj njega s pomočjo PIV merilne metode (Particle Image Velocimetry) oziroma optičnega merjenja hitrosti. Rezultate meritev je pri tem potrebno primerno obdelati oziroma nastaviti PIV napravo, z željo po čim manjšem raztrosu meritev. Prednost PIV metode pa je v tem, da je možno zajeti hitrostno polje tekočine v določenem trenutku po celotni opazovani površini oziroma preseku in ne samo v določeni točki. Meritve hitrostnega polja so bile primerjane tudi s hitrostnim poljem numeričnih simulacij za samo validacijo modela in tako predstavlja pomemben prispevek na tem področju. Novejši pristop k reševanju problema z uporabo RDT (računska dinamika tekočin) omogoča detajlnejši vpogled v samo dogajanje toplotno-tokovnih razmer znotraj rotirajočih elementih in tako vpogled v fiziko problema. Omenjeni pristop predstavlja tudi prispevek znanosti na področju določitve kumulativnega odvoda toplote, saj je pristop natančnejši od starejšega analitičnega določevanja koeficientov prestopa toplote, ki v takem primeru za natančnejšo določitev učinkovitosti ohlajanja odpove.
Pomen za razvoj Slovenije
Raziskovalni projekt z razvojem novega numeričnega modela in eksperimentalno podprtega razvoja ima tako neposreden kot posreden vpliv na razvoj Slovenije. Neposredni vpliv je viden v direktni podpori avtomobilski industriji na področju zavornih sistemov, saj je mogoče z novim numeričnim modelom oceniti učinkovitost hlajenja zračno hlajenih zavornih diskov že v razvojni fazi. Ena izmed takšnih industrij v Sloveniji je podjetje Cimos d.d., ki je tudi sofinancer projekta, saj je del raziskovalne skupine Cimos d.d. usmerjena v razvoj novih zavornih diskov za različne avtomobilske proizvajalce. Tako predstavlja uspešnost raziskave tudi možnost novih zaposlitev iz strani podjetja. Neposreden vpliv je tudi viden v prilagoditvi optičnih merilnih metod, kot je PIV za merjenje hitrostnega polja, tako na področju zavornih diskov, kot tudi na širokem področju rotirajočih elementov, ko so ventilatorji, črpalke itd. in s tem možnost uporabe omenjenih metod tudi v drugih industrijskih panogah. Posreden vpliv pa predstavlja prenos ustvarjenega novega znanja tako na študente dodiplomskega in podiplomskega študijskega programa Strojništva,kot tudi na raziskovalce znotraj omenjenih industrij.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2011,
2012,
2013,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2011,
2013,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
