Trenler İçin CFD Analizi, Thomas Plinninger, Sistem Mühendisi, Siemens Mobility, Münih, Almanya ve Alexander Hildebrandt, Grup Lideri, Siemens Mobility, Krefeld, Almanya . Makale çalışmasında trenler için CFD analizi, ansys fluent tren analizi ve ilgili alanlarda mükemmel bilgiler bulacaksınız.
Düzenlemeler ve müşteri talepleri, yolcu kabinlerine konforlu iklimler sağlamak için ray tasarımcılarına baskı yapıyor. Geçmişte, Siemens mühendisleri ısıtma, havalandırma ve soğutma (HVAC) sisteminin tasarımını doğrulamak için bir iklim rüzgar tünelinde yolcu otobüslerini dört ay boyunca test ettiler. Şimdi test süresini ve maliyetini yüzde 50’ye kadar azaltmak için ilk çalıştırıcıyı kurmadan önce tasarımı doğrulamak için Ansys Fluent hesaplamalı akışkanlar dinamiği (CFD) yazılımını kullanıyorlar. Kullanılan yazılım hakkında yararlı bilgilere ‘Ansys Fluent‘ makalesinde bulabilirsiniz.
“Siemens mühendisleri tasarımı ilk seferde doğru yapıyor, bu da rüzgar tüneli testi miktarını yüzde 50 azaltmayı mümkün kılıyor – iki aylık bir azalma.”
Dünyanın birçok ülkesinde tren seyahati yaygındır. Örneğin, Avrupa’da 2014 yılında yolcular trenle 475 milyar kilometreden fazla yol kat etmiş, Asya ve Orta Doğu’da bu sayı beş kattan fazla olmuştur. [1] Demiryolu yolcu vagonlarının iklim kontrolü, artan hükümet düzenlemeleri ve artan müşteri talepleri nedeniyle giderek önem kazanmaktadır. Örneğin, Avrupa Standardı 13129 (EN13129), yolcu bölmeleri içindeki hava sıcaklığını, bağıl nemi ve hava hızını kontrol etmek için katı gereksinimler ortaya koymaktadır. Bu standardı karşılamak için yeni bir yolcu koçunun HVAC sisteminin tasarlanması, dört aylık test gerektiriyordu ve HVAC sistemi tasarımını, yalnızca kiralama ücretleri için günde binlerce avroya mal olan bir iklim rüzgar tünelinde değiştiriyordu. Ayrıca, otobüs teslimatı için son tarihler nedeniyle simülasyon süresi sınırlıydı.
Son birkaç yılda, Siemens mühendisleri Ansys Fluent CFD yazılımını kullanarak tüm yolcu koçunu doğru bir şekilde simüle etmeyi ve fiziksel ölçümlerle yakından eşleşen ayrıntılı sonuçlar üretmeyi başardılar. Simülasyon sonuçları test için gereken sürenin bir kısmında üretilebilir. Mühendisler geçmişte mümkün olandan daha fazla tasarım yinelemesini değerlendirebilir ve bu da genellikle üstün HVAC performansına neden olur. Yolcu koçu hala standarda uygunluğu doğrulamak için test edilmelidir, ancak test süresi en son ürünlerde yüzde 50 azaltılarak rüzgar tüneli kiralama giderlerinde önemli ölçüde tasarruf sağlamanın yanı sıra personel ve ekipman maliyetlerinde önemli ilave tasarruflar sağlandı.
“Siemens mühendisleri, Ansys Fluent CFD yazılımını kullanarak tüm yolcu koçunu doğru bir şekilde simüle etmeyi ve fiziksel ölçümle yakından eşleşen ayrıntılı sonuçlar üretmeyi başardılar.”
HVAC TASARIM ZORLUKLARI
Avrupa standardı şehirlerarası yolcu vagonlarında iklim kontrolü için geniş kapsamlı ve zorlu şartlar öngörmektedir. Ortalama iç sıcaklık, sıcaklık ayarından +/- 1 C’den fazla değişmeyebilir. Arabada yerden 1.1 metrede ölçülen yatay sıcaklık dağılımı 2 C’den fazla değişmeyebilir. Dikey sıcaklık dağılımı 3 C’den fazla değişmeyebilir. Standart ayrıca duvarların, tavanların yüzey sıcaklıkları, pencereler, pencere çerçeveleri ve zeminlerin yanı sıra koridorlar, banyolar, ekler ve trenin diğer bölümlerindeki iç sıcaklıklar. Son olarak, standart bağıl nem ve temiz hava akışı için gereksinimleri tanımlar.
Siemens yolcu vagonlarında sıcak hava, yan duvarlar üzerinden zemine kadar karmaşık bir kanal sistemi ile verilir. Soğuk hava, tavanda yaklaşık 30.000 4 mm çapında hava giriş deliği bulunan merkezi bir kanal tarafından verilir. Geçmişte Siemens, HVAC sisteminin standardın gereksinimlerini karşılama yeteneğini doğrulamak için deneyim ve çok pahalı deneylere dayanıyordu. Komple bir yolcu koçu inşa etmenin yüksek maliyetleri nedeniyle, bir prototip oluşturmak söz konusu değildir. Bu, ilk ürün inşa edilene kadar HVAC sisteminin performansı hakkında geri bildirim alınamayacağı anlamına gelir, bu noktada müşteri genellikle teslimatı yapmaktan endişe duyar. Antrenör yaklaşık iki hafta süren 500 ila 800 sensörle donatılmalıdır. Daha sonra, birçok farklı iklim koşulunda tek bir koç tasarımının standarda uygunluğunu tam olarak değerlendirmek için yaklaşık 14 haftalık test gereklidir. Tipik bir soğutma testi yapılır, araçtaki her koltuk 40 0C ortam sıcaklığında, 15 km / s sürüş hızında ve 27 0C iç sıcaklık ayar noktasında yer alır.
HVAC TASARIMINDA SİMÜLASYON UYGULAMASI
Siemens, yolcu koçu iklim kontrolünü değerlendirmek için CFD Analizi ‘ni bir süredir kullandı; ancak yakın zamana kadar simülasyonun tasarım süreci üzerinde önemli bir etkisi olmamıştır. Bellek ve işlem gücündeki sınırlamalar, tüm koçun çözüm alanı olarak kullanılmasını zorlaştırdı. Bu, sonuçların güvenilirliğinin sorunun sınırlarının ne kadar doğru bir şekilde belirlenebileceğine bağlı olduğu anlamına geliyordu. Ne yazık ki, sınırların çoğu, ölçümler veya teorik hesaplamalar ile bunları doğru bir şekilde belirlemenin imkansız olduğu alanlarda idi. Örneğin, birçok trenin dönüş akışı için açıklıkları olan iç kapıları vardır. Bu açıklıklar boyunca hava akışını doğru bir şekilde tahmin etmenin tek yolu, odayı kapının diğer tarafındaki çözelti alanına dahil etmektir.
Zamanla, Siemens iklim kontrol mühendisleri yönetimlerinin simülasyon değerini gösterebildiler ve modellerinin kapsamını genişletmek için ihtiyaç duyulan bilgi işlem kaynaklarını tüm koçu kapsayacak şekilde genişletebildiler. Hesaplama alanının sınırı, çıkarılan sıvı iç kısmının ıslak yüzeyinden taşıtın dış duvarına taşındı. Dış duvarlar, konjugat ısı transferi kullanılarak modele katı madde olarak dahil edilmiştir. Duvarlar genellikle plastik, yalıtım ve alüminyum gibi malzemelerden oluşan çok katmanlı bir yapıdır; her katman modellenmelidir. Ortam koşulları standart tarafından tanımlanır. Yolcu ısı kaynakları modele standart tarafından belirtilen şekilde eklenir.
Her araba 150.000’den fazla bileşene sahiptir. Ansys HVAC simülasyonu için gerekli parça sayısı yapısal bir simülasyondan daha fazladır, ancak yine de toplamdan çok daha azdır. Gerekli parçaların ürün veri yönetim sisteminden manuel olarak aktarılması çok zaman alır. Tasarım önemli ölçüde değiştiğinde bu sürecin tekrarlanması gerekecektir. Bu nedenle Siemens mühendisleri, PDM sisteminden seçilen verileri otomatik olarak yerel veya nötr biçimde dışa aktaran ve verileri Ansys SpaceClaim formatına dönüştüren bir rutin geliştirdi. Mühendisler daha sonra cıvata ve cıvata delikleri gibi küçük parçaları ve karmaşık tedarikçi parçalarını temizlemek için SpaceClaim yarı otomatik araçlarını kullanırlar. Geometrik olarak ilgili tüm detaylar açıkça modellenmiştir. Mühendisler, akış analizi için gereken ters geometriyi oluştururlar.
“Bu tasarruflar, daha erken ürün teslimi ve artan gelirlere de uzanıyor.”
Siemens mühendisleri hem yüzey hem de hacim ağları için Ansys Meshing otomatik rutinlerini kullanır. Ağın modelin farklı alanları için optimize edilebilmesi için yaklaşık 200 farklı alt alan yaratırlar. Tetrahedral ağ, karmaşık geometriye sahip alanlar için ilk tercihtir. Sınır tabakadaki altı yüzlü elemanlara sahip hibrit tetrahedral-altı yüzlü ağlar, katı bir yüzeye ısı transferini hassas bir şekilde hesaplamak için özellikle yüksek sınır tabaka doğruluğunun gerekli olduğu yerlerde kullanılır. Konjugat ısı transferi simülasyonu, otomobilin içi ile ısı alışverişi yapan yolcular ve kanallar tarafından dokunabilecek duvarların yüzey sıcaklıklarını tahmin etmek için kullanılır. Sonuç, yüksek performanslı bir hesaplama (HPC) kümesinde Ansys Fluent ile çözülen, tipik olarak 500 ila 600 milyon hücre içeren bir simülasyon modelidir. Trenler için CFD analizi ve detayları hakkında bilgi için bizi rayın. Ansys ürünleri hakkında detaylı bilgiye ‘Ansys Nedir?‘ makalesinden ulaşabilirsiniz. İyi okumalar.
Ansys CFD-Post, mühendislere hacim akış hızı ve enerji dağıtımı gibi simülasyon sonuçlarını ve kabindeki tüm koltuk konumları da dahil olmak üzere 400’den fazla ölçüm noktasını inceleme konusunda yardımcı olur. Siemens mühendisleri simülasyon sonuçlarını detaylı olarak değerlendiriyor ve bunları EN13129 standardı ve ek müşteri gereksinimleriyle karşılaştırıyor. Simülasyon sonuçları, kabin içindeki sıcaklık ve hava akışı dağılımının iyi anlaşılmasını sağlar ve tasarımı geliştirme fırsatlarını gösterir. Mühendisler, HVAC sistemini çalıştırmanın en iyi yolunu belirlemek için sıklıkla manuel olarak parametrik çalışmalar yaparlar. Ansys ürünlerinin özellikleri ve değerleri için ‘Analiz Ansys’ web sitesini ziyaret edebilirsiniz.
“Siemens mühendisleri tasarımı ilk seferde doğru yapıyor, bu da rüzgar tüneli testi miktarını yüzde 50 azaltmayı mümkün kılıyor – iki aylık bir azalma.”
SİMÜLASYON SONUÇLARININ DOĞRULANMASI
Simülasyonun validasyonu CFD sürecinde çok önemli bir gerekliliktir. Mühendisler bu doğrulamayı, bir iklim rüzgar tünelinde simüle edilen ve test edilen bir referans proje için gerçekleştirdiler. Deneysel araştırmanın sonuçları ve CFD analizi iyi bir uyum göstermektedir ancak aynı zamanda sürecin hala geliştirilebileceği alanları da göstermektedir.
HVAC sistem performansını simülasyon ile doğru bir şekilde tahmin etme yeteneği, Siemens mühendislerinin ilk ürünü inşa etmeden ve test etmeden önce koç içindeki koşulları yüksek bir doğrulukla doğrulamasına olanak tanır. Çoğu durumda, tasarımı ilk kez doğru yapabiliyorlar, bu da rüzgar tüneli testi miktarını yüzde 50 oranında azaltmayı mümkün kılıyor – iki aylık bir azalma. Bu, rüzgar tüneli kiralama ücretleri, insan gücü ve ekipman tasarrufu sağlar. Alternatif tasarımları çok daha kolay değerlendirme yeteneği, Siemens mühendislerinin yolcu konforunu standardın gerekliliklerinin ötesinde iyileştirmesini ve ürün çeşitlerini test etme ihtiyacını ortadan kaldırmasını sağlar. HVAC sistemi, program için kritik olmayan bir yoldaysa, bu olağandışı değildir, bu tasarruflar daha erken ürün teslimi ve artan gelir anlamına gelir.
Hava hızı simülasyonu sonuçlarının fiziksel testlerle karşılaştırılması. Simülasyon ve ölçüm arasındaki fark yüzde 20 civarındadır, bu konvektif türbülanslı bir akışta hava hızının yerel bir nokta değeri olduğu göz önüne alındığında oldukça iyidir. Trenler için CFD analizi hizmeti için bizi arayın. CFD hakkında detaylı bilgi edinmek için ‘CFD Nedir?‘ makalesini okuyabilirsiniz.
Reference
[1] International Union of Railways, Railway Statistics 2014,
//www.uic.org/IMG/pdf/synopsis_2014.pdf
Trenler ve Raylı Sistem Araçları İçin CFD Analizi
Marsis İnovasyon, tren, raylı sistem, vagon sistemleri, trenler için cfd analizi, CFD analizi hizmeti sağlamaktadır. Analizler dünyanın en gelişmiş nümerik analiz yazılımı Ansys ürünleri ile yapılmaktadır. Ürün ve hizmetlerimiz için bize ulaşın. ,