Prowadzący: dr hab. Tomasz Stręk, prof. nadz. Wykonali: Adam Wojciechowski Tomasz Pachciński Dawid Walendowski Kierunek: Mechanika i budowa maszyn Semestr: piąty Rok: 2014/2015 Grupa: M3
Spis treści: 1. Analiza przepływu powietrza wokół 2 pojazdów: samochodu typu pick up i sportowego 2. Analiza odkształceń pod wpływem obciążenia kółka do ćwiczeń monolitycznego, a wykonanego z otworami 3. Analiza przenikalności cieplnej w materiałach rurek ogrzewania podłogowego 4. Analiza wymiany ciepła w tarczach hamulcowych: standardowej (żeliwo sferoidalne) oraz sportowej (materiał ceramiczny z grupy węglików SiC) 5. Załączniki
1. Analiza przepływu powietrza wokół 2 pojazdów: samochodu typu pick up i sportowego: 1.1 Wstęp. Przedmiotem badań jest samochód typu pick up i samochód sportowy. W poniższym zestawieniu spróbujemy zbadać jaka jest różnica w rozkładzie prędkości wokół badanych obiektów. 1.2 Dane wejściowe. W celu dokonania analizy przepływu powietrza wokół obiektów posłużono się modułem Fluid Dynamics Incompressible Navier-Stokes (Steady-State analysis). Modele zostały stworzone w postaci 2D ze względu na małą moc obliczeniową naszego komputera.
Wygląd modeli 2D : Rys.1 Model 2D samochodu typu pick up Rys.2 Model 2D samochodu sportowego Na początku zdefiniowano warunki początkowe (Subdomain settings) Rys.3 zdefiniowane warunki początkowe
Następnie zdefiniowano warunki brzegowe (Boundary settings): Dla wlotu powietrza po prawej stronie ustawiono parametr "predkość" Dla wylotu powietrza po lewej stronie Pozostałe ściany i elementy zostały oznaczone jako ściany(nie poruszające się)
Po wprowadzeniu wstępnych danych przystąpiono do zdefiniowania wartości "prędkość" oraz wygenerowania siatki składające się z 4724 elementów. Rys.4 Zdefiniowanie parametru prędkości Rys.5. Wygenerowana siatka
By zobrazować opływanie samochodu przez powietrze przyjęto, że prędkość wiatru będzie wzrastać od 0 do 100m/s. Rys.6 Ustawienia rozwiązywanego problemu 1.3 Wyniki Otrzymane rozwiązanie problemu dla samochodu typu pick up wyglądało następująco: Rys.7 Analiza samochodu typu pick up
A dla samochodu sportowego: Rys.8 Analiza samochodu sportowego 1.4 Wnioski. Otrzymane wyniki są jedynie wynikami poglądowymi, gdyż przez wcześniej wspomnianą małą moc obliczeniową naszego komputera analiza została stworzona jedynie na zarysie bocznym 2D pojazdów, co uniemożliwiło przepływ powietrza pod samochodami. Jak widać samochód sportowy ma lepszą opływowość co zmniejsza prędkość wiatru znajdującego się wokół jego zarysu sprzyjając mu w uzyskaniu większych prędkości w krótszym czasie i przy mniejszym zużyciu paliwa, niż pojazdowi typu pick up, zakładając, że pod maską znajdowały by się takie same silniki w obu pojazdach. Analiza odkształceń pod wpływem obciążenia kółka do ćwiczeń monolitycznego, a wykonanego z otworami
2. Analiza odkształceń pod wpływem obciążenia kółka do ćwiczeń monolitycznego, a wykonanego z otworami: 2.1 Wstęp. Przedmiotem badań są kółka do ćwiczeń o różnych kształtach. W poniższym zestawieniu spróbujemy zbadać jaka jest różnica w rozkładzie naprężeń badanych obiektów. Rys.1 kółko do ćwiczeń monolityczne Rys.2 kółko do ćwiczeń z otworami 2.2 Dane wejściowe. Z racji braku posiadania sprzętu o dużej mocy obliczeniowej musieliśmy uprościć kółka. Używaliśmy opcji 3D Solid stress-strain w programie comsol. Na piastę koła nadaliśmy siłę pionową do podłoża o wartości wywołującej 1000N/m 2. Kółka są wytworzone z PA6 o gęstości 1360 kg/m 3
Wygląd modeli 3D : Rys.1 Model 3D kółka monolitycznego
Rys.2 Model 3D kółka z otworami
Procesy definiowania warunków brzegowych oraz materiału są analogiczne. a) Subdomain settings) Rys.1 Rys.2
b) (Boundary settings): dla obu kół (punkt oparcia koła i siła nacisku w piaście ). Rys.1 Rys.2
c) Aby lepiej zobrazować naprężenia i ugięcia blokujemy oś Z. Rys.3 2.3 Wyniki Rys.1 (maksymalna deformacja 9,4*10-11 m, maksymalne naprężenia 591,4Pa)
Rys.2 (maksymalna deformacja 2,5*10-10 m, maksymalne naprężenia 1431,4Pa) 2.4 Wnioski. Pod wpływem działającego obciążenia wynoszącego 300 N/m2 kółka uległ odkształceniu w kierunku osi Y. Kółko nr.1 - maksymalna deformacja 9,4*10-11 m (piasta) - maksymalne naprężenia 591,4 Pa (piasta) Kółko nr.2 - maksymalna deformacja 2,5*10-10 m (piasta) - maksymalne naprężenia 1431,4 Pa (żebro kółka) W kółku z otworami widać większe deformacje oraz naprężenia. Spowodowane jest to mniejszą powierzchnią przekroju na którą działa siła obciążenia.
3. Analiza przenikalności cieplnej w materiałach rurek ogrzewania podłogowego: 3.1 Wstęp. Przedmiotem badań są materiały popularne do produkcji rurek ogrzewania podłogowego. Najczęściej stosowanym materiałem na rurki ogrzewania podłogowego jest: Polietylen Polipropylen Polibutylen, który ze względu na brak niezbędnych parametrów zamieniono na poliwęglan 3.2 Dane wejściowe. W celu uproszczenia obliczeń materiały zestawiono w postaci płytek. Których szkic wyglądał następująco Rys.1 Szkic polimerowych płytek
Każdej płytce określono warunki początkowe zgodne z ich własnościami: 1. Polietylen(płytka numer 1) Przewodność cieplna: 0,43 [W/(m*K] Gęstość: 950 [kg/m^3] Współczynnik przewodzenia ciepła: 2200 [J/(kg*K)] 2. Polipropylen(płytka numer 2) Przewodność cieplna: 0,22 [W/(m*K)] Gęstość: 910 [kg/m^3] Współczynnik przewodzenia ciepła: 1800 [J/(kg*K] 3. Poliwęglan(płytka numer 3) Przewodność cieplna: 0,2 [W/(m*K)] Gęstość: 1200 [kg/m^3] Współczynnik przewodzenia ciepła: 1200 [J/(kg*K)] Następnie określono warunki brzegowe dla każdej płytki takie same: Ścianka prawa została nagrzana do temperatury 600K Ścianka lewa natomiast miała temperaturę pokojową 300K Po wygenerowaniu siatki składającej się z 3091 elementów przystąpiono do ustawienia parametrów analizy (Solve parameters), w których ustawiono czas nagrzewania płytek od 0s do 1000s. 3.3 Wyniki Wynikiem analizy był taki oto obraz po 1000s nagrzewania: Rys. 2. Po czasie 1000s Z powodu małej różnicy w stopniu nagrzania płytek po czasie 1000s w zakładce Postprocessing- Plot parameters sprawdzono jak temperatura wyglądała po czasie 400s.
Rys.3 Po czasie 400s Jak widać płytka Polietylenowa nagrzewa się najszybciej. By zbliżyć wynik bardziej do rzeczywistego postanowiono zagęścić siatkę i zobaczyć jaki będzie rezultat. Po zagęszczeniu siatki płytki wyglądały następująco składające się z 47 683 elementów Rys.4. Zagęszczenie siatki do 47683 elementów
3.4 Wnioski. Jak widać płytka polietylenowa nagrzewa się najszybciej, w drugiej kolejności chociaż nieznacznie od płytki poliwęglanowej nagrzewa się polipropylen. Dzięki takiemu porównaniu przewodności cieplnych różnych materiałów można dobrać optymalny materiał np. na rurki do podgrzewania podłogowego, który najlepiej sprawdzi się do zadań związanych z rozprowadzeniem ciepła. 4. Analiza wymiany ciepła w tarczach hamulcowych: standardowej (żeliwo sferoidalne) oraz sportowej (materiał ceramiczny z grupy węglików SiC) 4.1 Wstęp Przedmiotem badania są dwa materiały używane do produkcji tarcz hamulcowych w autach osobowych oraz do aut wyczynowych, sportowych. W badaniu spróbujemy porównać jaka jest różnica w czasie chłodzenia tarcz z temperatury 250 C (523K). 4.2 Dane wejściowe Rys. 4.1 Standardowa tarcza W programie użyty został moduł 3D Heat Transfer Convection and Conduction. Wygląd modelu 3D utworzonego w programie Comsol:
Rys. 4.2 Model tarczy 3d Rys. 4.3 Materiał pierwszej tarczy: żeliwo sferoidalne.
Rys. 4.4 Materiał drugiej tarczy: SiC (materiał ceramiczny z grupy węglików) Rys. 4.5 Temperatura początkowa obu tarcz 250 C (523K)
Rys. 4.6 Temperatura otoczenia obu tarcz 20 C (293K) Rys. 4.7 Siatka złożona z 11132 elementów
4.3 Wyniki Rys. 4.6 Dla materiału SiC Rys. 4.7 Dla materiału żeliwo sferoidalne 4.4 Wnioski W wynikach zauważamy znaczną różnicę temperatury maksymalnej jak i rozkładu temperatur po jednakowym czasu stygnięcia. Warto zauważyć, że tarcze podczas wyścigów rozgrzewają się do temperatury czerwonego żaru, czyli grubo ponad 1000 C i w przypadku których czas chłodzenia jest bardzo ważny. Standardowe tarcze hamulcowe mogłyby nie wytrzymać takiej wysokiej temperatury. Ceramika ma jeszcze zalety takie jak waga czy odporność na szoki temperaturowe (nagłe chłodzenie na przykład przez zimną wodę odprowadzoną z kałuży, na którą napotkała opona).