Se det du inte ser med blotta ögat

Innehavaren av en fungerande kristallkula skulle inte ha svårt att bli förmögen.

Publicerad

På samma sätt har användaren av en simuleringsmjukvara en konkurrensfördel då den virtuella prototypen tidigt avslöjar funktionen av en framtida produkt. Företag som använder modellering och simulering tjänar mer pengar och kommer på fler innovativa lösningar. Ett handfast exempel visar hur en simulering gör att det osynliga blir fullt synbart.

I det här exemplet analyseras en vattenfylld handdukstork som värms med en elpatron. För att förstå och för att kunna simulera handukstorken måste fysiken i systemet först beaktas. Elpatronen matas med en ström och de elektriska förlusterna i ledaren värmer upp vattnet. När vattnet värms upp kommer det varma vattnet att stiga och det kalla vattnet sjunka, varvid omrörningen i det slutna systemet fördelar värmen. Detta benämns som naturlig konvektion, fri konvektion eller ibland egenkonvektion och innefattar en beräkning av både flödet av vattnet och dess temperatur. Handdukstorken avger sedan värme mot omgivningen via strålning och konvektion.

Erfarna beräkningsingenjörer gör ofta något som nybörjare lätt missar, nämligen att förenkla problemet utan att förlora alldeles för mycket kvalitet på resultaten. Så innan modellen av handdukstorken sätts upp görs ett antal antaganden. Istället för att simulera elektromagnetisk uppvärmning i elpatronen ansätts en konstant temperatur på dess ytor och istället för att simulera luftflödet i rummet runt handdukstorken ansätts randvillkor som angränsar till luften. Eftersom handukstorken är symmetrisk i planet räcker det med att simulera hälften av geometrin och på så sätt minska beräkningstiden.

Modellen sätts upp med simuleringsmjukvaran COMSOL Multiphysics och Heat Transfer Module som har en skräddarsytt gränssnitt för att simulera naturlig konvektion. COMSOL Multiphysics använder främst finita elementmetoden (FEM) och då behöver följande inställningar göras för att definiera och simulera modellen:

  1. Importera en geometri från en CAD-mjukvara eller rita geometrin med de inbyggda ritverktygen. I det här fallet har geometrin skapats med de inbyggda ritverktygen.
  2. Ange material med hjälp av ett materialbibliotek eller definiera ett eget material.  I modellen har vatten valts från biblioteket och dess egenskaper beror på temperaturen. Detta är nödvändigt för att simulera naturlig konvektion, då rörelsen i vattnet uppkommer på grund av densitetsskillnader. Metallen sätts till stål AISI 4340.
  3. Definiera fysikinställningar och randvillkor. Temperaturen på elpatronen sätts till 80 grader Celsius. Initialtemperaturen och temperaturen i omgivningen sätts till 21 grader Celsius. Alla ränder som angränsar till omvigningen har ett värmeövergångstal av 5 W/(m·K) och för att simulera värmestrålningen från ytorna sätts emissiviteten till 0.1. Godstjockleken sätts till 2 millimeter med hjälp av ett randvillkor för tunna lager.
  4. Skapa ett beräkningsnät (mesh) med de inbyggda verktygen. En mesh krävs för en för analys med finita elementmetoden.
  5. En tidsberoende analys från 0 minuter till 1 timme med utdata var femte minut väljs och sedan löses problemet. COMSOL Multiphysics ger användaren ett förslag på numerisk lösare som passar för just den typen av analys som ska utföras.
  6. Visualisera resultaten med olika typer av plottar och grafer och ta ut data.

I bilden nedan visas resultaten vid olika tidpunkter. Till viss del räcker det med att lägga handen på ytorna föra att känna skillnaderna i temperatur, men det är inte lika uppenbart som i bilderna nedan.

Det som inte kan ses av ögat är vattenflödet inuti handdukstorken, men simuleringen gör även detta fullt synligt! Det är alltså möjligt att med simuleringsverktygens hjälp se det vi inte kan se med blotta ögat och det är naturligtvis en del av dess enorma fördelar.

Hur vet användaren att simuleringen ger rätt resultat mot verkligheten? Mätningar kan hjälpa oss att validera de virtuella modellerna. Att använda temperatursensorer är möjlig lösning och att använda en värmekamera är en annan. En värmekamera har fördelen att den är lättanvänd och kan användas till många applikationsområden för att få fram temperturfördelningen.  FLIR Systems är världsledande på området och med hjälp av deras värmekameramodell T540 utfördes en mätning av temperaturen under 60 minuter. Kameran har många olika inställningar och i detta test valdes att kameran tar en bild var femte minut. Handdukstorken har en blankpolerad yta vilket gör att den reflekterar värmestrålningen och då kan kameran inte läsa av temperaturen. Därför användes maskeringstejp på alla ytor för att kunna mäta temperturen korrekt och det var därför emissiviteten 0.1 ansattes istället för ett något lägre värde som motsvarar en blankpolerad yta.

Nedan är resultaten från mätningarna. Notera att färgskalan inte är samma som i bilderna på simuleringen ovan.

Resultaten av den simulerade handdukstorken och mätningarna stämmer väl överens trots förenklingarna. Naturligtvis är det möjligt att korrigera modellens indata så att den stämmer mot verkligheten. Baserat på lärdomarna från den första simuleringen och mätningen är det enkelt att skapa en ny virtuell modell av nästa design och på så sätt minska antalet prototyper. I slutändan sparar företag pengar på att simulera och de får fram bättre produkter snabbare än konkurrenterna.

Vad finns det då för möjliga designförbättringar i den simulerade handdukstorken? Från resultaten av mätningen och simulering av en stationär analys nedan är det uppenbart att den mittersta delen och den understa delen inte blir lika varma som de övriga delarna. Flödet av vatten går runt i de yttre delarna och det varma vattnet tar den lättaste vägen.

Om de tre mittersta ribborna skulle göras något bredare än övriga så skulle kanske vattnet ha lättare att passera den vägen och en jämnare temperaturfördelning skulle erhållas? Att testa en sådan hypotes tar inte lång tid. Nedan visas tre olika designförslag som har simulerats med samma fysikaliska förutsättningar som användes i den första modellen. Vilken är din favorit?

Det är enkelt och effektivt att skapa virtuella prototyper, se det ingen annan ser och optimera produkten. Simuleringar hjälper helt enkelt ingenjören att skapa banbrytande tekniska innovationer.

Hundratals modeller och exempel kan laddas ner gratis via COMSOLs hemsida. Det enda som behövs är ett COMSOL Access-konto som skapas gratis. För att köra modellen krävs en licens av COMSOL Multiphysics och det är möjligt att erhålla en gratis testversion genom att kontakta COMSOL.

FAKTA

COMSOL levererar simuleringsmjukvara som används inom forskning och utveckling. Kunderna finns inom alla olika typer av företag, forskningslaboratorier och universitet. COMSOL Multiphysics® och COMSOL Server™ är svenskutvecklade mjukvarumiljöer för modellering och simulering av fysikaliska system. En speciell styrka är förmågan att ta hänsyn till kopplade fenomen, vilket kallas multifysik. Tilläggsprodukterna utökar simuleringsplattformen för applikationer inom elektromagnetism, mekanik, strömningsmekanik och kemi. COMSOL Multiphysics® kan länkas mot de vanligaste tekniska beräknings- och CAD-verktygen. COMSOL grundades i Stockholm 1986 och har idag cirka 500 medarbetare på 22 kontor runt om i världen.
 

För mer information: www.comsol.se