Uploaded by bolhaa

UN Cebek Timotej 2022

advertisement
Timotej CEBEK
VALIDACIJA RDT ORODIJ ZA HLAJENJE
BATERIJ
Diplomsko delo
univerzitetnega študijskega programa 1. stopnje
Strojništvo
Maribor, april 2022
VALIDACIJA RDT ORODIJ ZA HLAJENJE
BATERIJ
Diplomsko delo
Študent:
Timotej CEBEK
Študijski program:
univerzitetni študijski program 1. stopnje
Strojništvo
Smer:
Energetsko, procesno in okoljsko strojništvo
Mentor:
doc. dr. Matjaž RAMŠAK
Licenca Creative Commons CC BY-NC-ND 4.0
Maribor, april 2022
ZAHVALA
Zahvaljujem se mentorju doc. dr. Matjažu
Ramšaku za pomoč in vodenje pri izdelavi
diplomskega dela.
Zahvaljujem se tudi svoji družini za
omogočanje študija in podporo.
I
Validacija RDT orodij za hlajenje baterij
Ključne besede:
Validacija, računalniška dinamika tekočin, hlajenje baterij,
temperatura
UDK: 004:532.5(043.2)
Povzetek
V diplomskem delu sem predstavil validacijo numeričnih orodij za računalniško dinamiko
tekočin na primeru hlajenja baterij. Za primerjavo sem uporabil tri programe: SimScale, Ansys
in Solidworks. Najprej sem kratko predstavil teoretično ozadje RDT programov in problematiko
hlajenja baterij. Nato sem za vse programe opisal geometrijo, robne pogoje, mrežo in
nastavitve simulacij ter priložil ustrezne komentarje. Z grafi sem nato prikazal konvergenco
ostankov in ustalitev temperatur. Dobljene rezultate sem primerjal z eksperimentalnimi iz
članka »Analysis of Cooling Effectiveness and Temperature Uniformity in a Battery Pack for
Cylindrical Batteries«. Glavni parameter, ki sem ga spremljal, je temperatura na izbranih
točkah v modelu in je tudi merilo za natančnost simulacije. Pri analizi rezultatov je poudarek
na vplivu gostote računskih mrež na natančnost simulacije, predstavil in primerjal pa sem tudi
izbrane prereze hitrosti in temperatur v modelu. Na koncu sledi še komentar o natančnosti in
ustreznosti uporabljenih programov.
II
Validation of CFD tools for Battery cooling
Keywords:
Validation, computational fluid dynamics, battery cooling,
temperature
UDK: 004:532.5(043.2)
Abstract
The diploma thesis presents validation of numerical tools for computational fluid dynamics on
the example of battery cooling. I used three programs for comparison: SimScale, Ansys and
Solidworks. In the Introduction, I briefly presented theoretical background of CFD tools and
problems of battery cooling. Then I describe geometry, boundary conditions, mesh and
simulation settings, used in all programs. Convergence of residuals and transient temperature
data are shown in graphs. For reference I used experimental results, given in article »Analysis
of Cooling Effectiveness and Temperature Uniformity in a Battery Pack for Cylindrical
Batteries«. Main observed parameter was the temperature on selected locations in the model,
which also determined simulation accuracy. During analysis I primary focused on how mesh
density affects simulation accuracy. In addition I compared air speed and temperature fields
on selected cross sections. Conclusion contains commentary on accuracy and adequacy of used
programs.
III
IV
V
KAZALO VSEBINE
1
UVOD ............................................................................................................... 1
2
RAČUNALNIŠKA DINAMIKA TEKOČIN ................................................................. 2
3
2.1
Teoretično ozadje ....................................................................................... 2
2.2
Razvoj in uporabnost .................................................................................. 2
2.3
Zgradba programa za RDT ........................................................................... 2
HLAJENJE BATERIJ ............................................................................................. 4
3.1
Pomen rabe baterij ..................................................................................... 4
3.2
Problematika hlajenja baterij ...................................................................... 4
4
EKSPERIMENTALNI MODEL................................................................................ 6
5
NUMERIČNI MODEL .......................................................................................... 8
5.1
Geometrija ................................................................................................. 8
5.2
Nastavitve simulacije in robni pogoji ........................................................... 9
5.2.1
Lastnosti tekočine ..................................................................................... 10
5.2.2
Lastnosti trdnin ......................................................................................... 11
5.2.3
Robni pogoji .............................................................................................. 12
5.3
6
7
Mreža ....................................................................................................... 15
5.3.1
SimScale .................................................................................................... 15
5.3.2
Ansys ......................................................................................................... 16
5.3.3
Solidworks................................................................................................. 17
REZULTATI ...................................................................................................... 20
6.1
Konvergenca ............................................................................................. 20
6.2
Vpliv mreže na rezultate temperatur baterij .............................................. 23
6.3
Hitrostna polja .......................................................................................... 27
6.4
Temperaturno polje .................................................................................. 29
SKLEP .............................................................................................................. 31
VI
8
LITERATURA .................................................................................................... 33
VII
KAZALO SLIK
Slika 4.1: Shema eksperimenta [1] ............................................................................................. 6
Slika 4.2: Postavitev termočlenov L1 in L2, pogled prečno na zračni tok [1] ............................. 7
Slika 5.1: Dimenzije modela (a) in konfiguracija baterijskih celic (b) [1] .................................... 8
Slika 5.2: 3D model [2] ................................................................................................................ 9
Slika 5.3: Shema robnih pogojev [2] ......................................................................................... 13
Slika 5.4: Robni pogoji - prva slika ............................................................................................ 14
Slika 5.5: Robni pogoji - druga slika .......................................................................................... 14
Slika 5.6: Mreža 2 v programu SimScale ................................................................................... 16
Slika 5.7: Mreža 2 v programu Ansys ........................................................................................ 16
Slika 5.8: Mreža 2 v prerezu ..................................................................................................... 17
Slika 5.9: Območje zgostitve mreže.......................................................................................... 18
Slika 5.10: Mreža SW2 v prerezu .............................................................................................. 18
Slika 5.11: Stopnje zgostitve mreže SW2 na izbranem prerezu ............................................... 19
Slika 6.1: Graf konvergence simulacije S2 ................................................................................ 20
Slika 6.2: Graf konvergence temperature pri simulaciji S2 ...................................................... 21
Slika 6.3: Graf konvergence simulacije A2 ................................................................................ 21
Slika 6.4: Graf temperatur pri simulaciji A2.............................................................................. 22
Slika 6.5: Graf konvergence simulacije SW2............................................................................. 22
Slika 6.6: Graf ustalitve temperatur pri simulaciji SW2 ............................................................ 22
Slika 6.7: Lokacije merilnih točk in izhodišče koordinatnega sistema ...................................... 23
Slika 6.8: Temperatura v odvisnosti od števila elementov; L1-celica3..................................... 24
Slika 6.9: Temperatura v odvisnosti od števila elementov; L1-celica19 .................................. 25
Slika 6.10: Temperatura v odvisnosti od števila elementov; L1-celica31 ................................ 25
Slika 6.11: Hitrostno polje pri simulaciji S2 .............................................................................. 27
Slika 6.12: Izolinije turbulentne kinetične energije pri simulaciji S2 ........................................ 28
Slika 6.13: Hitrostno polje pri simulaciji A2 .............................................................................. 28
Slika 6.14: Izolinije turbulentne kinetične energije pri simulaciji A2 ....................................... 28
Slika 6.15: Hitrostno polje pri simulaciji SW2 ........................................................................... 29
Slika 6.16: Izolinije turbulentne kinetične energije pri simulaciji SW2 .................................... 29
Slika 6.17: Temperaturno polje S2 ........................................................................................... 30
VIII
KAZALO PREGLEDNIC
Preglednica 5.1: Lastnosti tekočine: ......................................................................................... 11
Preglednica 5.2: Toplotne lastnosti aluminija [2] ..................................................................... 11
Preglednica 5.3: Toplotne lastnosti lesa [2] ............................................................................. 12
Preglednica 5.4: Robni pogoji ................................................................................................... 13
Preglednica 5.5: Parametri mrež .............................................................................................. 19
Preglednica 6.1: Koordinate merilnih točk ............................................................................... 23
Preglednica 6.2: Vrednosti temperatur pri različnih mrežah in odstopanja rezultatov .......... 24
IX
1
UVOD
Računalniška dinamika tekočin (RDT) je z mnogimi razpoložljivimi programi vse bolj dostopna
za reševanje realnih inženirskih problemov. Pri izvedbi simulacij pa moramo vedno dobljene
rezultate ovrednotiti, saj je njihova natančnost pogosto vprašljiva. Pri primeru validacije
dobljene rezultate simulacij primerjamo z referenčnimi podatki, pridobljenimi s
eksperimentalnimi ali analitičnimi metodami.
V svojem diplomskem delu sem izvedel validacijo numerične analize hlajenja baterij v treh
programskih okoljih in sicer; SimScale, Ansys CFX in Solidworks Flow Simulation. V omenjenih
programih sem medsebojno primerjal rezultate glede na natančnost, robustnost in
ekonomičnost.
Pri izvedbi računalniških simulacij sem se soočil tudi z določenimi omejitvami, ki so vezane
predvsem na licence in strojno opremo. Študentske licence v praktično vseh primerih ne
omogočajo polne rabe programov, saj nam omejijo ali onemogočijo rabo določenih funkcij. Te
omejitve se predvsem odražajo pri številu elementov v računskih mrežah. Drugo omejitev pa
predstavlja zmogljivost strojne opreme, ki nam lahko prepreči ali preveč podaljša izvedbo zelo
kompleksnih simulacij. Pri mojem primeru je največjo prepreko predstavljala omejitev mreže
v Ansys-u, vendar je primer dovolj enostaven, da so rezultati kljub omejitvam dovolj natančni.
Za referenco sem vzel rezultate, pridobljene z eksperimentalnim delom [1] in simulacijo v
programskem okolju SimScale [2]. Pri izvedbi diplomskega dela sem se osredotočil predvsem
na primerjavo parametrov kot so temperatura na izbranih točkah v modelu, hitrostna in
temperaturna polja ter občutljivost mreže. Dobljene rezultate v različnih programih sem nato
primerjal in ovrednotil njihove rešitve.
1
2
RAČUNALNIŠKA DINAMIKA TEKOČIN
2.1 Teoretično ozadje
Računalniška dinamika tekočin (RDT) je pomembno področje v svetu inženirstva, saj nam
omogoča reševanje zahtevnih inženirskih problemov toka tekočin in prenosnih pojavov. RDT
temelji na sistemu ohranitvenih zakonov mase, gibalne količine, toplote in snovi v diferencialni
obliki. Najbolj pogosta in uporabna oblika zapisa ohranitvenih zakonov so Navier-Stokesove
enačbe, ki jih uporabljamo za opis laminarnega in turbulentnega toka, stisljivih ali nestisljivih
tekočin ter newtonskih in nenewtonskih tekočin. Navier-Stokesove enačbe se številčno
rešujejo z algoritmi na osnovi aproksimativnih metod, kot je na primer metoda končnih
elementov [3].
2.2 Razvoj in uporabnost
Hiter razvoj računalniških sistemov nam omogoča vedno bolj zahtevne simulacije, ki jih lahko
izvedemo v vse krajšem času. RDT postaja v zadnjem času nepogrešljiv pripomoček pri
izvajanju eksperimentalnih metod. Ključnega pomena pa postaja tudi vizualizacija dobljenih
rezultatov simulacij, ki jih predstavimo v obliki interaktivne prostorske računalniške grafike [3].
2.3 Zgradba programa za RDT
RDT program praviloma sestoji iz treh delov: predprocesor, solver in postprocesor [4].
V predprocesor vnesemo podatke o izbranem primeru toka, ta pa vneseno pretvori v obliko
primerno za solver. Uporabnik mora v tej fazi definirati geometrijsko domeno izbranega
objekta, izdelati računsko mrežo in definirati morebitne reakcije znotraj modela. Pri tem
koraku je potrebno tudi določiti lastnosti tekočine in definirati robne pogoje. Ta faza reševanja
je običajno najzamudnejša, saj mora uporabnik konfigurirati veliko različnih parametrov, ki so
ključni za pravilno reševanje problema [4].
2
Večina solverjev komercialnih programov za RDT temelji na metodi končnih volumnov. V
grobem je numerični algoritem sestavljen iz naslednjih korakov: integracija tokovnih enačb po
vseh volumnih v domeni, diskretizacija oziroma pretvorba integralnih enačb v sistem
algebrskih in iteracijsko reševanje algebrskih enačb [4].
Programerji RDT programov se v zadnjem obdobju veliko posvečajo razvoju post-procesorjev,
ki nam omogočajo vizualizacijo dobljenih rešitev. V tem koraku lahko raznolike podatke
predstavimo s pomočjo vektorjev, mrež, grafov, tokovnic itd. Med novejše oblike prikaza
sodijo tudi animacije, s katerimi lahko na primer prikažemo gibanje delcev po izbrani domeni
[4].
3
3
HLAJENJE BATERIJ
3.1 Pomen rabe baterij
V sodobnem svetu vse več pozornosti posvečamo problematiki klimatskih sprememb, zato vse
več držav uvaja različne metode za doseganje trajnostnega razvoja. Transportna industrija
prispeva največji delež toplogrednih plinov v atmosfero in posledično največ doprinese k
globalnemu segrevanju [5]. Vse več proizvajalcev avtomobilov uvaja hibridne in električne
pogone vozil, ki se smatrajo za obnovljive in okolju prijazne. Zaradi tega se v zadnjem obdobju
proizvede in proda vse več hibridnih ali popolnoma električnih vozil, njihov delež pa se bo v
prihodnosti še povečeval. Po rezultatih določenih študij bi lahko uporaba hibridnih in
popolnoma električnih vozil zmanjšala emisije toplogrednih plinov za 20 % in celo za 40 %, če
je elektrika za njihov pogon pridobljena iz obnovljivih virov [1]. Vsa hibridna in električna vozila
pa za svoje delovanje seveda potrebujejo baterije, ki shranjujejo električno energijo.
3.2 Problematika hlajenja baterij
Poznamo več uveljavljenih tipov baterij, kot so na primer NiMH, Li-Ion in LiPo baterije. Od
omenjenih so se najbolj uveljavile Li-Ion predvsem zaradi njihove visoke kapacitivnosti, dolge
življenjske dobe in izkoristka. Li-Ion baterije so najbolj učinkovite znotraj določenega
temperaturnega območja, ki se za večino baterij giblje nekje med 0 °C in 40 °C. Slaba zasnova
baterijskega sklopa lahko rezultira v akumulaciji toplote, ki lahko povzroči pregrevanje baterij.
To je potencialna nevarnost, saj lahko baterije v ekstremnih pogojih tudi eksplodirajo. Poleg
tega lahko delovanje baterij izven optimalnega območja zmanjšuje izkoristek le-teh in
posledično skrajšuje njihovo življenjsko dobo [1].
Pomemben dejavnik je tudi porazdelitev temperature v baterijskem sklopu, ki mora biti
karseda enakomerna, saj le ta vpliva na moč polnjenja in praznjenja baterij. Če se temperatura
na določenih mestih v sklopu močno razlikuje lahko to povzroči medsebojne razlike v
polnjenju/praznjenju baterij, kar pa ima za posledico električno neravnovesje baterijskih celic,
ki zmanjšuje njihov izkoristek. Temperaturna variacija od približno 10 do 15 °C lahko privede
do degradacije baterijskega sklopa v približnem obsegu od 30 % do 50 % [1].
4
V eksperimentalnem modelu, ki je naveden v članku [1] so poskušali znižati maksimalno
temperaturo in doseči uniformnost temperatur v baterijskem sklopu. Preizkusili so različne
konfiguracije z namenom doseganja učinkovitega hlajenja in zagotavljanja enakomerne
razporeditve temperatur v sklopu brez potrebe po dodatni električni energiji. Cilj je bil
zmanjšati medsebojne razlike temperatur pod 5 °C [1].
5
4
EKSPERIMENTALNI MODEL
Za referenco bom uporabil rezultate eksperimentalnega dela, ki so navedeni v članku
»Analysis of Cooling Effectiveness and Temperature Uniformity in a Battery Pack for Cylindrical
Batteries«, katerega avtorja sta S. Shadid in M. Agelin-Chaab. Ohišje modela je izdelano iz lesa,
na zgornji strani pa iz akrilnih plošč zaradi lažjega prikaza. Uporabili so 32 baterij tipa Li-Ion
18650 (Samsung INR18650-25R). Za merjenje temperature so uporabili dva termočlena tipa T
s premerom 0,51 mm. Za premikanje zraka po modelu so uporabili aksialni ventilator s
premerom 203,2 mm in močjo 42 W, gnan iz napajalnika iPower. Za praznjenje in polnjenje
baterij so uporabili polnilec/praznilec Turnigy reaktor QuadKore (4 × 300 W 20 A). Za
pretvorbo podatkov so uporabili NI DAQ modul, zbrane podatke pa so obdelali v programu
LabView. S pomočjo anemometra pa so izmerili hitrost vetra na vstopu v ohišje [1].
Slika 4.1: Shema eksperimenta [1]
6
Slika 4.2: Postavitev termočlenov L1 in L2, pogled prečno na zračni tok [1]
7
5
NUMERIČNI MODEL
Simulacije v programih Ansys in Solidworks sem izvajal na svojem namiznem računalniku s
procesorjem i5-9600k 3,70 GHz, grafično kartico Nvidia GeForce GTX 1660 ti, na voljo pa sem
imel 16 GB pomnilnika. Te specifikacije predvsem vplivajo na čas izvedbe simulacij in določajo
kako kompleksen problem lahko rešujemo. V programu SimScale računalniške specifikacije
nimajo večjega pomena, saj simulacije potekajo na njihovih računalnikih. To je seveda velika
prednost programa SimScale, saj za izvedbo simulacij ne potrebujemo visoko zmogljivega
računalnika. V programih Ansys in Solidworks pa se solver izvaja preko procesorja.
5.1 Geometrija
Za simulacije sem uporabil geometrijski model, pridobljen iz spletnega vira [2]. Gre za model
v merilu 1:1 izdelan na podlagi slik in mer iz referenčnega članka [1]. Sestoji iz skupno 32 baterij
v konfiguraciji 8×4 [2]. Na sliki 5.1 so prikazane dimenzije modela in konfiguracija celic v sklopu.
Slika 5.1: Dimenzije modela (a) in konfiguracija baterijskih celic (b) [1]
8
Ohišje modela je izdelano iz lesa, material baterijskih celic pa je bil pridobljen s pomočjo
študije občutljivosti materiala. Omenjena študija je bila izvedena zato, ker je za realen material
baterijskih celic težje pridobiti zanesljive in natančne podatke o toplotnih lastnostih. Preizkusili
so 3 različne materiale: svinec, aluminij in baker. Ti materiali se razlikujejo predvsem po
toplotni prevodnosti, kar ima vpliv na izračun končnih temperatur celic. Po izvedeni primerjavi
se je aluminij izkazal za najboljši približek, zato sem ga tudi jaz uporabil kot material za
simulacijo [2]. Na sliki 5.2 je prikazan 3D model baterijskega sklopa.
Slika 5.2: 3D model [2]
5.2 Nastavitve simulacije in robni pogoji
V vseh treh programih sem uporabil stacionarni tip simulacije, kar pomeni da so le-te
neodvisne od časa. Simulacije sem pustil teči dovolj dolgo, da so ostanki zadostno konvergirali
pod zaželene vrednosti. Prav tako sem spremljal ustalitev temperatur na izbranih merilnih
mestih. Upošteval sem tudi vpliv gravitacije.
9
5.2.1 Lastnosti tekočine
Tekočina, ki se giblje skozi notranjost modela, je zrak. Definiran je kot stisljiv plin z začetno
temperaturo 23 °C. Za izvedbo simulacij sem uporabil že obstoječe podatke za zrak, ki se
nahajajo v vsakem izmed uporabljenih programov. Kot začetni tlak v modelu sem vzel vrednost
101325 Pa, kar je enako atmosferskemu tlaku oziroma tlaku okolice.
V programih SimScale in Ansys CFX sem uporabil turbulentni model k-ω SST. Po navedbah
spletnega vira [6] gre za najpogosteje uporabljen model predvsem zaradi dobrega razmerja
med natančnostjo in računsko zahtevnostjo. Kinetična energija turbulence k je kinetična
energija na enoto mase izražena v enotah J/kg oziroma m2/s2 [7]. Specifična disipacija
turbulence ω nam pove kako hitro se kinetična energija turbulence pretvarja v notranjo
energijo na enoto volumna in časa. Enota je 1/s [8]. Kinetično energijo turbulence sem v vseh
programih definiral kot vrednost 0,00375 m2/s2. Specifično disipacijo turbulence ω pa sem vzel
vrednost 3,375 1/s.
V programu Solidworks Flow Simulation pa turbulentni model k-ω SST ni na voljo, zato sem
uporabil k-ϵ model. Omenjen model je primeren za simulacijo turbulentnih tokov z majhnimi
gradienti tlaka, vendar ni najbolj ustrezen za tokove z večjimi gradienti tlaka, večjimi
separacijami toka in kompleksne tokove z veliko ukrivljenimi elementi. Disipacija turbulence ϵ
nam pove intenzivnost disipacije kinetične energije turbulence, izražena z enotami m2/s3 [9].
Pretvorbo specifične disipacije turbulence ω v disipacijo turbulence ϵ sem izračunal po enačbi
(5.1) [8].
𝜖
𝜔 = 𝑘∗𝛽∗
(5.1)
Če obrnemo enačbo (5.1), lahko izračunamo disipacijo turbulence ϵ po enačbi (5.2),
𝜀 = 𝜔 ∗ 𝑘 ∗ 𝛽∗
(5.2)
kjer je 𝛽 ∗ brezdimenzijska konstanta modela, najpogosteje enaka vrednosti 0,09 [8].
10
Lastnosti tekočine (zraka) so prikazane v preglednici 5.1.
Preglednica 5.1: Lastnosti tekočine:
Tekočina
Zrak
Program
SimScale,
Začetni tlak
Dinamična
Specifična
[Pa]
viskoznost
toplota
[Pa s]
J/(kg×K)
1,83*10-5
1004
101325
Ansys,
Solidworks
5.2.2 Lastnosti trdnin
Ohišje modela je izdelano iz lesa, material za baterije pa je bil pridobljen iz študije občutljivosti
materiala. Kot najboljši približek realnemu materialu se je izkazal aluminij s toplotnimi
lastnostmi, ki so prikazane v preglednici 5.2 [2]. V vsakem programu sem predpisal aluminij za
volumen baterij. Pri programu Ansys sem uporabil kar njihove lastnosti materialov, saj so se
te le minimalno razlikovale od lastnosti, navedenih v spletnem viru [2]. V programu Solidworks
pa sem ustvaril uporabniški material, pri tem pa uporabil toplotne lastnosti aluminija iz
programa SimScale. Začetna temperatura je enaka temperaturi okolice, in sicer 23 °C.
Toplotne lastnosti aluminija so prikazane v preglednici 5.2.
Preglednica 5.2: Toplotne lastnosti aluminija [2]
Material
Program
Toplotna
Specifična
Gostota
prevodnost
toplota
[kg/m3]
[W/mK]
[J/kgK]
Aluminij
SimScale
235
897
2700
Aluminij
Ansys
237
903
2702
Aluminij
Solidworks
235
897
2700
11
Material kot je les pa se lahko v svojih lastnostih močno razlikuje glede na primer, zato sem v
vseh treh programih kreiral material z enotnimi lastnostmi. To sem storil predvsem zato, da
razlike v toplotnih lastnostih ne bi preveč vplivale na rezultat simulacije. Začetna temperatura
materiala znaša 23 °C. Toplotne lastnosti lesa so prikazane v preglednici 5.3, pridobljene pa so
iz spletnega vira [2].
Preglednica 5.3: Toplotne lastnosti lesa [2]
Material
Les
Program
SimScale,
Toplotna
Specifična
Gostota
prevodnost
toplota
[kg/m3]
[W/mK]
[J/kgK]
0,16
1260
500
Ansys,
Solidworks
5.2.3 Robni pogoji
V ohišje vstopa zrak s hitrostjo 3,45 m/s in temperaturo 23 °C [2]. V članku [1] je navedeno, da
je tok na vstopu turbulenten. Na izstopni površini »outlet« sem definiral absolutni tlak 101325
Pa oziroma relativni tlak 0 Pa. Po volumnu baterij je definiran volumetrični vir toplotne
energije, ki znaša 2,75 W na baterijsko celico [1]. Na stenah je predpisan robni pogoj trdne
stene brez zdrsa [1]. Na takšni steni tekočina glede na steno relativno miruje, kar pomeni da
je hitrost tekočine na steni enaka 0. To velja seveda v primeru če tudi stena miruje [3]. Na sliki
5.3 je prikazana shema robnih pogojev v izbranem modelu.
12
Slika 5.3: Shema robnih pogojev [2]
V preglednici 5.4 so predstavljeni robni pogoji v Ansys-u s pripadajočimi vrednostmi.
Prikazani so na slikah 5.4 in 5.5.
Preglednica 5.4: Robni pogoji
Naziv
Vrsta robnega pogoja
Vrednost
Baterije
Absolute power source
2.75 W na celico
Ohisje
No-slip wall
Hitrost na steni: 𝑣 = 0
Inlet
Inlet
Hitrost: 𝑣 = 3.45
Outlet
Outlet
Relativni tlak 0 Pa
13
𝑚
𝑠
Slika 5.4: Robni pogoji - prva slika
Slika 5.5: Robni pogoji - druga slika
14
5.3 Mreža
Z uporabo aproksimativnih metod pretvorimo diferencialne enačbe v algebrske, saj jih tako
lahko rešujemo z računalniškimi programi. Algebrske enačbe se vzpostavijo na nivoju
diskretnih točk (metoda končnih razlik) ali na nivoju majhnih elementov (preostale
aproksimativne metode). Računska mreža je torej zbirka vseh mrežnih točk in elementov, s
katerimi opišemo računsko območje. V algebrskem sistemu enačb so zajeta vsa vozlišča
računske mreže [3].
V vsakem programu sem izdelal 3 mreže, ki se med seboj razlikujejo po številu elementov in
vozlišč. To sem storil zato, ker sem želel ugotoviti kako gostota računske mreže vpliva na
končne rezultate simulacije. Vizualno bom prikazal po eno mrežo na vsak program, saj se te
medsebojno razlikujejo le po velikosti elementov in stopnji zgostitev na izbranih mestih.
5.3.1 SimScale
V programu SimScale sem uporabil standardni algoritem za izdelavo mrež. Ta algoritem
ustvarja računske mreže po metodi končnih volumnov, ki vsebujejo heksaedre ali tetraedre
[10]. Za kontrolo gostote mreže sem uporabljal predvsem funkcijo avtomatskega
dimenzioniranja. Poskusil sem tudi z uporabo funkcij »region refinement« in »inflate boundary
layer«, vendar je v tem primeru število elementov preveč naraslo in s tem posledično tudi
računski čas, ki je presegal dovoljenega. Zato te funkcije v tem programu nisem uporabil. V
tem programu so bile mreže najgostejše, zato pričakujem da bodo tudi rezultati najbolj točni
in da bo gostota mreže manj vplivala na končne temperature. Slika 5.6 prikazuje mrežo,
izdelano v programu SimScale.
15
Slika 5.6: Mreža 2 v programu SimScale
5.3.2 Ansys
V programu Ansys je bila najbolj problematična omejitev števila elementov oziroma vozlišč,
saj sem uporabljal študentsko verzijo programa. Omejitev znaša 512000 vozlišč, kar pomeni,
da ni možno izdelati zelo goste mreže. Zaradi tega sklepam, da bodo odstopanja tukaj nekoliko
večja kot v programu SimScale, ki mi dopušča izdelavo precej gostejših mrež. Uporabil sem
CFD model mreže, gostoto mreže pa sem kontroliral predvsem s funkcijama »growth rate« in
»inflation layer«. Zgostitev mreže oziroma funkcijo »refinement« sem predpisal na vstopnih
in izstopnih površinah ter na površini baterij. Na sliki 5.7 je prikazana mreža srednje gostote v
programu Ansys, kjer se vidijo zgostitve mreže na območjih vstopa in izstopa zraka v model.
Slika 5.7: Mreža 2 v programu Ansys
16
Na sliki 5.8 vidimo, da je program zgostil mrežo na pomembnih območjih, kjer spremljamo
rezultate.
Slika 5.8: Mreža 2 v prerezu
5.3.3 Solidworks
Program Solidworks Flow Simulation se v marsikaterem pogledu razlikuje od preostalih dveh,
to vidimo tudi v obliki elementov računske mreže. Omenjen program izdela strukturirano
mrežo iz elementov v obliki kock ali kvadrov in ne iz heksaedrov kot to počneta programa
Ansys in SimScale. V računalniški dinamiki tekočin običajno uporabljamo mreže iz heksaedrov
in tetraedrov, zato sklepam, da bi lahko takšna oblika elementov nekoliko vplivala na rezultate
simulacije. Tudi v Solidworksu sem uporabljal avtomatsko dimenzioniranje mreže, kjer sem pri
vseh treh mrežah uporabil najgostejšo opcijo. Gostoto mreže sem določal s stopnjo zgostitve
elementov na izbranem območju, prikazanem na sliki 5.9. Pri tem sem uporabil funkcijo »local
mesh«. Študentska licenca Solidworksa sicer nima omejitve števila elementov mreže, vendar
pa sem tukaj bil omejen predvsem z računalniškimi kapacitetami svojega računalnika.
17
Slika 5.9: Območje zgostitve mreže
V programu Solidworks žal nisem uspel najti funkcije, ki bi prikazala 3D mrežo kot to lahko
naredita preostala dva programa. Zato sem se odločil za prerez mreže, kjer se vidijo zgostitve
mreže na določenih mestih. Na sliki 5.10 je viden stranski prerez mreže v Solidworksu po
sredini modela.
Slika 5.10: Mreža SW2 v prerezu
Ob analizi mreže sem zasledil tudi zanimivo funkcijo, ki nam prikaže stopnjo zgostitve mreže
na izbranem prerezu. V skladu s predpisano zgostitvijo na območju baterij lahko zasledimo
tamkajšnjo povečano stopnjo zgostitve elementov. Na sliki 5.11 so prikazane stopnje zgostitve
mreže na izbranem prerezu.
18
Slika 5.11: Stopnje zgostitve mreže SW2 na izbranem prerezu
V preglednici 5.5 so prikazani parametri izdelanih mrež v vseh uporabljenih programih. Za lažjo
razlago bom v nadaljevanju uporabljal okrajšave za naziv mrež oziroma simulacij.
Preglednica 5.5: Parametri mrež
Program
Naziv mreže
Število elementov v
Število vozlišč v
milijonih
milijonih
SimScale
S1
2,294M
0,508M
SimScale
S2
2,762M
0,718M
SimScale
S3
3,654M
0,922M
Ansys
A1
0,979M
0,227M
Ansys
A2
1,455M
0,317M
Ansys
A3
2,044M
0,439M
Solidworks
SW1
1,200M
0,234M
Solidworks
SW2
2,740M
0,585M
Solidworks
SW3
4,403M
0,974M
19
6
REZULTATI
6.1 Konvergenca
Pri ovrednotenju rezultatov je pomembno, da spremljamo konvergenco simulacije. Z manjšimi
razlikami med samimi iteracijami dobimo točnejše rezultate vodilnih enačb. Če nam rešitev ne
konvergira do zelo nizkih vrednosti je smiselno opazovati le za nas pomembne količine [11].
Pri mojem primeru sem poleg konvergence spremljal še ustalitev temperature na izbranih
točkah, ki so hkrati tudi merilne točke. Vse simulacije sem pustil teči dovolj dolgo, da sta se
ustalili konvergenca in temperature na merilnih točkah. Z izbiro merilne točke sem lahko že
sproti spremljal ustreznost rešitve simulacije, s čimer sem prihranil na času. Na sliki 6.1 je
prikazan graf konvergence simulacije S2, na sliki 6.2 pa graf gibanja temperature. Na slikah 6.3
in 6.4 sta prikazana grafa konvergenc ostankov in vrednost temperature pri simulaciji A2. Na
slikah 6.5 in 6.6 sta prikazana graf konvergence in ustalitev temperatur na merilnih točkah pri
simulaciji SW2.
Slika 6.1: Graf konvergence simulacije S2
20
Slika 6.2: Graf konvergence temperature pri simulaciji S2
Slika 6.3: Graf konvergence simulacije A2
21
Slika 6.4: Graf temperatur pri simulaciji A2
Slika 6.5: Graf konvergence simulacije SW2
Slika 6.6: Graf ustalitve temperatur pri simulaciji SW2
22
6.2 Vpliv mreže na rezultate temperatur baterij
Avtorji so v članku »Analysis of Cooling Effectiveness and Temperature Uniformity in a Battery
Pack for Cylindrical Batteries« [1] preučevali temperature pri hlajenju baterijskega sklopa. S
termočleni so izmerili temperature na različnih lokacijah in spremljali njihovo porazdelitev po
modelu. Izmerjene temperature so prikazane tudi v spletnem viru [2], katere sem uporabil za
primerjavo s svojimi rezultati simulacij. Lokacije merilnih točk so prikazane v članku [1], njihove
natančne koordinate pa sem poiskal s funkcijo »measure« v programu Solidworks. V
programih Ansys in Solidworks sem za odčitavanje temperatur termočlenov uporabil njihove
post-procesorje, za program SimScale pa sem uporabil post-procesor ParaView. Koordinate
merilnih točk so prikazane v preglednici 6.1. Iz slike 6.7 lahko razberemo lokacije merilnih točk
in postavitev koordinatnega sistema. V preglednici 6.2 so prikazani rezultati simulacij pri danih
mrežah in odstopanja od eksperimentalno pridobljenih podatkov [2]. Na slikah 6.8, 6.9 in 6.10
so prikazani grafi odvisnosti temperature od števila elementov mreže.
Preglednica 6.1: Koordinate merilnih točk
Merilna točka
x [mm]
y [mm]
z [mm]
L1-celica3
110
36
52
L1-celica19
110
-12
52
L1-celica31
206
-36
52
Slika 6.7: Lokacije merilnih točk in izhodišče koordinatnega sistema
23
Preglednica 6.2: Vrednosti temperatur pri različnih mrežah in odstopanja rezultatov
Mreža
L1-celica3
Čas
L1-celica19
L1-celica31
simulacije[min] Vrednost Napaka Vrednost Napaka Vrednost Napaka
Meritve [°C]
/
29,42
0,0%
29,01
0,0%
30,99
0,0%
S1
279
30,68
4,28%
30,16
3,96%
30,2
-2,55%
S2
386
29,43
0,03%
30,36
4,65%
29,36
-5,26%
S3
503
29,02
-1,36%
29,01
0,00%
29,03
-6,32%
A1
38
27,57
-6,29%
29,04
0,10%
28,66
-7,52%
A2
74
27,9
-5,17%
29,93
3,17%
28,53
-7,94%
A3
115
27,89
-5,20%
29,52
1,76%
28,46
-8,16%
SW1
30
35,28
19,92%
34,73
19,72%
32,18
3,84%
SW2
51
34,84
18,42%
34,63
19,37%
32,21
3,94%
SW3
83
34,49
17,23%
33,95
17,03%
31,75
2,45%
Temperatura [°C]
Graf odvisnosti temperature od števila elementov pri
točki L1-celica3
36
35
34
33
32
31
30
29
28
27
26
1,00E+05
1,00E+06
1,00E+07
Število elementov mreže
SimScale
Ansys
Solidworks
Eksperiment
Slika 6.8: Temperatura v odvisnosti od števila elementov; L1-celica3
24
Temperatura [°C]
Graf odvisnosti temperature od števila elementov pri
točki L1-celica19
36
35
34
33
32
31
30
29
28
27
26
1,00E+05
1,00E+06
1,00E+07
Število elementov mreže
SimScale
Ansys
Solidworks
Eksperiment
Slika 6.9: Temperatura v odvisnosti od števila elementov; L1-celica19
Temperatura [°C]
Graf odvisnosti temperature od števila elementov pri
točki L1-celica31
36
35
34
33
32
31
30
29
28
27
26
1,00E+05
1,00E+06
1,00E+07
Število elementov mreže
SimScale
Ansys
Solidworks
Eksperiment
Slika 6.10: Temperatura v odvisnosti od števila elementov; L1-celica31
25
Iz preglednice 6.2 lahko razberemo, da se natančnost v splošnem povečuje sorazmerno z
gostoto mreže, najbolj je to razvidno pri simulacijah v programu Solidworks. Tudi pri časih
trajanja simulacij lahko razberemo podoben trend naraščanja z gostoto mreže. Pri mojem
primeru je program SimScale prinesel najboljše rezultate, kar sem tudi pričakoval, saj mi je
omogočal izdelavo najgostejših heksagonalnih mrež. Tudi program Ansys je prinesel dokaj
natančne rezultate, ki bi jih lahko morda še izboljšal s povečevanjem gostote mreže. Pri
programu Solidworks pa sem pričakoval vseeno nekoliko natančnejše rezultate, predvsem pri
celicah št. 3 in 19.
Če pogledamo natančnejšo analizo temperatur v posameznih programih lahko opazimo, da je
v programu SimScale skupni prispevek napak najmanjši pri najgostejši mreži, kar se sklada s
teorijo. Pri merilni točki na celici 31 pa lahko opazimo, da se napaka s povečevanjem gostote
mreže povečuje, vendar je program zagotovil zelo točne rezultate pri vseh mrežah. Zato lahko
zaključim s sklepom, da gostota mreže ni imela bistvenega vpliva na natančnost rezultatov
simulacij v tem programu. Vpliv gostote mreže bi morda bil izrazitejši, če bi poskusil s precej
redkejšo prvo mrežo (npr. pod 106 elementov). Pri programu Ansys pa sem se v nasprotju s
pričakovanji eksperimentu najbolj približal s prvo mrežo, ki je najredkejša. Sklepam, da je šlo
za naključje, kjer so se napake medsebojno delno izničile. Program je pri vseh mrežah močno
zgostil pomembno območje okrog baterij, kar bi lahko pomenilo, da je bilo območje baterij že
dovolj zgoščeno pri prvi mreži. Kljub nasprotovanju s teorijo pa so odstopanja med mrežami
relativno majhna, saj se računske napake medsebojno razlikujejo za največ 2 % do 3 %. Tudi
pri programu Ansys lahko rečem, da pri mojem primeru gostota mreže ni pomembno vplivala
na natančnost simulacije. Mreže v programu Solidworks pa so mi v vseh merilnih točkah
prinesle izboljšavo rezultatov z zgoščevanjem, vendar pa v splošnem le ti niso bili tako natančni
kot pri preostalih dveh programih. Izjema je merilna točka na celici 31, kjer so rezultati bili
boljši od konkurenčnih programov. Slabši rezultati na celicah št. 3 in 19 bi lahko bili posledica
nestabilnosti rezultatov temperatur, kar je razvidno tudi na sliki 6.6. Za program Solidworks
lahko trdim, da je gostota mreže v manjši meri vplivala na natančnost simulacije. Opazimo
lahko splošen trend povečevanja natančnosti z gostoto mreže, vendar pa tudi tukaj ni večjih
procentualnih razlik med mrežami.
26
6.3 Hitrostna polja
Hitrostna polja so prikazana na slikah 6.11, 6.13 in 6.15 in so si med seboj zelo podobna ter
primerljiva s polji v članku [1]. Povsod lahko vidimo povečanje hitrosti med steno ohišja in
zadnjo vrsto baterij ter območja z zmanjšano hitrostjo med baterijskimi celicami na sredini.
Vsi uporabljeni programi so na izbranem prerezu dobro ocenili porazdelitev hitrosti po
modelu. Obravnavana ravnina se nahaja na isti višini kot merilne točke.
Izolinije turbulentne kinetične energije lahko vidimo na slikah 6.12, 6.14 in 6.16. Pri
prikazovanju turbulence se je glede na referenčni primer v članku [1] najbolje odrezal program
SimScale, ki je najbližje repliciral območje povečane energije turbulence, nahajajoče se v bližini
izstopa zraka iz modela. Tudi pri simulaciji A2 lahko opazimo območje povečane turbulence
na enakem območju, vendar je manjšega obsega. Program Solidworks je pri simulaciji SW2
prinesel popolnoma drugačne rezultate turbulence, saj je tam območje visoke energije
turbulence čez praktično celotno območje baterij in bližine izstopa zraka iz modela. Do tega je
morda prišlo zaradi uporabe drugačnega turbulentnega modela pri izvedbi simulacij (k-ϵ
model) in drugačnega definiranja turbulentnih razmer na vstopu zraka v model.
Slika 6.11: Hitrostno polje pri simulaciji S2
27
Slika 6.12: Izolinije turbulentne kinetične energije pri simulaciji S2
Slika 6.13: Hitrostno polje pri simulaciji A2
Slika 6.14: Izolinije turbulentne kinetične energije pri simulaciji A2
28
Slika 6.15: Hitrostno polje pri simulaciji SW2
Slika 6.16: Izolinije turbulentne kinetične energije pri simulaciji SW2
6.4 Temperaturno polje
Kot zanimivost prilagam tudi porazdelitev temperature na izbranem prerezu in opažam da je
podobna tisti v viru [1]. Ker ne gre za zelo intenziven vir toplote in relativno veliko vstopno
hitrost zraka se le-ta ne segreje v veliki meri. Območje povišane temperature zraka je med
samimi baterijami, saj je tam hitrost zraka manjša. Zaradi tega ima zrak več časa da prejme
toploto od baterij in se bolj segreje. Baterije v tem modelu delujejo na podoben način kot cevni
toplotni prenosnik.
29
Slika 6.17: Temperaturno polje S2
30
7
SKLEP
V svoji diplomski nalogi sem primerjal rezultate simulacij iz treh različnih programov z
eksperimentom.
V vseh programih sem želel zagotoviti čimbolj enakovredne pogoje simulacij, kar je bilo v večji
meri izvedljivo. Od tega odstopa program Solidworks, ki nam ne omogoča uporabe
turbulentnega modela k-ω. Zaradi tega sem moral aproksimirati vrednosti modela k-ϵ, kar pa
je najverjetneje doprineslo k nekoliko večjim odstopanjem v tem programu. Pri predpisovanju
robnih pogojev in materialov so vsi programi zagotavljali enakovredne pogoje. Največ dela
sem porabil za izdelavo mrež, ki so bile povsod omejene bodisi s študentskimi licencami ali s
strojno opremo. Pri izdelavi mrež sem si zastavil cilj izdelati čimbolj gosto mrežo brez
prekoračitve naštetih omejitev.
V dispoziciji diplomskega dela sem si zastavil dve tezi, ki sem jih poskušal s simulacijami
potrditi. Prva je bila, da se bo natančnost simulacij povečevala z zgoščevanjem mreže, kar
lahko v večji meri potrdim. To tezo sem v programih SimScale in Solidworks potrdil, v
programu Ansys pa tega zaradi morebitnega delnega izničevanja napak nisem mogel potrditi.
Najverjetneje je šlo za naključje, ki bi ga lahko odpravil z izdelavo precej gostejše ali redkejše
mreže.
Kot drugo tezo sem si zastavil, da bodo razlike med programi razmeroma majhne. Za programa
SimScale in Ansys sem to dokazal, za program Solidworks pa to ne morem potrditi. Napake v
Solidworksu se približujejo tudi vrednosti 20 %, medtem ko so pri preostalih programih
odstopanja povsod krepko pod 10 %. Razlog za večje razlike bi lahko bili različni turbulentni
modeli in metode mreženja.
Najbolje se je po mojem mnenju izkazal program SimScale, ki je prinesel najnatančnejše in
najbolj robustne rezultate. Velika prednost tega programa je tudi, da za izvajanje simulacij ne
31
potrebujemo zmogljive strojne opreme, saj se izvajajo na njihovem strežniku. Kot slabost pa
bi izpostavil dolg čas trajanja simulacij. Tudi program Ansys se je dobro odrezal kljub
omejitvam in je dovolj zadovoljive rezultate podal v precej krajšem času kot SimScale. Tudi
post-procesiranje v programu Ansys se mi zdi bolj dodelano in hitrejše. Program Solidworks se
v splošnem bolj fokusira na računalniško modeliranje in ni specializiran za izvedbo simulacij
toka kot sta to preostala dva programa. Prepričan sem, da bi z uvedbo novih turbulentnih
modelov in metod mreženja dosegel visoko natančnost tudi v tem programu. Ponekod je
omenjeni program sicer prikazal primerljive rezultate, vendar se mi zdita preostali dve opciji
boljši za simuliranje primerov takšnega tipa. Za vsakdanjo rabo v računalniški dinamiki tekočin
bi za podobne primere najverjetneje izbiral med programoma SimScale ali Ansys.
32
8
[1]
LITERATURA
S. Shadid, M. Agelin-Chaab, "Analysis of Cooling Effectiveness and Temperature
Uniformity in a Battery Pack for Cylindrical Batteries," Energies, avgust 2017. [splet].
Dosegljivo:
https://www.researchgate.net/publication/341219370_Analysis_of_Cooling_Effectiveness_
and_Temperature_Uniformity_in_a_Battery_Pack_for_Cylindrical_Batteries.
[Datum
dostopa: 29.5.2021].
[2]
SimScale [splet],
Dosegljivo:
https://www.simscale.com/docs/validation-
cases/cht-battery-pack/. [Datum dostopa: 29.5.2021].
[3]
M. Hriberšek, Uvod v računalniško dinamiko tekočin. Maribor: Univerzitetna založba
Univerze v Mariboru, 2017.
[4]
H. K. Versteeg in W. Malalasekera, An introduction to computational fluid dynamics :
the finite volume method, druga ured., Harlow: Pearson Education, 2007.
[5]
Epa.gov [splet],
Dosegljivo:
https://www.epa.gov/ghgemissions/sources-
greenhouse-gas-emissions. [Datum dostopa: 1.3.2022].
[6]
SimScale
[splet],
Dosegljivo:
https://www.simscale.com/docs/simulation-
setup/global-settings/k-omega-sst/. [Datum dostopa: 14.3.2022].
[7]
Wikipedia [splet], Dosegljivo:
https://en.wikipedia.org/wiki/Turbulence_kinetic_energy. [Datum dostopa: 14.3.2022].
[8]
CFD-Online [splet], Dosegljivo:
https://www.cfd-online.com/Wiki/Specific_turbulence_dissipation_rate. [Datum dostopa:
14.3.2022].
[9]
SimScale
[splet],
Dosegljivo:
https://www.simscale.com/docs/simulation-
setup/global-settings/k-epsilon/. [Datum dostopa: 14.3.2022].
[10]
SimScale
[splet],
Dosegljivo:
https://www.simscale.com/docs/simulation-
setup/meshing/standard/. [Datum dostopa: 15.3.2022].
33
[11]
Ž. Ogorevc, „Validacija numeričnih orodij za aerodinamiko poenostavljenega vozila,ʺ
2021. [splet]. Dosegljivo: https://dk.um.si/Dokument.php?id=152971. [Poskus dostopa:
16.3.2022].
34
Download