Upload
others
View
6
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
UNIVERZA V MARIBORU
FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO
Jure ZAGORANSKI
NUMERIČNA ANALIZA TEMPERATURNIH RAZMER V NAPRAVI ZA OPTIČNI PRENOS PODATKOV
Diplomsko delo
univerzitetnega študijskega programa 1. stopnje
Strojništvo
Maribor, september 2017
NUMERIČNA ANALIZA TEMPERATURNIH RAZMER V
NAPRAVI ZA OPTIČNI PRENOS PODATKOV
Diplomsko delo
Študent: Jure ZAGORANSKI
Študijski program: univerzitetni študijski program 1. stopnje Strojništvo
Smer: Energetsko, procesno in okoljsko strojništvo
Mentor: doc. dr. Matej ZADRAVEC
Somentor: asist. dr. Jurij ILJAŽ
Maribor, september 2017
II
I Z J A V A
Podpisani Jure ZAGORANSKI, izjavljam, da:
• je diplomsko delo rezultat lastnega raziskovalnega dela,
• predloženo delo v celoti ali v delih ni bilo predloženo za pridobitev kakršnekoli izobrazbe
po študijskem programu druge fakultete ali univerze,
• so rezultati korektno navedeni,
• nisem kršil-a avtorskih pravic in intelektualne lastnine drugih,
• soglašam z javno dostopnostjo diplomskega dela v Knjižnici tehniških fakultet ter
Digitalni knjižnici Univerze v Mariboru, v skladu z Izjavo o istovetnosti tiskane in
elektronske verzije zaključnega dela.
Maribor,_____________________ Podpis: ________________________
III
ZAHVALA
Zahvaljujem se mentorju doc. dr. Mateju ZADRAVCU in
mentorju asist. dr. Jurij ILJAŽU za pomoč in vodenje pri
opravljanju diplomskega dela.
Zahvaljujem se tudi zaposlenim v podjetju Inštitut
IRNAS Rače za dostop do vseh potrebnih informacij.
Posebna zahvala gre mojim staršem za spodbudo med
študijem in pisanjem diplomskega dela.
IV
NUMERIČNA ANALIZA TEMPERATURNIH RAZMER V NAPRAVI ZA OPTIČNI PRENOS
PODATKOV
Ključne besede: optični prenos podatkov, numerična analiza, prenos toplote,
Richardsonova ekstrapolacija, optika
UDK: 519.6:681.785.6(043.2)
POVZETEK
V diplomskem delu je obravnavana naprava za optični prenos podatkov, v kateri pod vplivom
sončnega sevanja in zunanje temperature ter notranjih izvorov toplote prihaja do toplotnih
obremenitev. Zaradi kompleksnosti naprave analitični preračun ni mogoč, zato je bilo na
poenostavljenem modelu izvedenih več numeričnih simulacij za različne robne pogoje in
primerjalna simulacija za primerjavo z odčitki testne naprave v realnih pogojih. Richardsonova
ekstrapolacija je služila za oceno numerične negotovosti in s tem vpliva gostote mreže na
rezultate numerične analize. Dobljeni rezultati bodo v pomoč in kot vodilo pri nadaljnjem
razvoju naprave.
V
NUMERICAL ANALYSIS OF TEMPERATURE CONDITIONS IN DEVICE FOR OPTICAL DATA
TRANSFER
Key words: optical data transfer, numerical analysis, heat transfer, Richardson
extrapolation, optics
UDK: 519.6:681.785.6(043.2)
ABSTRACT
This diploma thesis deals with a device for optical data transfer, where heat load is caused by
sun radiation and outside temperature in combination with internal heat sources. Analytical
calculation is impossible due to the complexity of the device; therefore, numerous numerical
simulations for various parameters have been made, comparative simulation with real life
parameters from test unit being one of them. Richardson extrapolation was used to determine
how mesh density effects the results of numerical analysis. The results will be used as a
guideline for future development.
VI
VSEBINA
1 UVOD ............................................................................................................................... - 1 -
1.1 Predstavitev problema ............................................................................................. - 2 -
1.2 Cilji in teze diplomskega dela ................................................................................... - 2 -
1.3 Predpostavke in omejitve ........................................................................................ - 3 -
1.4 Struktura diplomske naloge ..................................................................................... - 4 -
2 BREZŽIČNI OPTIČNI SISTEMI ZA PRENOS PODATKOV ..................................................... - 5 -
2.1 Vrste brezžičnih sistemov ........................................................................................ - 5 -
2.2 Optični prenos podatkov ......................................................................................... - 5 -
2.3 Brezžična optična komunikacija ............................................................................... - 6 -
2.4 Prednosti in slabosti brezžičnih optičnih sistemov .................................................. - 7 -
2.5 Koruza ...................................................................................................................... - 8 -
3 NUMERIČNI MODEL NAPRAVE ...................................................................................... - 13 -
3.1 Računalniška dinamika tekočin .............................................................................. - 13 -
3.2 Viri toplote ............................................................................................................. - 13 -
3.3 Priprava modela ..................................................................................................... - 14 -
3.4 Uporabljeni materiali ............................................................................................. - 15 -
3.5 Razmere v notranjosti naprave .............................................................................. - 17 -
3.6 Mreženje ................................................................................................................ - 18 -
3.7 Robni pogoji ........................................................................................................... - 20 -
Primer 1 in Primer 2 ...................................................................................................... - 20 -
Primer 3 ......................................................................................................................... - 21 -
4 RICHARDSONOVA EKSTRAPOLACIJA ............................................................................. - 23 -
5 REZULTATI ..................................................................................................................... - 27 -
5.1 Temperature v ekstremnih razmerah (Primer 1 in Primer 2) ................................ - 27 -
5.2 Vpliv sončnega sevanja (Primer 3) ......................................................................... - 29 -
5.3 Skupni rezultati ...................................................................................................... - 34 -
6 TEMPERATURA ELEKTRONSKIH KOMPONENT .............................................................. - 37 -
7 SKLEP ............................................................................................................................. - 39 -
8 SEZNAM UPORABLJENIH VIROV .................................................................................... - 41 -
9 PRILOGE ......................................................................................................................... - 43 -
VII
KAZALO SLIK
Slika 1.1: Brezžična optična komunikacija .............................................................................. - 1 -
Slika 1.2: Sistem za brezžično optično komunikacijo v uporabi ............................................. - 3 -
Slika 2.1: Primer povezave v mestnem središču [5] ............................................................... - 5 -
Slika 2.2: Shema delovanja naprav [7].................................................................................... - 6 -
Slika 2.3: Ohišje Koruza Generacija 2 ..................................................................................... - 8 -
Slika 2.4: Generacija 1.0 prototip ........................................................................................... - 9 -
Slika 2.5: Testiranje vpliva megle ........................................................................................... - 9 -
Slika 2.6: Koruza za znanstvene namene .............................................................................. - 10 -
Slika 2.7: Koruza PRO ............................................................................................................ - 11 -
Slika 3.1: Notranje elektronske komponente ....................................................................... - 13 -
Slika 3.2: Osnovni geometrijski model (levo) in poenostavljeni model (desno) .................. - 14 -
Slika 3.3: Shema projekta ..................................................................................................... - 15 -
Slika 3.4: Poimenovanje komponent .................................................................................... - 17 -
Slika 3.5: Uporabljene metode mreženja ............................................................................. - 18 -
Slika 3.6: Mreža zraka v notranjosti ..................................................................................... - 19 -
Slika 3.7: Mreža notranjih komponent in ohišja .................................................................. - 19 -
Slika 3.8: Robni pogoji za Primer 1 in Primer 2..................................................................... - 21 -
Slika 3.9: Naprava med testiranjem v naravnem okolju ...................................................... - 21 -
Slika 3.10: Robni pogoji za Primer 3 ..................................................................................... - 22 -
Slika 4.1: Redka mreža (M1) ................................................................................................. - 23 -
Slika 4.2: Gosta mreža (M2) .................................................................................................. - 23 -
Slika 5.1: Prerezna ravnina ................................................................................................... - 27 -
Slika 5.2: Primer 1 - temperature zraka v notranjosti naprave ............................................ - 28 -
Slika 5.3: Primer 1 - temperature ohišja in notranjih delov ................................................. - 28 -
Slika 5.4: Primer 2 – temperature zraka v notranjosti naprave ........................................... - 28 -
Slika 5.5: Primer 2 – temperature ohišja in notranjih delov ................................................ - 28 -
Slika 5.6: Primer 2 - vektorsko polje gibanja zraka v notranjosti naprave ........................... - 29 -
Slika 5.7: Primer 2 – temperatura ohišja in motorjev .......................................................... - 29 -
Slika 5.8: Primer 3 – temperature zraka v notranjosti naprave ........................................... - 30 -
Slika 5.9: Primer 3 – temperature ohišja in notranjih delov ................................................ - 31 -
VIII
Slika 5.10: Primer 3 - vektorsko polje gibanja zraka v notranjosti naprave ......................... - 31 -
Slika 5.11: Primer 3 – temperatura ohišja in motorjev ........................................................ - 32 -
Slika 5.12: Primerjava podatkov testne enote in samodejne vremenske postaje ............... - 33 -
Slika 5.13: Tokovnice gibanja zraka v notranjosti naprave .................................................. - 34 -
Slika 5.14: Graf razlike med najvišjo in najnižjo temperaturo v Primeru 1 (modro), Primeru 2
(rdeče) in Primeru 3 (zeleno) ........................................................................................ - 35 -
Slika 5.15: Graf temperatur v treh točkah v notranjosti naprave v Primeru 1 (modro), Primeru
2 (rdeče), Primeru 3 (zeleno) ........................................................................................ - 36 -
Slika 6.1: Posnetek s termalno kamero – osnovna plošča med delovanjem ....................... - 37 -
Slika 6.2: Posnetek s termalno kamero – Raspberry Pi kamera med delovanjem ............... - 38 -
IX
KAZALO PREGLEDNIC
Tabela 3.1: Materialne lastnosti ........................................................................................... - 16 -
Tabela 3.2: Emisivnosti materialov [20] ............................................................................... - 22 -
Tabela 4.1: Podatki o mrežah ............................................................................................... - 23 -
Tabela 4.2: Rezultati Richardsonove ekstrapolacije ............................................................. - 26 -
Tabela 5.1: Primerjava temperatur ...................................................................................... - 33 -
Tabela 5.2: Raztezki ohišja .................................................................................................... - 35 -
X
UPORABLJENI SIMBOLI
𝑐𝑝 specifična toplota
𝑒𝑎23 približna relativna napaka
𝑒𝑒𝑥𝑡23 ekstrapolirana relativna napaka
𝑔 težnostni pospešek
𝐺𝐶𝐼 indeks konvergence gostote mreže
𝐺𝑟 Grashoffovo število
ℎ povprečna velikost elementa mreže
ℒ karakteristična dolžina
𝑁 število elementov mreže
𝑁𝑢 Nusseltovo število
𝑝 red funkcije
𝑃𝑟 Prandtlovo število
𝑟𝑖𝑗 faktor zgostitve
𝑅𝑎 Rayleighovo število
𝑅𝑒 Reynoldsovo število
𝑇𝑃 temperatura na površini
𝑇∞ temperatura okolice
𝑉 celotni volumen računskega območja
𝛼 koeficient prestopa toplote
𝛽 koeficient volumskega raztezka
𝜀 razlika vrednosti spremljanih veličin
𝜆 toplotna prevodnost
𝜈 kinematična viskoznost
𝜌 gostota
XI
𝜑 izračunana vrednost spremljanih veličin
𝜑𝑒𝑥𝑡23 ekstrapolirana vrednost
UPORABLJENE KRATICE
3D 3 dimenzionalno
ABS Acrylonitrile Butadiene Styrene
AMCIS Americas Conference on Information Systems
CAD Computer Aided Design
CFD Computational fluid design
FSO Free-space optics
Gbps gigabiti na sekundo
LED Light-emiting diode
Mbps megabiti na sekundo
PCB Printed circuit board
RDT računalniška dinamika tekočin
UCL University College London
USB Universal Serial Bus
VALET Very Affordable Laser Ethernet Transceiver
Wi-Fi brezžična tehnologija za lokalno omrežje
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 1 -
1 UVOD
Tehnologija je gonilo razvoja. Poenostavlja delo, omogoča hitrejše potovanje in nas
povezuje. Dandanes že večina mobilnih naprav omogoča dostop do medmrežja in neštetih
informacij, zato si težko predstavljamo računalnike brez internetne povezave. Zaradi
mobilnosti narašča potreba po brezžični povezljivosti tudi v nenaseljenih območjih, medtem
ko je v mestnih središčih izziv postaviti omrežje brez motenj.
Inštitut IRNAS Rače je mlado podjetje, ki se ukvarja z razvojem naprednih aplikativnih
sistemov. Glavni projekt je razvoj cenovno ugodnega odprtokodnega brezžičnega optičnega
sistema z nazivom Koruza, ki služi prenosu podatkov za premostitev razdalj do 150 m. Sistem
predstavlja alternativo brezžičnemu Wi-Fi sistemu za prenos podatkov, lahko pa služi za
povezavo zgradb čez ceste, reke ali druge ovire, povečuje zmožnosti obstoječih omrežij. V
primeru poškodb obstoječe infrastrukture ali drugih posebnih dogodkov omogoča hitro
postavitev začasne povezave (slika 1.1). [1]
Slika 1.1: Brezžična optična komunikacija
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 2 -
1.1 Predstavitev problema
Pri brezžičnih optičnih sistemih na natančnost in stabilnost povezave vplivajo mnogi
dejavniki. Sprejemnik-oddajnik (angleško transceiver, v nadaljevanju enota) mora biti
poravnan z drugo enoto, pri tem pa lahko pride do različnih motenj: [2]
• žarek ovirajo fizični predmeti, kot so živali in listje,
• vremenski dejavniki: prašni in vodni delci v obliki kapljevin in megle,
• odklon iz prvotne lege zaradi vetra ali deformacij, ki so posledica temperaturnega
raztezanja in krčenja.
Za reševanje tega problema je potrebno sodelovanje različnih inženirskih strok, ki
zahteva znanje računalništva, elektronike, konstrukterstva in energetike. Predmet
diplomskega dela je analizirati toplotne razmere v napravi zaradi temperaturnih vplivov
okolice in notranjih izvorov toplote.
1.2 Cilji in teze diplomskega dela
V sklopu naloge je bil uporabljen numerični in eksperimentalni pristop k reševanju
problema. Cilj diplomske naloge je ugotoviti toplotno obremenjenost nosilnih delov. Toplotna
obremenjenost posameznih delov vpliva na njihovo raztezanje in krčenje, kar lahko privede
do deformacije položaja usmerjenosti celotne naprave in posledično do zamika žarka, preko
katerega se prenašajo podatki iz ene naprave (oddajnik) na drugo napravo (sprejemnik) in v
obratni smeri.
V nalogi so prikazane temperature posameznih delov naprave zaradi izpostavljenosti le-
te realnim temperaturam v ekstremnih območjih (visoke temperature v puščavi in zelo nizke
v zimskih razmerah). S pomočjo numeričnih simulacij toplotno tokovnih razmer v napravi je
bilo izvedenih več preračunov za različne robne pogoje (temperatura okolice, prestop toplote
na okolico). Upoštevani so bili tudi izvori toplote znotraj naprave (elektronski komponente).
Pridobljene informacije služijo za izboljšave v naslednjih verzijah in potrditev primerne
izbire materialov ter konstrukcije v obstoječi izvedbi.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 3 -
1.3 Predpostavke in omejitve
Obravnavana geometrija naprave je precej kompleksna, saj se v notranjosti nahaja veliko
elementov različnih razgibanih oblik, od enostavnih nosilcev do zapletenih komponent na
elektronskih vezjih. Za numerično obravnavo je tako notranjost geometrije poenostavljena,
brez kablov, vijakov in podrobnosti elektronskih vezij ter zajema le najbolj vplivne elemente
na toplotno tokovne razmere v napravi.
Pri numeričnem opisu so bili uporabljeni standardni pristopi (modeli) računalniške
dinamike tekočin ter upoštevani znani robni pogoji (temperatura okolice, izvori toplote,
temperatura v napravi). Za oceno natančnosti simulacij služijo temperature testnega
optičnega sistema v realnih razmerah, primerjane z numeričnim preračunom v enakih robnih
pogojih. Primer testne postavitve viden na sliki 1.2.
Slika 1.2: Sistem za brezžično optično komunikacijo v uporabi
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 4 -
1.4 Struktura diplomske naloge
Diplomsko delo je sestavljeno iz 7 poglavij:
1. poglavje je uvod, v katerem je opisan problem in temelji raziskovanja,
2. poglavje, kjer so predstavljeni brezžični optični sistemi za prenos podatkov, njihove
prednosti in slabosti ter zgodovina razvoja naprave, ki je predmet diplomskega dela –
Koruza,
3. poglavje je namenjeno opisu modela analizirane naprave, virih toplote, uporabljenih
materialih ter poenostavitvi modela za potrebe analize ter opisu numerične analize,
kar obsega mreženje in določanje robnih pogojev za primere ekstremnih temperatur
in primer primerjave z realnimi pogoji,
4. poglavje prikazuje uporabo Richardsonove ekstrapolacije za določitev vpliva mreže na
izračunane rezultate,
5. poglavje vsebuje rezultate simulacij,
6. poglavje je namenjeno pregledu temperature elektronskih komponent,
7. poglavje je namenjeno ovrednotenju pridobljenih informacij in zaključku naloge.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 5 -
2 BREZŽIČNI OPTIČNI SISTEMI ZA PRENOS PODATKOV
2.1 Vrste brezžičnih sistemov
Poznamo različne načine brezžičnega prenosa podatkov. Komunikacijske enote so lahko
postavljene na Zemlji, v zraku, ali celo višje v vesolju (satelitski telefoni). Sistemi se razlikujejo
v razdalji med enotami, količini in hitrosti prenosa podatkov, frekvenčnem območju delovanja
… Ker je ozračje vse bolj nasičeno z različnimi frekvencami radijskih valov, Wi-Fi in drugih
mobilnih omrežij, prihaja do pomanjkanja prostih frekvenc in interferenc, zato je ena od
alternativ brezžični optični prenos podatkov (slika 2.1). [3, 4]
Slika 2.1: Primer povezave v mestnem središču [5]
2.2 Optični prenos podatkov
Optični prenos podatkov je vsak prenos podatkov, kjer se signal prenaša s svetlobo. V
kabelskih sistemih se tako razlikuje od tistih, kjer je signal v obliki električnega toka in je zato
hitrejši. Zgodovina optičnega prenosa seže daleč nazaj, saj lahko med optično komunikacijo
uvrstimo dimne in ognjene signale, zastave in semaforje. Seveda je v vseh naštetih primerih
sprejemnik človeško oko, ker gre za enostavno komunikacijo. Princip delovanja brezžičnih
optičnih sistemov je zelo podoben klasičnim optičnim komunikacijskim sistemom. Na vsaki
strani je sprejemnik/oddajnik, po kablu pa potuje optični žarek. Tak sistem je omejen le z
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 6 -
radijem zavojev kabla in za razliko od brezžičnega sistema lokacija posameznih enot ni
pomembna. Pri brezžičnem sistemu je potrebno zagotoviti poravnanost obeh enot in prosto
pot med njima. [4, 6]
2.3 Brezžična optična komunikacija
Že leta 1880 je Alexander Graham Bell, le nekaj let po predstavitvi prvega telefona,
predstavil fotofon. Z napravo, ki je telefonski signal pretvorila v svetlobne impulze, je opravil
klic do dobrih 200 m oddaljenega sprejemnika, kar štejemo za prvi brezžični telefonski klic. [4]
V primeru Bellovega fotofona je signal potoval po zraku, zato v angleščini ta način
komunikacije imenujejo »Free-space optical communication« ali FSO, kar zajema tudi vesolje
ali vakuum. Na podoben način delujejo moderne naprave, kot je tudi obravnavana Koruza.
Do naprave speljan signal se pretvori v impulze nevidne svetlobe, ki predstavljajo 1 in 0.
Oddajnik z LED ali lasersko diodo pošlje impulze v obliki usmerjenega žarka proti sprejemniku
s polprevodniško fotodiodo, kjer se ti impulzi s fotoelektričnim pojavom pretvorijo nazaj v
električni signal (slika 2.2).
Slika 2.2: Shema delovanja naprav [7]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 7 -
Današnji sistemi pokrivajo razdalje od nekaj sto metrov do več kilometrov, pri hitrosti
povezav od 100 Mbps do 10 Gbps. Različnim aplikacijam so prilagojene celotne naprave, ki se
razlikujejo v valovnih dolžinah svetlobe (laser ali vidna LED svetloba, v nm), jakosti prenosa (v
mW), premeru žarka (v cm) … [8]
2.4 Prednosti in slabosti brezžičnih optičnih sistemov
Prednosti:
• Priročnost – strošek in čas postavitve takšnega omrežja je mnogo krajši od postavljanja
kabelskega omrežja na enaki razdalji. Omogoča enostavno nadgradnjo z zamenjavo
obstoječih enot z naprednejšimi. Ne prihaja do interferenc z drugimi tipi omrežij.
• Hitrost – zaradi vedno večjih datotek in količin podatkov ima FSO s hitrostjo prenosa
več Gbps konkurenco le v kabelskih optičnih sistemih.
• Varnost povezave – v primeru laserskega prenosa je žarek neviden in zelo ozek, zato
ga je težko najti. Prestrezanje podatkov je skoraj nemogoče, saj mora biti prestreznik
na poti med dvema enotama, kar bi pomenilo izgubo podatkov na sprejemniku in
posledično alarm za vdor. Brezžična optična povezava zato ne potrebuje posebnih
varnostnih ukrepov.
Slabosti:
• Razdalja – ne glede na izvedbo naprave je trenutna meja delovanja pri približno 5 km
(v idealnih pogojih), večina aplikacij pa nekaj sto metrov. [8]
• Vidno polje in poravnanost – za brezhibno komunikacijo morata biti obe enoti v vidnem
polju z žarkom usmerjenim točno v oddajnik/sprejemnik. Pri tem lahko žarek ovirajo
fizične ovire, vremenski pojavi (dež, megla), spremembe v atmosferi zaradi segrevanja
površja in ozračja. [2]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 8 -
2.5 Koruza
Naprava, ki je predmet te diplomske naloge, je produkt razvoja od leta 2012, ko je Luka
Mustafa, takrat študent na UCL, predstavil VALET – »Very Affordable Laser Ethernet
Transceiver«. Že leto kasneje je iz te ideje nastal prvi prototip Koruze, ki je bil predstavljen na
Ameriški konferenci informacijskih sistemov AMCIS2013 v Chicagu. Potencial ideje je
prepoznala fundacija Shuttleworth, ki še vedno podpira projekt. [9]
Slika 2.3: Ohišje Koruza Generacija 2
S pomočjo 3D tiskalnika Troublemaker, ki je plod razvoja članov Društva elektronikov
Slovenije (med njimi tudi Luka Mustafa), je nastalo več generacij prototipov, vsaka z izboljšano
konstrukcijo, natisnjeno iz ABS in dodanimi raznimi elementi, z namenom izboljšati
zanesljivost ter stabilnost povezave (slika 2.3). S tretjo generacijo je bila naprava pripravljena
za zunanjo uporabo, kjer so se prvič pokazale težave, povezane s toplotno razteznostjo 3D
natisnjenih delov. Za lažje spremljanje delovanja so bila dodana razna tipala in kontrolna
elektronika. Kljub možnosti za enostavne in hitre spremembe 3D natisnjenih delov, je bila
skupna točka vseh prvih verzij težavno sestavljanje. [9]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 9 -
Slika 2.4: Generacija 1.0 prototip
Tako je nastala Koruza Generation 1.0 Prototype s poenostavljeno zasnovo in jeklenimi
palicami, ki omogočajo modularnost in napravi ob enostavnejšem sestavljanju dajejo tudi
trdnost. Kot je vidno na sliki 2.4, je večina delov še vedno 3D natisnjena, kar omogoča
enostavne prilagoditve za razne potrebe. S to verzijo je bilo opravljenih več poskusov v
testnem tunelu. Preverjalo se je delovanje komponent v nadzorovanih pogojih, karakteristike
žarka, vpliv okoliške svetlobe in vibracij, pa tudi kakovost povezave v megli (slika 2.5). [10]
Slika 2.5: Testiranje vpliva megle
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 10 -
Ker je projekt odprtokodnega tipa pa je pri testiranju sodelovalo tudi več drugih
posameznikov ali organizacij, ki so testne enote postavile širom sveta. Generacija 1.0 še vedno
služi v raziskovalne namene in je dostopna vsem, ki bi želeli prispevati k razvoju ali samo
preizkusiti tehnologijo. Vsa dokumentacija je dosegljiva na spletnem naslovu:
http://instructions.koruza.net/index (slika 2.6).
Slika 2.6: Koruza za znanstvene namene
Z znanjem, pridobljenim na vseh testiranjih prejšnjih generacij, je nastala Koruza PRO
(slika 2.7). Večino 3D natisnjenih nosilnih delov je zamenjal aluminij, uporaba optimiziranih
elektronskih vezij pa je omogočila kompaktnejšo obliko. Zaradi vseh izboljšav naprava ni več
primerna le za manjše projekte, pač pa je namenjena ponudnikom telekomunikacijskih
storitev. Z veliko nižjo ceno od konkurentov Koruza PRO omogoča brezžično optično
komunikacijo širši množici. [1]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 11 -
Slika 2.7: Koruza PRO
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 12 -
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 13 -
3 NUMERIČNI MODEL NAPRAVE
3.1 Računalniška dinamika tekočin
Računalniška dinamika tekočin (RDT) oz. »Computational fluid Dynamics (CFD)« je
programsko orodje za podporo pri razvoju zelo različnih naprav. Inženirjem je v pomoč pri
razumevanju fizikalnih pojavov, vendar je za to nujno potrebno razumevanje in pravilno
predpisovanje robnih pogojev ter izbira modelov, ki opisujejo nek določen fizikalni pojav.
Obravnavano stanje v napravi je stacionarno. [11]
3.2 Viri toplote
Koruza je naprava za zunanjo rabo, zato so enote izpostavljene temperaturnim nihanjem
in morajo obratovati v širokem temperaturnem območju. V notranjosti se nahajajo
elektronske komponente, ki se pri delovanju segrevajo. Nekatere delujejo le občasno, tak je
primer vezja za nadzor motorjev za fino nastavitev žarka, ki se vklopijo le pri nastavljanju.
Druge elektronske komponente so vklopljene ves čas delovanja in se pri tem bolj segrevajo.
Skupna poraba energije posamezne enote je približno 4W, to pa zajema osnovno ploščo
(Compute module), nadzorno ploščo motorjev (Move driver), SFM modul in kamero (Raspberry
Pi Camera). Deli so vidni na sliki 3.1.
Slika 3.1: Notranje elektronske komponente
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 14 -
3.3 Priprava modela
Prvi korak v pripravi numeričnega modela je poenostavitev obstoječega CAD modela,
ker naprava vsebuje veliko število elementov zelo različnih oblik in velikosti, kar bi zahtevalo
zelo kompleksno računsko mrežo in dolge računske čase. Zato je za potrebe diplomske naloge
nujna poenostavitev modela, ki bo še vedno vseboval najvplivnejše elemente. Za ta korak sem
uporabil programski paket Solidworks 2016.
Najprej sem odstranil vse elemente, ki so bili pritrjeni zunaj ohišja ter zunanje vijake, da
sem lahko zapolnil nastale luknje. Vijake je bilo potrebno odstraniti tudi v notranjosti, kjer je
bilo tudi največ elementov kompliciranih oblik. Tako je daljnogled dobil obliko valja brez
izstopajočih delov, aluminijastim nosilcem so bili odstranjeni razni utori in luknje, posamezni
dotikajoči se kosi iz istega materiala pa so bili združeni, da so bili sestavljeni iz kvadrov in valjev.
Največja sprememba je opazna pri PCB oz. tiskanem vezju, kjer so bili odstranjeni vsi upori,
kondenzatorji, diode in druga integrirana vezja ter razni priključki za USB in internetno
povezavo. Tako je ostalo le tiskano vezje z nekaj največjimi in vročimi elementi (glej poglavje
4.1). Model že v osnovi ni vključeval vseh kablov, pri katerih po montaži pride do
malenkostnega odstopanja v posameznih enotah. Razlika je vidna na sliki 3.2.
Slika 3.2: Osnovni geometrijski model (levo) in poenostavljeni model (desno)
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 15 -
Poenostavljen model je pripravljen za uvoz v programski paket ANSYS, kjer je celoten
projekt dostopen preko programa Workbench, toplotno tokovna numerična simulacija pa
izvedena v CFX (slika 3.3).
Slika 3.3: Shema projekta
Programski paket ANSYS ponuja dve možnosti za urejanje modela. Prva je
DesignModeler, v zadnjih verzijah pa je bil dodan še novejši modelirnik SpaceClaim, v katerem
sem tudi uredil geometrijo. Za lažjo in predvsem bolj kvalitetno računsko mrežo sem nekatere
komponente razdelil na ploskve in plašče.
3.4 Uporabljeni materiali
Kljub poenostavitvi modela je v napravi ostalo nekaj različnih komponent, za katere je
bilo potrebno določiti materialne lastnosti. V primerjavi s prototipnimi verzijami naprave je
zdaj v posamezni enoti veliko manj 3D natisnjenih delov, saj so vse pomembnejše nosilne dele
zamenjali aluminijasti. Vrednosti so bile odčitane iz Strojniškega priročnika [11], pri umetnih
masah pa povprečne vrednosti iz različnih virov, saj se lahko npr. različne pošiljke filamenta
ABS za 3D tiskanje malenkostno razlikujejo. Vrednosti so zbrane v Tabeli 3.1. [12, 13, 14]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 16 -
Tabela 3.1: Materialne lastnosti
Material
Gostota
ρ [𝒌𝒈
𝒎𝟑]
Toplotna prevodnost
λ [𝑾
𝒎𝑲]
Aluminij 2700 229
Jeklo 7850 20
Nerjaveče jeklo 7750 29
Steklo 2700 0,76
ABS 1050 0,16
IGUS 1460 0,24
Poliuretan 1500 0,25
PCB 1850 0,4
Z uporabo funkcije Named selection v programskem paketu ANSYS že v začetnih korakih
poenostavimo nadaljnje delo, saj v samodejnem načinu program elemente in ploskve
poimenuje s svojim algoritmom kot npr. B.511, kar pri definiranju robnih pogojev lahko
pomeni dolgotrajno iskanje izbranega elementa, predvsem v primeru modelov z veliko
različnimi elementi. Izbira enakega imena za vse elemente iz istega materiala pa poenostavi
tudi ta korak, saj lahko v CFX v knjižnico vnesemo svoje materiale, kot sem jih jaz iz Tabele 3.1,
in pri tem program samodejno ponudi material Steklo za element ali elemente v poimenovani
skupini Steklo (slika 3.4). [16]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 17 -
Slika 3.4: Poimenovanje komponent
3.5 Razmere v notranjosti naprave
Naprava Koruza ustreza standardu IP65. Prva številka se navezuje na zaščito pred
prahom, številka 6 kaže na popolno zaščito, druga številka pa na vodotesnost, v tem primeru
je naprava odporna na vodne curke in ima številko 5. [1, 17] Iz tega lahko sklepamo, da je
naprava dovolj zatesnjena, da ni izmenjave zraka z okolico. Predvidevamo lahko, da zaradi
izvorov toplote v notranjosti prihaja do kroženja zraka. Da tok zraka v notranjosti ni
turbulenten smo preverili z analitičnim preračunom brezdimenzijskega Rayleighovega števila,
ki ga izračunamo po sledeči enačbi [18]:
𝑅𝑎 = 𝐺𝑟 ∗ 𝑃𝑟, (3.1)
In je zmnožek Grasshoffovega števila (3.2) in Prandtlovega števila (3.3)
𝐺𝑟 = 𝑔∗𝛽∗(𝑇𝑃−𝑇∞)∗ ℒ3
𝜈2, 𝑃𝑟 =
𝜈∗𝜌∗𝑐𝑝
𝜆 (3.2)(3.3)
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 18 -
Kjer je:
g [m/s2] - težnostni pospešek
𝛽 [1/K] - koeficient volumskega raztezka
𝑇𝑃 [°C] - temperatura površine
𝑇∞[°C] - temperatura okolice
ℒ [m] - karakteristična dolžina
𝜈 [m2/s] - kinematična viskoznost
𝜌 [kg/m3] - gostota
𝑐𝑝 [kJ/kg K] - specifična toplota
𝜆 [W/m K] - toplotna prevodnost
Za izbrane pogoje temperatura notranje površine 𝑇𝑃=40 °C in temperatura zraka 𝑇∞=25
°C izračunana vrednost 𝑅𝑎 = 25943,356 ustreza pogoju za laminarni tok pri naravni
konvekciji , ki je 𝐺𝑟 ∗ 𝑃𝑟 = 104 … 109. [19] (3.4)
3.6 Mreženje
Prilagoditev in razrez modela, omenjeno v poglavju 3.2, je izboljšalo kvaliteto mreže, saj
sem lahko za posamezne dele izbiral različne metode mreženja (slika 3.5), hkrati pa je
avtomatska metoda generirala primerne elemente mreže.
Slika 3.5: Uporabljene metode mreženja
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 19 -
Na slikah 3.6 in 3.7 so vidni elementi mreže. V mreži zraka so lepo vidne zgostitve v
okolici notranjih komponent, v območjih daleč od komponent pa je mreža redkejša. Prej
omenjen razrez modelov pa je pripomogel k enakomerni mreži notranjih komponent na sliki
3.7.
Slika 3.6: Mreža zraka v notranjosti
Slika 3.7: Mreža notranjih komponent in ohišja
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 20 -
3.7 Robni pogoji
Na prototipih in tudi produkcijski verziji naprave so bili narejeni številni testi, zato imamo
podatke o delovanju v razmerah kontinentalnega podnebja. Ker pa mora naprava delovati tudi
v zahtevnejših pogojih, v katerih je testiranje zaradi različnih razlogov oteženo ali
neekonomično, sta bila izvedena dva primera za izjemno nizke in izjemno visoke temperature.
Primer 1 in Primer 2
Primer 1 in primer 2 sta se razlikovala le v predpisani zunanji temperaturi in koeficientu
prestopa toplote iz okolice. To je bilo potrebno nastaviti za elementa Ohišje in PU. V primeru
1 je bilo to -30 °C in 5,55 W/m2, v primeru 2 pa 50 °C in 5,39 W/m2. Koeficienta prestopa
toplote sta bila izračunana po enačbi 4.5 za dane robne pogoje v posameznem primeru. V
notranjosti predpisani izvori toplote so bili na elektronskih delih 50000 W/m3 (slika 3.8).
Koeficient prestopa toplote dobimo po enačbah za naravno konvekcijo iz poglavja 3.5,
kjer dodatno izračunamo še Nusseltovo število po enačbi [19]
𝑁𝑢̅̅ ̅̅ = 𝐶(𝐺𝑟 ∗ Pr)𝑛. (3.5)
Koeficienta C in n sta odvisna od Rayleighovega števila in se razlikujeta glede na
laminaren ali turbulenten tok. Iz izračunanega Nusseltovega števila lahko dobimo koeficient
prestopa toplote
𝑁𝑢̅̅ ̅̅ =𝛼∗𝐿
𝜆 . (3.6)
V obeh primerih je bila uporabljena mreža s 4263461 elementi.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 21 -
Slika 3.8: Robni pogoji za Primer 1 in Primer 2
Primer 3
Za oceno natančnosti simulacije je bila izvedena tudi analiza s podatki meritev dejansko
postavljene naprave (slika 3.9) z natančneje definiranimi robnimi pogoji, ki so v obliki odčitkov
vremenskih postaj dostopni na spletnih straneh Agencije republike Slovenije za okolje. Podatki
za posamezne vremenske postaje se osvežujejo večkrat dnevno, spremljajo pa temperaturo,
vlažnost, veter, zračni tlak, padavine in sevanje.
Slika 3.9: Naprava med testiranjem v naravnem okolju
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 22 -
Za potrebe kontrolnega testa sta pomembni predvsem temperatura in sončno sevanje
(priloga 9.2). V prejšnjih primerih je bil vpliv direktnega sončnega sevanja zanemarjen, saj nas
je zanimala le temperatura okolice. Kot v Primeru 1 in Primeru 2 je bila tudi tukaj predpisana
temperatura okolice in koeficient prestopa toplote, 25 °C in 3,8 W/m2, dodano sevanje je
zahtevalo tudi predpis drugih robnih pogojev (slika 3.10). Vsaki domeni s trdninami je bila
nastavljena metoda termične radiacije Monte Carlo1, različnim materialom pa je bilo potrebno
določiti tudi emisivnosti (zbrane v tabeli 3.2). Sevanje je bilo predpisano le na zgornji površini
ohišja naprave, saj je v najvišji legi sonca obsevana le ta površina.
Tabela 3.2: Emisivnosti materialov [20]
Material Emisivnost 𝜺
Aluminij 0,1
Guma 0,9
Jeklo 0,85
Plastika 0,9
Steklo 0,92
Slika 3.10: Robni pogoji za Primer 3
1 Metoda opisuje interakcijo med fotoni in okoljem. [15]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 23 -
4 RICHARDSONOVA EKSTRAPOLACIJA
Richardsonova ekstrapolacija služi določanju občutljivosti rezultatov glede na različne
gostote računskih mrež oz. oceni napake pri diskretizaciji problema [21]. Za potrebo
ekstrapolacije so bile generirane 3 različno goste mreže (M1, M2 in M3), pri čemer pa so bili
za izvedbo simulacije uporabljeni robni pogoji za sobno temperaturo (temperatura 25 °C). V
tabeli 4.1 so podani podatki o številu elementov in vozlišč v posamezni mreži, na slikah 4.1 in
4.2 pa je vidna razlika v gostoti redke in goste mreže.
Tabela 4.1: Podatki o mrežah
Število elementov Število vozlišč i
Redka (M1) 1020494 870051 1
Srednja (M2) 4263461 1560390 2
Gosta (M3) 9834231 3858680 3
Slika 4.1: Redka mreža (M1)
Slika 4.2: Gosta mreža (M2)
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 24 -
V prvem koraku moramo izračunati povprečno velikost volumskega elementa
generirane računske mreže. Enačba je naslednja:
ℎ = [1
𝑁∑ (Δ𝑉𝑖)
𝑁𝑖=1 ]
1/3
, (4.1)
kjer je:
ℎ [mm3] - povprečna velikost elementa
𝑁 - število elementov
𝑉 [mm3] - celotni volumen računskega območja
Pri generiranju mreže moramo biti pozorni na razmerje
ℎ𝑟𝑒𝑑𝑘𝑎
ℎ𝑔𝑜𝑠𝑡𝑎> 1.3 .
Naslednji korak zahteva določitev reda p uporabljene računske metode. Najprej
določimo faktor zgostitve po enačbi
𝑟23 =ℎ2
ℎ3 in 𝑟12 =
ℎ1
ℎ2 , (4.2)
kjer je:
𝑟 – faktor zgostitve
Nato izračunamo razlike med izbranimi veličinami, ki smo jih spremljali v izračunu
programa pri različnih mrežah. V mojem primeru sta bili to povprečni temperaturi zraka in
tiskanega vezja.
𝜀12 = 𝜑1 − 𝜑2 in 𝜀23 = 𝜑2 − 𝜑3, (4.3)
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 25 -
kjer je:
𝜑[°C] – izračunana temperatura (zraka in tiskanega vezja)
𝜀 [°C] – razlika izračunanih veličin
Do zdaj izračunane vrednosti vstavimo v enačbe (5.4), (5.5) in (5.6)
𝑠 = 1 ∗ 𝑠𝑖𝑔𝑛 (𝜀12
𝜀23), pri čemer je 𝑠𝑖𝑔𝑛(𝑥) = {
−1 č𝑒 𝑥 < 00 č𝑒 𝑥 = 01 č𝑒 𝑥 > 0
(4.4)
𝑝 =1
ln 𝑟23|ln |
𝜀12
𝜀23| + 𝑞(𝑝)| (4.5)
𝑞(𝑝) = ln (𝑟23
𝑝−𝑠
𝑟12𝑝
−𝑠) (4.6)
Red p izračunamo s pomočjo funkcije
𝑓(𝑝) =1
ln 𝑟23|ln |
𝜀12
𝜀23| + ln (
𝑟23𝑝
−𝑠
𝑟12𝑝
−𝑠)| − 𝑝. (4.7)
V predzadnjem koraku izračunamo ekstrapolirano vrednost po enačbi
𝜑𝑒𝑥𝑡23 =
(𝑟23𝑝
∗𝜑2−𝜑3)
(𝑟23𝑝
−1). (4.8)
V zadnjem koraku izračunamo ocenjene vrednosti napake:
• Približna relativna napaka: 𝑒𝑎23 = |
𝜑3−𝜑2
𝜑3| (4.9)
• Ekstrapolirana relativna napaka: 𝑒𝑒𝑥𝑡23 = |
𝜑𝑒𝑥𝑡23 −𝜑3
𝜑𝑒𝑥𝑡23 | (4.10)
• Indeks konvergence gostote mreže (GCI): 𝐺𝐶𝐼23 =1.25∗𝑒𝑎
23
𝑟23𝑝
−1 (4.11)
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 26 -
Rezultati so zbrani v tabeli 4.2.
Tabela 4.2: Rezultati Richardsonove ekstrapolacije
𝝋 = 𝒕𝒆𝒎𝒑𝒆𝒓𝒂𝒕𝒖𝒓𝒂
𝑷𝑪𝑩 [°𝑪]
𝝋 = 𝒕𝒆𝒎𝒑𝒆𝒓𝒂𝒕𝒖𝒓𝒂
𝒛𝒓𝒂𝒌𝒂 [°C]
N1, N2, N3 1020494, 4263461, 9834231 1020494, 4263461, 9834231
𝑟23 0,757 0,757
𝑟12 0,629 0,629
𝜑1 311,42 301,05
𝜑2 309,89 300,8
𝜑3 308,2 299,87
p -4,111 -16,242
𝜑𝑒𝑥𝑡23 310,7 300,8
𝑒𝑎23 0,005% 0,003%
𝑒𝑒𝑥𝑡23 0,629% 0,99%
𝐺𝐶𝐼23 0,003% 0 (4,034*10-5)%
Rezultati kažejo, da je vpliv gostote mreže na rezultate zelo majhen. Ekstrapolirana
relativna napaka je manjša od odstotka, indeks konvergence mreže pa zanemarljivo majhen.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 27 -
5 REZULTATI
Za primerjavo posameznih primerov in kontrolo fizikalnih zakonov sem izbral ravnino
(slika 5.1), ki seka največ različnih notranjih komponent, vključno s SFP modulom, za katerega
imam znane podatke o temperaturi (priloga 9.1) in je služil za osnovo primerjalnega testa.
Slika 5.1: Prerezna ravnina
5.1 Temperature v ekstremnih razmerah (Primer 1 in Primer 2)
V primeru 1 in 2 nas je zanimala le okoliška temperatura, kar pomeni, da bi bila naprava
v dejanski uporabi zaščitena pred vplivom sonca, kot del samodejne vremenske postaje ipd.
V obeh primerih vidimo, da ohišje doseže temperaturo okolice, akumulacija toplote iz
notranjih virov pa nima izrazitega vpliva na dodatno segrevanje ohišja in drugih nosilnih
elementov. V primeru 1 se vse temperature spustijo pod ledišče.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 28 -
Slika 5.2: Primer 1 - temperature zraka v
notranjosti naprave
Slika 5.3: Primer 1 - temperature ohišja in
notranjih delov
Slika 5.4: Primer 2 – temperature zraka v
notranjosti naprave
Slika 5.5: Primer 2 – temperature ohišja in
notranjih delov
Temperaturni gradient je v obeh primerih (slika 5.2 in slika 5.4) zelo podoben, tako po
razporeditvi kot tudi v temperaturni razliki, in je vzrok za naravno konvekcijo. Vsi modro
obarvani deli (slika 5.3 in 5.5) kažejo na enakomeren prevod okoliške toplote v kovinskih delih,
medtem ko so elektronski izvori toplote veliko toplejši. Na sliki 5.6 je lepo vidno dviganje zraka
kot znak naravne konvekcije ob izvorih toplote, ob hladnejših stenah ohišja pa se zrak spušča
in pri tem ohlaja. Vpliv segrevanja elektronike se kaže v rahlo višji temperaturi ohišja in
motorja, bližjega največjemu notranjemu izvoru toplote (slika 5.7)
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 29 -
Slika 5.6: Primer 2 - vektorsko polje gibanja zraka v notranjosti naprave
Slika 5.7: Primer 2 – temperatura ohišja in motorjev
5.2 Vpliv sončnega sevanja (Primer 3)
Dodani robni pogoji za sevanje so opazni takoj pri primerjavi ohišja, kjer je del v senci
hladnejši od zgornjega obsevanega (slika 5.9). Tudi v notranjosti vidimo, da ni izrazito
hladnejšega pasu ob dnu naprave, je pa še vedno opazno dviganje toplejšega zraka proti vrhu.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 30 -
Za razliko od primera 1 in primera 2 pa je tukaj vidno področje hladnejšega zraka, ki je najbolj
oddaljeno od izvirov toplote in obsevane površine (slika 5.8). Od prejšnjih primerov se razlikuje
tudi v tokovnem polju, saj se v omenjenih primerih zrak ohlaja vzdolž cele desne stranice, ki je
vzporedna elektronskemu izvoru toplote, tukaj pa zrak zaokroži že na polovici stranice. Tudi v
levem zgornjem kotu je zračni tok orientiran v obratni smeri, kar za realno primerjavo ni
pomembno, saj so hitrosti zelo nizke, zaradi poenostavljenega geometrijskega dela pa tam ni
upoštevanega vpliva kablov v okolici (slika 5.10).
Slika 5.8: Primer 3 – temperature zraka v notranjosti naprave
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 31 -
Slika 5.9: Primer 3 – temperature ohišja in notranjih delov
Slika 5.10: Primer 3 - vektorsko polje gibanja zraka v notranjosti naprave
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 32 -
Slika 5.11: Primer 3 – temperatura ohišja in motorjev
Kot na sliki 5.7 je tudi na sliki 5.11 viden vpliv segrevanja notranjih izvorov na bližjem
motorju, vendar je tokrat temperatura ohišja podrejena vplivu sončnega obsevanja vrhnje
površine naprave.
V numerični analizi primer 3 so bili nastavljeni enaki pogoji, katerim je bila izpostavljena
testna naprava (priloga 9.1) ter uporabljeni podatki za vrednosti odčitkov samodejne
vremenske postaje ob 13.00, ko je Sonce v tem letnem času v zenitu (priloga 9.2). Iz grafa na
sliki 5.12 je razvidno, da sta temperaturi okolice in notranjosti naprave precej povezani, saj ni
opaznega velikega zamika pri segrevanju.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 33 -
Slika 5.12: Primerjava podatkov testne enote in samodejne vremenske postaje
Temperatura, razbrana iz rezultatov simulacije, je nekaj stopinj višja od temperature na
izbrani točki v času odvzetih podatkov za robne pogoje, vendar je razlika do najvišje
zabeležene temperature tistega dneva manjša (tabela 5.1). Za natančnejše rezultate bi bilo
potrebno izvesti časovno odvisno simulacijo.
Tabela 5.1: Primerjava temperatur
T SFP ob 13.00 Max T SFP T simulacije
47,93 °C 49,1 °C 51,73 °C
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
60,00
00
:00
01
:00
02
:00
03
:00
04
:00
05
:00
06
:00
07
:00
08
:00
09
:00
10
:00
11
:00
12
:00
13
:00
14
:00
15
:00
16
:00
17
:00
18
:00
19
:00
20
:00
21
:00
22
:00
23
:00
SEV
AN
JE
TEM
PER
ATU
RA
URA
T okolice [°C] T SFP [°C] Sevanje [W/m2]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 34 -
Slika 5.13: Tokovnice gibanja zraka v notranjosti naprave
V poglavju 3.5 sem predpostavil, da v notranjosti naprave ni turbulentnega toka. Iz
rezultatov simulacije na sliki 5.13 lahko sedaj razberem hitrosti in uporabim enačbo [22]
𝑅𝑒 = �̅�∗𝑑
𝜈 (5.1)
Dobljen rezultat 𝑅𝑒 = 1000 kaže, da v napravi res ni turbulentnega toka.
5.3 Skupni rezultati
Kvalitativna primerjava rezultatov temperaturnih in tokovnih polj med različnimi primeri
kaže primerljivo toplotno tokovno polje med posameznimi primeri, kjer pa so vrednosti
spremenljivk kvantitativno drugačne. Med najnižjo in najvišjo temperaturo na izbranem
prerezu je bilo v povprečju približno 25 °C razlike (graf na sliki 5.14), kar pomeni da lahko za
približno oceno stanja v napravi uporabimo obstoječe rezultate in jih smiselno prilagodimo
danim robnim pogojem. Takšna posplošitev je seveda uporabna le, če je zunanja temperatura
med skrajnima temperaturama in želena aplikacija ni temperaturno občutljiva, torej se lahko
gibamo v področju razlike 10 °C.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 35 -
Slika 5.14: Graf razlike med najvišjo in najnižjo temperaturo v Primeru 1 (modro), Primeru 2 (rdeče) in Primeru 3 (zeleno)
Ker poznamo temperature ohišja v posameznem primeru in mere ohišja pri sobni
temperaturi, lahko izračunamo tudi temperaturno razteznost po enačbi [11]
∆𝑙 = 𝛼 ∗ 𝑙0 ∗ ∆𝑇, (5.2)
kjer je:
𝛼 [K-1] - linearna temperaturna razteznost
𝑙0 [mm3] - prvotna dolžina
∆𝑇 [K] - sprememba temperature
Aluminijasto ohišje je največja komponenta naprave, vendar so spremembe dolžine zelo
majhne (tabela 5.2).
Tabela 5.2: Raztezki ohišja
Primer 1 Primer 2 Primer 3
Raztezek -0,23 mm 0,11 mm 0,11 mm
0
5
10
15
20
25
30
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 36 -
Slika 5.15: Graf temperatur v treh točkah v notranjosti naprave v Primeru 1 (modro), Primeru 2 (rdeče), Primeru 3 (zeleno)
Čeprav graf na sliki 5.14 prikazuje primerljive razlike med najvišjo in najnižjo
temperaturo, bi morali elektronski deli med obratovanjem najverjetneje imeti temperaturo
višjo od ledišča (moder graf SFP in CM na sliki 5.15).
Dobljeni rezultati sicer potrjujejo delovanje v takšnih ekstremnih pogojih, kar je bil tudi
glavni namen diplomskega dela, vendar bi bilo v primeru ponovitve numeričnega preračuna z
manj poenostavitvami predhodno koristno narediti analizo vseh elektronskih virov toplote v
določenem režimu obratovanja (konstantno delovanje, občasno vklapljanje, polna
obremenitev).
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
SFP CM Nosilec
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 37 -
6 TEMPERATURA ELEKTRONSKIH KOMPONENT
Za lažjo predstavo o segrevanju posameznih delov sem uporabil termalno kamero Seek
Thermal za mobilne naprave in pripadajočo aplikacijo. Elektronski deli so bili sicer priklopljeni
izven ohišja. V zaprti napravi je hlajenje delov slabše kot zunaj, kljub temu pa lahko na sliki 6.1
vidimo osnovno ploščo, kjer so razlike v temperaturi posameznih delov enostavno opazne.
Osnovna plošča se pri delovanju najbolj zagreje in na najbolj vročih delih doseže tudi več kot
45 °C, najhladnejši deli na sliki pa so vtičnice za zunanje naprave in kable, ki so bili v opravljenih
simulacijah zaradi poenostavitve odstranjeni. Slika 6.2 prikazuje veliko hladnejšo kamero, kjer
so temperature takšne, kot v hladnejših delih osnovne plošče, okoli 30 °C, torej se pri
delovanju ne segreva toliko kot osnovna plošča.
Slika 6.1: Posnetek s termalno kamero – osnovna plošča med delovanjem
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 38 -
Slika 6.2: Posnetek s termalno kamero – Raspberry Pi kamera med delovanjem
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 39 -
7 SKLEP
Namen naloge je bil ovrednotiti vpliv zunanjih in notranjih virov toplote na stabilnost
povezave brezžičnega optičnega sistema za prenos podatkov. Pri zunanjih virih je bila
upoštevana temperatura okolice naprave in sončno sevanje, notranji viri pa so bile vse
elektronske komponente, ki se pri delovanju segrevajo. Z opravljenimi simulacijami je bila
opravljena numerična analiza, ki je z analitičnim preračunom praktično neizvedljiva. Priprava
analize je zahtevala poenostavitev obstoječega CAD modela naprave, pri čemer je bilo
potrebno ohraniti vse pomembnejše elemente za določitev toplotno tokovnih razmer v
napravi. Model tako ni vseboval vijakov, tesnil in podrobnosti na elektronskih komponentah,
vsi nosilci in drugi večji deli pa so bili prilagojeni osnovnim geometrijskim oblikam.
Analiza je pokazala, da v posameznih delih naprave ne prihaja do večjih temperaturnih
odstopanj, ki bi kazale na akumulacijo toplote na posameznih konstrukcijskih delih naprave,
tudi temperature elektronskih delov so v obeh skrajnih primerih v obratovalnem območju
komponent in ne zahtevajo dodatnih grelnih teles ali hladilnih reber. Enakomerna
razporeditev temperatur po celotni napravi kaže tudi, da ni potrebe po ventilatorjih, ki bi zrak
v notranjosti premešali. V tem primeru bi model moral vsebovati veliko več podrobnosti, tudi
vse kable, saj bi bilo pri prisilni konvekciji zelo pomembno kroženje zraka in s tem povezana
pravilna namestitev ventilatorjev in po potrebi usmerjevalnikov zračnega toka. Razlika v
rezultatih med simulacijo z vključenim sevanjem ali brez njega kaže tudi na možnost zniževanja
temperature z zagotavljanjem sence. Naprava bi tako lahko bila po potrebi postavljena pod
nadstreški ali z dodano strešico nad postavljenim kompletom potrebnih komponent, vidnih na
sliki 1.2.
Kljub poenostavljenemu modelu rezultati kažejo, da je pridobljeno znanje iz razvoja
prototipov pripomoglo k dobri zasnovi naprave. Le-ta je kompaktna, vendar še vedno dovolj
prostorna, da komponente v notranjosti niso preveč natlačene. Vpliv temperature na
raztezanje je tako majhen, da se je v prihodnje bolje posvetiti zagotavljanju stabilnosti naprave
zaradi vpliva vetra in iskanja oz. zagotovitvi primernega mesta za montažo zaradi raztezanja in
krčenja materialov nosilne zgradbe.
Če se v prihodnosti izkaže potreba po natančnejših rezultatih za morebitne spremembe
v konstrukciji, bi bilo najprej potrebno opraviti analizo porabe elektronskih komponent
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 40 -
oziroma točno določiti lokacije in jakosti izvorov toplote. Ob tem bi bilo smiselno uporabiti
več podrobnosti vseh komponent, elektronskih in konstrukcijskih, razmisliti pa tudi o kablih.
Nadgradnja obstaja tudi v smeri časovno odvisnega numeričnega preračuna.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 41 -
8 SEZNAM UPORABLJENIH VIROV
[1] Koruza [splet], Dosegljivo: http://www.koruza.net/ [Datum dostopa: 11. 7. 2017].
[2] University of Missouri-Rolla [splet], Dosegljivo:
http://web.mst.edu/~mobildat/Free%20Space%20Optics/ [Datum dostopa: 15. 7.
2017].
[3] A. Malik in S. Preeti. Free Space Optics: Current Applications and Future Challenges,
(2015) International Journal of Optics, 2015. Dosegljivo:
https://www.hindawi.com/journals/ijo/2015/945483/ [Datum dostopa: 15. 7. 2017].
[4] Wikipedia - FSO [splet], Dosegljivo: https://en.wikipedia.org/wiki/Free-
space_optical_communication [Datum dostopa: 20. 6. 2017].
[5] Koruza Features [splet], Dosegljivo: http://www.koruza.net/features/ [Datum dostopa:
14. 8. 2017].
[6] Techopedia [splet], Dosegljivo: https://www.techopedia.com/definition/24942/optical-
communication [Datum dostopa: 15. 8. 2017].
[7] Koruza Specs [splet], Dosegljivo: http://www.koruza.net/specs/ [Datum dostopa: 14. 8.
2017].
[8] IRNAS Github [splet], Dosegljivo: https://github.com/IRNAS/FSO-systems [Datum
dostopa: 6. 8. 2017].
[9] Koruza Scientific Zgodovina [splet], Dosegljivo: http://scientific.koruza.net/history/
[Datum dostopa: 11. 7. 2017].
[10] Koruza Scientific Test [splet], Dosegljivo: http://scientific.koruza.net/testing/ [Datum
dostopa: 11. 7. 2017].
[11] J. D. Anderson Jr., Computational Fluid Dynamics, New York: McGraw-Hill, Inc., 1995.
[12] B. Kraut, Krautov strojniški priročnik, 15. izdaja, Ljubljana: Littera picta, 2011.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 42 -
[13] Wikipedia - FR-4 [splet], Dosegljivo: https://en.wikipedia.org/wiki/FR-4 [Datum
dostopa: 18. 7. 2017].
[14] IGUS [splet], Dosegljivo: http://www.igus.eu/wpck/1859/iglidur_G_Werkstoffdaten
[Datum dostopa: 18. 7. 2017].
[15] The Engineering ToolBox [splet], Dosegljivo: http://www.engineering-toolbox.com
[Datum dostopa: 24. 8. 2017].
[16] ANSYS Release 18.0, ANSYS® Help Viewer 18.0.0: CFX, SAS IP, Inc, 2016.
[17] Wikipedia - IP code [splet], Dosegljivo: https://en.wikipedia.org/wiki/IP_Code [Datum
dostopa: 14. 8. 2017].
[18] L. Škerget, J. Ravnik, Prenosni pojavi 2. del. Prenos toplote, Maribor: Fakulteta za
strojništvo, 2011.
[19] A. Alujevič, P. Škerget, Prenos toplote, Maribor: Tehniška fakulteta Maribor, 1990.
[20] Engineering Toolbox - Emissivity Coefficients [splet], Dosegljivo:
http://www.engineeringtoolbox.com/emissivity-coefficients-d_447.html [Datum
dostopa: 20. 8. 2017].
[21] M. Zadravec, Računalniške simulacije prenosnih pojavov, Neobjavljeno gradivo za
študijsko leto 2015/2016.
[22] L. Škerget, Mehanika tekočin, Maribor: Tehniška fakulteta, 1994.
[23] Agencija RS za okolje [splet], Dosegljivo: http://meteo.arso.gov.si/met/sl/archive/
[Datum dostopa: 22. 8. 2017].
[24] Agencija RS za okolje - napovedi in podatki [splet], Dosegljivo:
http://www.arso.gov.si/vreme/napovedi%20in%20podatki/vreme_avt.html [Datum
dostopa: 22. 8. 2017].
[25] WhatIs Techtarget [splet], Dosegljivo: http://whatis.techtarget.com/definition/free-
space-optics-FSO [Datum dostopa: 17. 7. 2017].
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 43 -
9 PRILOGE
Priloga 9.1: Spremljanje dnevne spremembe temperature v notranjosti naprave
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 44 -
LETALIŠČE EDVARDA RUSJANA MARIBOR
T [°C]
globalno sev. [W/m2]
20.08.2017 00:00 14.6 0
20.08.2017 00:30 14.5 0
20.08.2017 01:00 14.6 0
20.08.2017 01:30 14.5 0
20.08.2017 02:00 14.9 0
20.08.2017 02:30 14.4 0
20.08.2017 03:00 14.6 0
20.08.2017 03:30 15 0
20.08.2017 04:00 14.9 0
20.08.2017 04:30 14.1 0
20.08.2017 05:00 13.7 0
20.08.2017 05:30 13.8 4
20.08.2017 06:00 14 44
20.08.2017 06:30 14.5 97
20.08.2017 07:00 15.6 208
20.08.2017 07:30 16.1 250
20.08.2017 08:00 16.3 193
20.08.2017 08:30 17.1 347
20.08.2017 09:00 19.2 532
20.08.2017 09:30 19.7 613
20.08.2017 10:00 19.9 646
20.08.2017 10:30 20.5 634
20.08.2017 11:00 21.5 743
20.08.2017 11:30 20.6 668
20.08.2017 12:00 21 598
20.08.2017 12:30 21.7 794
20.08.2017 13:00 22.4 855
20.08.2017 13:30 22.5 680
20.08.2017 14:00 22.5 593
20.08.2017 14:30 22.4 559
20.08.2017 15:00 22 390
20.08.2017 15:30 19.7 127
20.08.2017 16:00 19.1 81
20.08.2017 16:30 19.6 95
20.08.2017 17:00 20.1 203
20.08.2017 17:30 19.9 118
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 45 -
20.08.2017 18:00 20.5 147
20.08.2017 18:30 20.4 53
20.08.2017 19:00 18.2 2
20.08.2017 19:30 17.3 0
20.08.2017 20:00 16.6 0
20.08.2017 20:30 16.3 0
20.08.2017 21:00 15.8 0
20.08.2017 21:30 15.5 0
20.08.2017 22:00 14.9 0
20.08.2017 22:30 14.4 0
20.08.2017 23:00 14 0
20.08.2017 23:30 14.3 0
Priloga 9.2: Podatki vremenske postaje za 20. 8. 2017 [23]