4 POČÍTAČOVÉ MODELY DETERMINISTICKÉ. VYUŽITÍ SLOŽITÉ OKRAJOVÉ PODMÍNKY V SIMULAČNÍM MODELU

Transkript

1 4 POČÍTAČOVÉ MODELY DETERMINISTICKÉ. VYUŽITÍ SLOŽITÉ OKRAJOVÉ PODMÍNKY V SIMULAČNÍM MODELU Počítačové modely deterministické využívající numerickou metodu konečných prvků (MKP). Tvorba simulačního modelu se složitou okrajovou podmínkou s využitím prostředků výpočetního systému Cosmos/M. Modelování přenosu tepla z pohybujícího se tepelného zdroje do vzorku materiálu. Použití nadstavbového software pro přípravu časově i prostorově proměnné okrajové podmínky na zatěžovaném povrchu vzorku. 1

2 4.1 CÍL CVIČENÍ Seznámit se s problematikou povlakových tepelných bariér (TBC), plazmovým nástřikem a tepelným zatěžováním TBC. Blíže se seznámit se simulačním modelem dynamického tepelného zatěžování vzorků TBC, který se používá pro vyhodnocení účinnosti TBC při nízkých teplotách. Provést porovnání teplot ve vzorku s TBC získaných experimentálně a z počítačového modelu pro již nalezený přestup tepla z hořáku do vzorku. Provést simulaci dynamického tepelného zatěžování vzorků TBC při 5 cyklech (periodách) pojezdu hořáku nad vzorkem po stejné trati pro dva různé přestupy tepla do vzorku. Vzájemně porovnat obě varianty simulace. 4.2 TEPELNÉ PROCESY V TBC PŘI PŮSOBENÍ TEPELNÉHO RÁZU ZÁKLADNÍ ÚDAJE Z PREZENTACE Problematika TBC Motivace, struktura, funkce, vytváření a použití TBC Plazmový nástřik TBC Příprava vzorku, technologie plazmového nástřiku, nástřikové materiály Tepelné zatěžování TBC Tepelné zatěžování Technologie zatěžování, statické a dynamické zatěžování, měření při zatěžování Emisivita materiálů Emisivita materiálů ve spektrálním rozsahu 7,5 13 μm a 0,8 1,8 μm Teploty při dynamickém tepelném zatěžování Teploty měření termočlánky a měřené termovizní kamerou Tepelně izolační účinnost TBC při nízkých teplotách Dynamické zatěžování 2

3 4.2.4 Simulační model dynamického tepelného zatěžování vzorků TBC Popis simulačního modelu geometrie, výpočetní síť, počáteční podmínky, příprava a zadávání okrajových podmínek, nastavení parametrů výpočtu. V nadstavbovém software Def_Cos_OP je připraven skriptový soubor, který se následně spouští ve výpočetním systému Cosmos/M a zahrnuje tvorbu simulačního modelu, výpočet a částečné vyhodnocení výsledků. Specifické vyhodnocení výsledků odlišné pro jednotlivé samostatné úkoly se provádí ručně. 4.3 POUŽÍVANÝ SOFTWARE Nadstavbový software Def_Cos_OP Software Def_Cos_OP tvoří ve spolupráci s výpočetním systémem Cosmos/M simulační model tepelného procesu ohřevu vzorku při nástřiku nebo tepelném zatěžování. Prostřednictvím Def_Cos_OP se zadávají vstupní data a připravuje se složitá okrajová podmínka na zatěžovaném povrchu vzorku Výpočetní systém Cosmos/M Cosmos/M je modulární výpočetní systém založený na metodě konečných prvků vyvinutý firmou SRAC. Celý systém má rozsáhlé možnosti použití při výpočtech tepelných, mechanických, únavových, optimalizačních, elektromagnetických aj. analýz. Úplná modularita umožňuje získat a provozovat pouze potřebné moduly. Podrobnější informace o software Cosmos/M je možné získat v programové dokumentaci (manuálu) tohoto systému. 4.4 MODELOVÁNÍ TEPELNÉHO PROCESU PŘI DYNAMICKÉM ZATĚŽOVÁNÍ POVLAKOVÝCH TEPELNÝCH BARIÉR V úloze je modelován tepelný proces ve vzorku s povlakovou tepelnou bariérou při jejím dynamickém tepelném zatěžování působením pohybujícího se hořáku. Schéma úlohy je na obr Popis úlohy Je řešena 2D nestacionární úloha šíření tepla ve vzorku s TBC. Geometrie se skládá pouze z řezu vzorkem, viz. obr. 1, a obsahuje pouze substrát. Přítomnost a vliv povlakové tepelné bariéry se zahrnuje do součinitele přestupu tepla na horním povrchu vzorku, který je dynamicky zatěžován. Složitá příprava okrajové podmínky 3. druhu na zatěžovaném povrchu vzorku je popsána v části

4 Obr. 1 Schéma úlohy. Rozměry vzorku, materiálové vlastnosti, počáteční podmínka pro teplotu, okrajové podmínky na zatěžovaném povrchu vzorku i na ostatních površích vzorku jsou již zadány v nadstavbovém software Def_Cos_OP. ZÁKLADNÍ ÚDAJE O MODELU. Modelovány jsou tři dynamická tepelná zatěžování vzorku podle jednotlivých samostatných úkolů s využitím 2D přímých nestacionárních úloh Samostatné úkoly 1) Porovnání měřených a modelových teplot ve vzorku s TBC Provést simulaci ohřevu vzorku III s TBC v již sestaveném simulačním modelu dynamického tepelného zatěžování, jehož proměnné parametry jsou již nafitovány na provedené experimentální zatěžování. Porovnat naměřené teploty s vypočítanými, porovnání provést přímo v nadstavbovém software Def_Cos_OP. 2) Provedení modelového ohřevu vzorku s TBC při plném přestupu tepla Při použití modelu dynamického tepelného zatěžování vzorku III s TBC provést simulaci ohřevu při plném přestupu tepla pro 5 cyklů (period) pojezdu hořáku nad vzorkem po stejné trati, tj. pohyb mezi x = 0,25 a x = 0,05 m. Perioda pojezdu hořáku je 6 s (skupina 1), 9 s (skupina 2) a 12 s (skupina 3), v úvratích pojezdu hořáku nejsou žádné časové prodlevy. (Perioda pojezdu znamená dva pojezdy hořáku nad vzorkem.) Časový krok výpočtu nastavit na 0,1 s (pro periody pojezdu 6 a 9 s) a 0,2 s (pro periodu pojezdu 12 s). 3) Provedení modelového ohřevu vzorku s TBC při redukovaném přestupu tepla Při použití modelu dynamického tepelného zatěžování vzorku III s TBC provést simulaci ohřevu vzorku při 80 % přestupu tepla pro stejný pohyb hořáku jako v případě plného přestupu tepla. 4

5 4.4.3 Postup řešení úloh 1) Porovnání měřených a modelových teplot ve vzorku s TBC Spustit nadstavbový software Def_Cos_OP v příslušném adresáři. Z předpřipravených parametrů se provede výpočet součinitelů přestupu tepla stiskem tlačítka v záložce PŘESTUP TEPLA. Poté se provede export již předpřipravených parametrů v Def_Cos_OP do Cosmos/M příkazem COSMOS -> EXPORT SOUBORŮ. Vlastní výpočet v Cosmos/M je nutno spustit ručně, tj. spustit modul Geostar přímo z podadresáře Cosmos (v příkazové řádce napsat GSTAR128). Příkazem FILE -> OPEN lze načíst úlohu v souboru NOVY.gen v tomto podadresáři Cosmos, pokud chcete provádět nový výpočet, je nutné vymazat starou úlohu příkazem `new, NOVY. Je též možné si vytvořit svojí vlastní úlohu příkazem FILE -> NEW a zadat název své úlohy. Poté příkazem FILE -> LOAD načíst skriptový soubor defcos.cos v podadresáři Cosmos, který obsahuje veškeré příkazy výpočetního systému Cosmos/M pro definici simulačního modelu, provedení výpočtu a uložení výsledných dat. Načíst výsledky do Def_Cos_OP a porovnat měřené průběhy s vypočtenými v záložce VÝSLEDKY, pro zobrazení grafu je nuné kliknout do oblasti grafu, ve spodním grafu lze přepínat rozdíly a rychlosti ohřevu (časovou derivaci teploty). Pro vizuální porovnání stačí využít graf zobrazený na záložce VÝSLEDKY, do referátu pak vložit graf v Excelu z naměřených teplot uložených v souboru mereni.txt a vypočítaných teplot v souboru vypocet.txt. Pozn: Pokud se stiskne export souborů pro Cosmos/M v Def_Cos_OP, tak se již musí provést výpočet v Cosmos/M, neboť se automaticky vymaže obsah souboru vypocet.txt, odkud se načítají vypočítané teploty do Def_Cos_OP. Pozn: Předem je třeba nastavit ve Windows desetinnou tečku. Místní nastavení -> Čeština -> Čísla -> Desetinný oddělovač nastavit na desetinnou tečku. 2) Provedení modelového ohřevu vzorku s TBC při plném přestupu tepla Upravit parametry v nadstavbovém software Def_Cos_OP pro pohyb hořáku, celkový čas procesu a časový krok. To se provádí příkazy v záložce CHLADNUTÍ a záložce POHYB. Celkový čas procesu a časový krok se zadává dvakrát, v každé záložce samostatně. Polohu hořáku v osách x a y vždy nastavit o 1 s déle než celkový čas procesu, tj. v poslední úvrati nechat hořák stát po dobu 1 s. (Pokud je celkový čas procesu např. 100 s, tak předepsat pohybu hořáku až do času 101 s.) Nechat spočítat časové průběhy součinitele přestupu tepla pro všechny povrchové elementy modelu příkazem stiskem tlačítka v záložce PŘESTUP TEPLA. Poté se provede export již předpřipravených parametrů v Def_Cos_OP do Cosmos/M příkazem COSMOS -> EXPORT SOUBORŮ. 5

6 Vlastní výpočet v Cosmos/M je nutno spustit ručně, tj. spustit modul Geostar přímo z podadresáře Cosmos (v příkazové řádce napsat GSTAR128). Příkazem FILE -> OPEN lze načíst úlohu v souboru NOVY.gen v tomto podadresáři Cosmos, pokud chcete provádět nový výpočet, je nutné vymazat starou úlohu příkazem `new, NOVY. Je též možné si vytvořit svojí vlastní úlohu příkazem FILE -> NEW a zadat název své úlohy. Poté příkazem FILE -> LOAD načíst skriptový soubor defcos.cos v podadresáři Cosmos, který obsahuje veškeré příkazy výpočetního systému Cosmos/M pro definici simulačního modelu, provedení výpočtu a uložení výsledných dat. Vykreslit přímo v Cosmos/M potřebné rozložení veličin (uložit do obrázků.bmp) a potřebné průběhy veličin (uložit číselná data grafů do textových souborů). Bližší popis k postupu vykreslení rozložení veličin a časových průběhů veličin ve výpočetním systému Cosmos/M je v části 4.6. Pozn: Do Def_Cos_OP se zpět již nic nenačítá, protože tato varianta výpočtu (perioda pojezdu 6, 9 a 12 s) je jen simulovaná (toto tepelné zatěžování nebylo měřeno). 3) Provedení modelového ohřevu vzorku s TBC při redukovaném přestupu tepla Upravit parametry v nadstavbovém software Def_Cos_OP pro součinitel přestupu tepla v závislosti na vzdálenosti od osy hořáku, což se provede v záložce OHŘEV. Nechat spočítat časové průběhy součinitele přestupu tepla pro všechny povrchové elementy modelu příkazem stiskem tlačítka v záložce PŘESTUP TEPLA. Poté se provede export již předpřipravených parametrů v Def_Cos_OP do Cosmos/M příkazem COSMOS -> EXPORT SOUBORŮ. Vlastní výpočet v Cosmos/M je nutno spustit ručně, tj. spustit modul Geostar přímo z podadresáře Cosmos (v příkazové řádce napsat GSTAR128). Příkazem FILE -> OPEN lze načíst úlohu v souboru NOVY.gen v tomto podadresáři Cosmos, pokud chcete provádět nový výpočet, je nutné vymazat starou úlohu příkazem `new, NOVY. Je též možné si vytvořit svojí vlastní úlohu příkazem FILE -> NEW a zadat název své úlohy. Poté příkazem FILE -> LOAD načíst skriptový soubor defcos.cos v podadresáři Cosmos, který obsahuje veškeré příkazy výpočetního systému Cosmos/M pro definici simulačního modelu, provedení výpočtu a uložení výsledných dat. Vykreslit přímo v Cosmos/M potřebné rozložení veličin (uložit do obrázků.bmp) a potřebné průběhy veličin (uložit číselná data grafů do textových souborů). Bližší popis k postupu vykreslení rozložení veličin a časových průběhů veličin ve výpočetním systému Cosmos/M je v části 4.6. Pozn: Do Def_Cos_OP se zpět již nic nenačítá, protože tato varianta výpočtu (perioda pojezdu 6, 9 a 12 s) je jen simulovaná (toto tepelné zatěžování nebylo měřeno). 6

7 4.4.4 Výsledky a zhodnocení 1) Porovnání měřených a modelových teplot ve vzorku s TBC Porovnat naměřené průběhy teplot s vypočtenými při prvním pojezdu hořáku nad vzorkem. Průběhy teplot vložit dohromady do jednoho grafu (1 obrázek). Diskutovat možnosti tohoto modelu při simulaci více pojezdů hořáku nad vzorkem (s ohledem na definici okrajových podmínek a dimenzi modelu) 2) Provedení modelového ohřevu vzorku s TBC při plném přestupu tepla Vyhodnotit rozložení teploty, dále složek tepelného toku ve směru jednotlivých souřadných os a celkového tepelného roku v čase, kdy je hořák nad středem vzorku při prvním a desátém pojezdu. Každé rozložení veličiny vložit jako samostatný obrázek (8 obrázků). Diskutovat velikost složek tepelného toku v osách x a y (osa x směřuje je od levého kraje substrátu k pravému, osa y směřuje od spodního kraje substrátu k hornímu zatěžovanému). Porovnáváním rozložení teploty a celkového tepelného toku zjistit vzájemnou polohu maxima teploty povrchu vzorku vůči poloze hořáku v časech, kdy je hořák nad středem vzorku při prvním a desátém pojezdu. Vyhodnotit průběhy povrchové teploty vzorku na jeho krajích, čtvrtině, polovině a třech čtvrtinách délky vzorku (x = 0,1; 0,125; 0,15; 0,175; 0,2). Průběhy teploty ve všech místech po povrchu vložit dohromady do jednoho grafu (1 obrázek). Diskutovat vzájemné posunutí maxim teplotních průběhů. Vyhodnotit teplotní průběhy uprostřed vzorku na povrchu a v hloubkách 1, 2, 5 a 10 mm pod povrchem. Průběhy teploty ve všech místech po hloubce vložit dohromady do jednoho grafu (1 obrázek). Diskutovat vzájemné posunutí maxim teplotních průběhů. 3) Provedení modelového ohřevu vzorku s TBC při redukovaném přestupu tepla Vyhodnotit teplotní průběhy uprostřed vzorku na povrchu a v hloubkách 1, 2, 5 a 10 mm pod povrchem. Průběhy teploty ve všech místech po hloubce vložit dohromady do jednoho grafu (1 obrázek). Porovnat tyto teplotní průběhy po hloubce při plném a redukovaném přestupu tepla. 7

8 4.5 POKYNY PRO VYPRACOVÁNÍ PÍSEMNÉHO REFERÁTU A KONTROLNÍ OTÁZKY Obsah referátu V části teoretický úvod stručně popsat: Základní věci týkající se povlakových tepelných bariér, tzn. popis TBC, její funkce, materiály a použití. V části metody zpracování stručně popsat: Popis postupu tvorby simulačních modelů úloh z 4.4, tzn. geometrie, výpočetní sítě, okrajové a počáteční podmínky, materiálové vlastnosti a pohyb hořáku. V části výsledky a diskuze uvést: Výsledky všech výpočtů úloh (1), (2) a (3), tzn. příslušné grafy a obrázky všech získaných výsledků podle Diskuze ke všem uvedeným výsledkům Kontrolní otázky Ochrana materiálu před účinky vysokých teplot a tepelných rázů. Charakteristika, materiály a použití povlakových tepelných bariér. Tepelné zatěžování povlakových tepelných bariér jako metoda určování jejich tepelně izolační účinnosti. Tvorba simulačního modelu úlohy tepelného zatěžování TBC. Rozložení teploty a celkového tepelného toku ve vzorku při dynamickém tepelném zatěžování, časové průběhy pro různá místa na povrchu vzorku a pro různé hloubky pod povrchem. Pozice maxima teploty a celkového tepelného toku na povrchu vzorku co určují a jaké je jejich vzájemné posunutí. 8

9 4.6 TECHNICKÉ DETAILY POSTUPŮ VE VÝPOČETNÍM SYSTÉMU COSMOS/M Zobrazování, práce se skriptovým souborem 1. Načtení rozpracované úlohy v systému Cosmos/M se provádí příkazem FILE -> OPEN, kde se nalezne příslušný soubor s úlohou, což je soubor s příponou.geo. 2. Vymazání okna pracovní plochy Cosmos/M se provede příkazem cls; nebo ikonkou Clear screen v dolní části Geo Panel. 3. Nastavení pohledu 3D, 2D v různých směrech (View) se provádí ikonkou Dalekohled ve střední části Geo Panel. 4. Zvětšování a zmenšování (Zoom in, Zoom out, Scale, Auto Scale), posuv (Translate), rotace (Rotate) se provádí ikonkami a posuvníky umístěnými ve střední a dolní části Geo Panel. 5. Nastavení bílého pozadí okna pracovní plochy Cosmos/M se provede nastavením Foreground color na černou, Background color na bílou, Axis color na černou. Poté se nechá překreslit okno pracovní plochy Cosmos/M příkazy Clear screen a Replot, všechny ikonky jsou umístěny ve spodní části Geo Panel. Při vykreslování rozložení veličin je nutné ještě nastavit barvu písma na černou příkazem RESULTS -> SETUP -> COLOR/VALUE RANGE, zde první dotazovací okno potvrdit beze změn tlačítkem Continue a ve druhém okně nastavit Chart color na černou. 6. Uložení části okna pracovní plochy Cosmos/M jako obrázek ve formátu.bmp se provede příkazem FILE -> SAVE IMAGE FILE. Je nutné zadat název souboru a poté levý horní bod a pravý spodní bod plochy, která se má uložit. Při ukládání rozložení veličin je vhodné samostatně ukládat samotné pole veličin a samotnou stupnici s hodnotami (při současném ukládání a vkládání obrázku do referátu dojde ke zmenšení obrázku a tím ke zhoršené čitelnosti textu ve stupnici). 7. Veškeré prováděné příkazy se automaticky ukládají do skriptového souboru, který lze uložit i ručně příkazem FILE -> SAVE SESSION FILE. Načtení a provedení všech příkazů skriptového souboru se provádí příkazem FILE -> LOAD, kde se dále příkazem Find nalezne příslušný skriptový soubor, což je soubor s příponou.ses (Session File) Vykreslení rozložení teplot (gradientů, tepelných toků) 1. Rozložení teplot (gradientů, tepelných toků) se provede příkazem RESULTS -> PLOT -> THERMAL. Je nutné zadat Time step number, ve kterém se zobrazí výsledné pole (což je požadovaný čas děleno časový krok výpočtu) a zobrazovanou veličinu. Plnobarevné rozložení hodnot vybrané veličiny se provede příkazem Contour Plot. 2. Pokud je potřeba vykreslit rozložení teplot (tepelných toků) bez hran výpočetních elementů, je potřeba před tím příkazem DISPLAY -> DISPLAY OPTION -> SET BOUND PLOT nastavit Boundary plot na hodnotu 0: None Vykreslení časových průběhů teplot (gradientů, tepelných toků) 1. Pro vykreslení průběhů teplot (gradientů, tepelných toků) ve vybraných uzlech je nutné neprve zjistit příslušná čísla uzlů. Příkazem GEOMETRY -> POINTS -> EDITING 9

10 ->PLOT se vykreslí body geometrie. Příkazem MESHING -> NODES -> PLOT se vykreslí uzly výpočetní sítě. Příkazem MESHING -> NODES -> IDENTIFY se po kliknutí na příslušný uzel zobrazí jeho souřadnice a pořadové číslo. 2. Vykreslované veličiny v požadovaných uzlech se nadefinují příkazem DISPLAY -> XY PLOTS -> ACTIVATE POST-PROC. Zde se uvede číslo křivky v grafu (pozor je to nazvané jako Graph number, tuto hodnotu je potřeba zvyšovat), provede se výběr požadované veličiny a zadá se číslo uzlu, ve kterém se má veličina vykreslit. Tímto způsobem se nadefinují všechny křivky v grafu, tj. všechy uzly ve kterých se zobrazí průběh hodnot veličiny. 3. Příslušný graf se pak zobrazí příkazem DISPLAY -> XY PLOTS -> PLOT CURVES. Je vhodné tímto způsobem křivky pouze zobrazovat. Vlastní zpracování grafů do referátu se provádí v Excelu. Vypsání hodnot pro křivky v grafu se provede příkazem DISPLAY -> XY PLOTS -> LIST POINTS. Tuto matici hodnot je nutné zkopírovat a uložit do souboru (provádí se stiskem pravého tlačítka myši na okně s příslušným výpisem a výběrem položky Copy). 10

11 4.7 NADSTAVBOVÝ SOFTWARE DEF_COS_OP Obr. 2 Popis mat. vlastností vzorku. Obr. 3 Popis ohřevu vzorku. Obr. 4 Popis chladnutí vzorku. Obr. 5 Popis pohybu hořáku. 11

12 Obr. 6 Výpočet koeficientů přestupu tepla Obr. 7 Automaticky sestavené soubory pro jednotlivé elementy modelu. definující úlohu v Cosmos/M. Obr. 8 Komunikace s Cosmos/M. Obr. 9 Analýza výsledků. 12