Álláshirdetések
Events / Courses
Legfrissebb híreink
Ellephetik a gyárakat az emberszabású robotok
2024.05.21 12:22
Törökország felé kerülnék meg az EU-s vámokat a kínai gyártók
2024.05.21 09:19
Bebiztosítja a gépgyártókat a hiba ellen a Röhm megoldása
2024.05.21 08:22
Autopro Blog
Autopro a Facebookon
Galériáink
Áramlástani modellezés segíti a vasúti légszárító tartályok újratervezését
Dr. Balogh Miklós (balra) és Zádeczki Zalán | Fotó: Knorr-Bremse Budapest
A Knorr-Bremse Rail Systems Budapest és a BME Gépészmérnöki Kara 2016 óta dolgozik együtt olyan kutatási projekteken, amelyek a jövő anyagait, technológiáit és módszereit adják majd a járműgyártásban. Az együttműködés keretében a legtehetségesebb hallgatók projektfeladat, szakdolgozat, diplomamunka, illetve PhD kutatás keretében Knorr-Bremse Ösztöndíjasként kapcsolódhatnak be a vállalat innovációs tevékenységébe. Interjúnkban Demus Tamást és Dr. Varga Attilát, a Knorr-Bremse Budapest mérnökeit, valamint Zádeczki Zalánt, a BME Gépészmérnöki Kar Áramlástani Tanszékének hallgatóját és Dr. Balogh Miklóst, a BME Gépészmérnöki Kar Áramlástani Tanszékének adjunktusát kérdeztük arról, hogyan segíthetnek a numerikus áramlási szimulációk az optimális termékdizájn kialakításában.
Mekkora előrelépés a vasúti fékrendszerek tervezésében a légszárító berendezés szimulációja?
Dr. Varga Attila: A numerikus módszerek, szimulációk mára az ipar minden szegmensében jelen vannak. Az előrelépés abban mutatkozik, hogy a légszárító berendezések működéséhez tartozó jelenségeket először külön-külön próbáljuk leírni numerikus úton. Ezek például a szemcsés anyagon keresztüli áramlás, zajkeltés, szárítás, de ide tartozik a légszárító tartály desszikáns anyaggal való feltöltése is. Ha ezeket a folyamatokat jó közelítéssel le tudjuk írni áramlástani és például diszkrét elemes modellek segítségével akkor elérhetővé válik a pneumatikus fékrendszerekben található légszárító berendezések kialakításának optimalizálása. A cikk tárgyát képező projektben ösztöndíjasaink azt vizsgálták, hogy a légszárítóban lévő desszikáns anyaghalmaz egy „szeletén” hogyan áramlik át a levegő. Lényegében kifejlesztették a légszárító tartályok numerikus áramlástani módszertanát, mellyel akár az egész légszárító berendezés szimulációja is megvalósítható. A módszerrel pontos képet kaphatunk az áramló levegő útjáról, nyomásáról, sebességéről. Továbbá összehasonlíthatóvá válnak a lazább és tömörebb desszikáns anyaghalmazok, melyek előállítása a feltöltési technikától függ. A teljes rendszerre nézve rengeteg paramétert és azok kereszthatásait (amikről most még nem is tudunk) is figyelembe kell venni. Rendkívül komplex a feladat, de úgy érzem jó úton haladunk. Amit viszont biztosan állíthatok, hogy már most rengeteg tudást szereztük az együttműködésnek köszönhetően.
Demus Tamás: A szimuláció a vasúti tervezésben elterjedt, általánosan használt eszköznek számít. Lényegesen olcsóbb számításokat végezni, mint megépíteni egy teljes járművet és azon tesztelni. Ugyanakkor ezen szimulációk évről-évre fejlődnek, eleinte a szilárdsági számításokat segítették, majd megjelentek az áramlástani szimulációk, MBS és crash szimulációk is. A fontos kérdés mindig az, hogy milyen pontossággal tudjuk megközelíteni a valós eredményt. Ennek megállapítására ad lehetőséget az a tudás, amelyet egységeink tesztelése során szereztünk. Ez adja annak lehetőségét, hogy az általunk alkalmazott áramlási modell sokkal részletesebb lehet egy standard modellnél, és sokkal inkább meg tudja közelíteni a termékeink felépítését. Tekintve a termékben lejátszódó folyamatokat, ezen számítások elég komplexek és nagyon erőforrás igényesek, még mai szemmel nézve is. A kapott eredmények azonban sokkal részletesebb képet festenek a belső folyamatokról, mint amit közvetlen méréssel meg lehetne határozni, ez alapján pedig további pontosító méréseket tudunk végezni. Így lényegét tekintve egy állandó iteratív folyamatot kapunk, ahol a számítási eredményeket mérésekkel próbáljuk igazolni és a mérési tapasztalatokat igyekszünk a számítási modellekbe visszavezetni. A porózus anyagok vizsgálatánál ez fokozottan jelentkezik, hiszen itt az áramlástechnikai szimulációt össze kell majd kötni a szárítóanyag fizikai folyamatával, majd az egész működést különböző környezeti paraméterek figyelembevételével kell leírni. Minden finomítási lépésnél validációs teszteket kell végrehajtanunk, és lépésről lépésre történő igazolással kell a végleges módszertant kialakítani. Természetesen minél inkább ismerjük a berendezés működését, annál több kérdés fog felvetődni, amelyek további fejlesztési lehetőségeket nyújtanak.
Ennek a szimulációnak köszönhetően milyen irányba indulhatnak el a tervezéskor? Hogyan lesznek hatékonyabbak a légszárító berendezések?
DT: A tervezésnek egy fontos lépése a rendszerelemek megfelelő megválasztása. Ahhoz, hogy megfelelő mennyiségű és minőségű levegőt tudjon a rendszer előállítani, minden elemnek teljesítenie kell a rábízott feladatot. Ez nagymértékben függ a rendszer tényleges kialakításától és a környezeti tényezőktől. Gondoljunk csak bele, a levegő páratartalma és a jármű levegőigénye határozza meg, hogy adott idő alatt mennyi levegőt kell szárítani. Ez például Finnországban meglehetősen alacsony érték is lehet, míg a trópusi vidékeken nagyon magas. Hozzátéve ezek időbeli eloszlását, fel kell készülni olyan esetekre, amikor a hirtelen megjelenő nedvességgel is meg kell küzdenie a rendszernek. Ezen üzemállapotok teljesen más terhelést jelentenek a berendezés számára, amelyeket így már átfogóbban tudunk vizsgálni. Ezen körülményeknek történő minél magasabb szintű megfelelés a rendszer gazdaságos kialakításának alapja.
Milyen költségekkel jár egy ilyen szimuláció? Mekkora hasznot hozhat később a módszer az alkatrészek tervezésekor?
DT: Jelen projekt során végzett szimuláció eredményei a rendszerösszeállítást befolyásolják, így nem az egyes alkatrészek tervezése kerül előtérbe, hanem a rendszerelemek megfelelő megválasztása, annak a döntési kritériumnak az érvényre juttatása, amely a leginkább illeszkedik az aktuális projekt igényeihez. Ennek gazdasági hatása akkor fog kibontakozni, amikor az egyes projektigényekre adott válaszokat tudjuk standard megoldásokkal közelíteni, valamint a határterhelések okozta igénybevételeket tudjuk pontosabban leírni. Mindezt anélkül, hogy külön üzemi méréseket kelljen végezni már megvalósított projekteken. Ennek köszönhetően még a tervezési fázis előtt sokkal hatékonyabban illeszthető a rendszer.
A gyakorlatban is fogják használni a szimulációt?
DT: Mindenképpen, alapvetően két felhasználási területen. Elsőként a kapott eredmények továbbfejlesztése és későbbi általánosítása következik. Rendszerint ebből eredeztethető olyan eszköztár, amelyeket az egyes projektek kapcsán hatékonyan lehet alkalmazni. Másik oldalról pedig az új fejlesztések kapcsán, az egyes konstrukciós változtatások megítélésénél jut fontos szerephez, amely során tovább optimalizálhatjuk termékeink működését.
Milyen irányban folytatódhat a kutatás?
VA: Ha pontosan le tudjuk írni a levegő áramlását a légszárító-tartály teljes térfogatában, akkor a lazább és tömörebb halmazon is vizsgálatokat kell végezni. Meg kell határozni a levegő útját, nyomásesését, sebességét, hiszen ezek a paraméterek alapvetően befolyásolják a szárítási teljesítményt és a rendszer zajkeltését. Az eredményeket szorosan össze kell hangolni a jelenleg is futó másik ösztöndíjas pályázattal, ahol a zajkeltési mechanizmusok megismerése és modellezése a vizsgálat tárgya.
DT: A kutatási téma megkívánja az eredmények kiterjesztését nagyobb térfogatokra, valamint ezzel párhuzamosan össze kell kötni a szárítóanyagban lejátszódó folyamatok modellezésével. Ez így már nem csak egy áramlási szimulációt fog eredményezni, hanem egy teljes fizikai állapotváltozást kell szimulálni. Ehhez szükséges további partnerek bevonása is, de ez teszi lehetővé, hogy a légszárító berendezés szárítási képességét nagy részletességgel le tudjuk írni.
Zádeczki Zalán, a BME Gépészmérnöki Kar Áramlástani Tanszékének hallgatója és Dr. Balogh Miklós, a BME Gépészmérnöki Kar Áramlástani Tanszékének adjunktusa:
A természetben sok olyan folyamatot ismerünk, amely kísérleti úton egyáltalán nem, vagy csak nagyon nehezen vizsgálható. Egyes fizikai folyamatok esetén (például magfúzió, időjárási jelenségek, kőzetlemezek mozgása), a valódi jelenségek körülményei nehezen reprodukálhatók, mert az veszélyes, bonyolult vagy egyszerűen csak túl költséges lenne. A numerikus szimulációk használatával a kutatók és a fejlesztők biztonságosan és költséghatékonyan vizsgálhatják a matematikai eszközökkel leírható jelenségek sokaságát, tetszőlegesen választott fizikai körülmények és kényszerek mellett is.
A porózus anyagok, illetve az azokban kialakuló áramlások vizsgálata is egy olyan feladat, amelynél a pórusterekben és pórustorkokban lejátszódó folyamatok pontos megismerése szinte lehetetlen lenne laboratóriumi körülmények között. Ez motiválta a BME egy korábbi ipari együttműködését is, amelynek során egy virtuális, numerikus szimulációkon alapuló kőzetfizikai laboratórium kifejlesztésén fáradoztunk. Ennek célja a mesterségesen előállított kőzetmintákban szivárgó szénhidrogének áramlásainak és fizikai tulajdonságainak megismerése volt, a laboratóriumi mérések kiegészítéseként. Habár ez a korábbi projekt véget ért, a Knorr-Bremse és a BME együttműködése új lehetőséget teremtett a korábban megszerzett tapasztalataink hasznosítására.
A jelenlegi feladat sok szempontból hasonló a korábbihoz, de a körülmények sokat változtak. A szimulációs szoftverek fejlődésének, valamint a számítógépek gyorsan növekvő teljesítményének köszönhetően ma már sokkal több lehetőségünk van, mint akkoriban. Régebben nem használhattuk a numerikus áramlástanban egyeduralkodónak számító véges térfogat módszert a pórus skálájú vizsgálatok során, számítógépeink korlátozott kapacitása, illetve a szoftverek alkalmatlansága miatt. A saját fejlesztésű kódokon alapuló, fizikailag nehezen interpretálható rács-Bolzmann módszert alkalmazva szimulációink akár hetekig is tartottak. Ez is megváltozott a Knorr-Bremse és a BME együttműködésének köszönhetően, amelynek keretében jelentősen bővítettük a rendelkezésre álló számítási kapacitásunkat. Ez teszi lehetővé a szárítópatronban kialakuló pórus skálájú áramlások szimulációit, a korábbinál kifinomultabb módszerekkel, nagyobb térbeli felbontással és rövidebb idő alatt. Ennek köszönhető, hogy egyre nagyobb lépésekkel haladhatunk tovább a teljes szárítópatront magába foglaló szimulációk módszertanának és szoftveres hátterének kidolgozása felé. Ez terveink szerint hatásosan támogatja majd a gyártási folyamat további fejlesztését, illetve a légszárító berendezés optimális, azaz gazdaságosabb és csendesebb kialakítását is. Az együttműködés további előnye, hogy a résztvevő hallgatók ötvözhetik a kutatói és fejlesztői munkát, élvezik az akadémiai és az ipari környezet által biztosított hátteret, és várhatóan láthatják munkájuk gyakorlati hasznosulását is.
