Siemens sử dụng ANSYS Fluent thiết kế hệ thống HVAC cho toa tàu

Bởi: Thomas Plinninger, kỹ sư hệ thống, Siemens Mobility, Munich, Đức và Alexander Hildebrandt, nhóm trưởng, Siemens Mobility, Krefeld, Đức

Ở nhiều nước trên thế giới, phương tiện đi lại bằng tàu hỏa rất phổ biến. Như ở Châu Âu, các hành khách đi trên 475 tỷ kilômét bằng tàu hỏa vào năm 2014, ở châu Á và Trung Đông số lượng lớn hơn gấp 5 lần.

Việc kiểm soát nhiệt độ của các tàu chở khách đang ngày càng trở nên quan trọng do sự gia tăng các quy định của chính phủ và yêu cầu của khách hàng.

Ví dụ, tiêu chuẩn Châu Âu 13129 (EN13129) đưa ra các yêu cầu nghiêm ngặt về kiểm soát nhiệt độ không khí, độ ẩm tương đối và tốc độ không khí trong các toa tàu.

Thiết kế hệ thống điều hòa HVAC cho một toa tàu mới đáp ứng tiêu chuẩn này thường mất bốn tháng thử nghiệm và sửa đổi thiết kế trong đường hầm gió với chi phí hàng ngàn euro mỗi ngày.

Tàu ICE 4 trong đường hầm gió

Trong vài năm qua, các kỹ sư Siemens đã thành công trong việc sử dụng phần mềm ANSYS Fluent CFD để mô phỏng chính xác toa hành khách và đưa ra các kết quả chi tiết phù hợp với các phép đo vật lý. Kết quả mô phỏng có thể được tạo ra trong một khoảng thời gian ngắn so với thời gian cần thiết cho thử nghiệm.

Các toa khách vẫn phải được kiểm tra, đánh giá theo tiêu chuẩn, nhưng thời gian thử nghiệm đã giảm 50% trên các sản phẩm mới nhất, tiết kiệm chi phí thuê đường hầm gió, cũng như tiết kiệm đáng kể chi phí nhân lực và các thiết bị sử dụng.

Những thách thức trong thiết kế HVAC

Tiêu chuẩn Châu Âu đưa ra các yêu cầu trên phạm vi rộng và kiểm soát nhiệt độ trong các tàu khách giữa các thành phố. Nhiệt độ trung bình bên trong có thể thay đổi không quá +/- 1 độ C so với nhiệt độ thiết lập.

Tiêu chuẩn cũng quy định các yêu cầu đối với nhiệt độ bề mặt của vỏ tàu, trần, cửa sổ, khung cửa và sàn, cũng như nhiệt độ bên trong hành lang, phòng tắm và các bộ phận khác của tàu. Cuối cùng, tiêu chuẩn xác định các yêu cầu về độ ẩm tương đối và dòng khí trong tàu.

Các chi tiết bên trong mô hình

Trong các toa khách, khí ấm được cung cấp bởi một hệ thống trên các bức tường,ở bên cạnh sàn . Khí mát được cung cấp bởi một đường ống nằm trong trần tàu với khoảng 30.000 lỗ đường kính 4 mm để đưa không khí vào trong tàu. Trước đây, Siemens dựa vào kinh nghiệm và các thí nghiệm rất tốn kém để hoàn thiện hệ thống HVAC phù hợp với tiêu chuẩn.

Toa tàu được trang bị 500 đến 800 cảm biến, việc này mất khoảng hai tuần. Sau đó, cần khoảng 14 tuần thử nghiệm để đánh giá đầy đủ sự tuân thủ thiết kế của một toa tàu trong nhiều điều kiện khí hậu khác nhau.

Một thử nghiệm làm mát thông thường sẽ được thực hiện, với mỗi chỗ ngồi trong tàu ô tô ở nhiệt độ môi trường 40 độ C, tốc độ 15 km/h và tại một điểm đặt nhiệt độ bên trong là 27 độ C.

Thực hiện mô phỏng thiết kế HVAC

Độ tin cậy của kết quả phụ thuộc vào mức độ chính xác điều kiện biên của bài toán. Các điều kiện biên của bài toán gồm nhiều yếu tố như vật liệu chế tạo, các nguồn nhiệt phát ra trong tàu…

Tấm đệm nhiệt tượng trưng cho thân nhiệt của hành khách

Với tấm đệm nhiệt đỏ mô tả thân nhiệt của hành khách, máy giữ độ ẩm không khí mô phỏng quá trình thoát hơi, sự vận hành chính xác của toàn hệ thống được kiểm tra cho tàu với đầy đủ điều kiện hoạt động trong thực tế. Trung bình chỗ ngồi của một hành khách ngồi tỏa ra nhiệt xung quanh khoảng 120W.

Các kỹ sư của Siemens tính đến những yếu tố này khi thiết kế và điều chỉnh hệ thống điều hòa tàu ICE4.

Mô hình tàu

Vỏ tàu thường là một cấu trúc nhiều lớp bao gồm các vật liệu như chất dẻo, chất cách nhiệt và nhôm; mỗi lớp phải được mô hình hóa. Các điều kiện môi trường xung quanh được xác định theo tiêu chuẩn. Các nguồn nhiệt do hành khách phát ra được bổ sung vào mô hình theo tiêu chuẩn.Mỗi tàu có hơn 150.000 chi tiết. Số lượng các chi tiết cần thiết cho mô phỏng HVAC lớn hơn so với mô phỏng kết cấu.

Việc lấy ra các chi tiết cần thiết từ hệ thống quản lý dữ liệu sản phẩm sẽ mất rất nhiều thời gian. Quá trình này cần được lặp lại bất cứ khi nào có sự thay đổi trong thiết kế.

Vì vậy, các kỹ sư của Siemens đã phát triển một chương trình tự động xuất dữ liệu đã chọn từ hệ thống PDM ở định dạng gốc hoặc trung lập và chuyển đổi dữ liệu sang định dạng của ANSYS SpaceClaim. Các kỹ sư sử dụng các công cụ bán tự động của SpaceClaim để làm sạch các chi tiết nhỏ như bu lông, lỗ bu lông và các chi tiết phức tạp khác.

Tất cả các chi tiết liên quan đến hình học đều được mô hình hóa rõ ràng.Các kỹ sư của Siemens sử dụng công cụ tự động ANSYS Meshing cho chia lưới bề mặt và vật thể.

Họ tạo ra khoảng 200 miền nhỏ khác nhau để tối ưu hóa việc chia lưới cho các khu vực khác nhau của mô hình. Mô phỏng truyền nhiệt liên hợp được sử dụng để xác định nhiệt độ bề mặt của vỏ tàu, những vị trí mà hành khách có thể chạm vào và các đường ống trao đổi nhiệt với bên trong tàu.

Kết quả là mô hình mô phỏng điển hình với từ 500 đến 600 triệu phần tử, bài toán được giải bằng ANSYS Fluent trên một cụm máy tính hiệu năng cao (HPC).ANSYS CFD-Post giúp các kỹ sư kiểm tra các kết quả mô phỏng tốc độ dòng chảy và sự phân bố năng lượng, cũng như hơn 400 điểm đo, bao gồm tất cả các vị trí ghế trong cabin.

Các kết quả mô phỏng cho biết về nhiệt độ và sự phân bố luồng không khí bên trong cabin, phương hướng để cải thiện thiết kế. Các kỹ sư thường xuyên thực hiện các nghiên cứu tham số một cách thủ công để xác định cách tốt nhất để vận hành hệ thống HVAC.

Xác nhận kết quả mô phỏng

Xác nhận mô phỏng là một yêu cầu rất quan trọng trong mô phỏng CFD. Các kỹ sư thực hiện xác nhận này thông qua một dự án đã được mô phỏng và thử nghiệm trong một đường hầm gió.

Mô phỏng vận tốc không khí

Khả năng dự đoán chính xác hiệu suất hệ thống HVAC với mô phỏng cho phép các kỹ sư của Siemens đánh giá các điều kiện bên trong toa tàu với độ chính xác cao trước khi xây dựng và thử nghiệm sản phẩm đầu tiên.

Trong hầu hết các trường hợp, họ có thể có được thiết kế chính xác ngay lần đầu tiên, điều này làm giảm số lượng kiểm tra với đường hầm gió xuống 50% - giảm hai tháng.

Điều này tiết kiệm chi phí cho việc thuê đường hầm gió, nhân lực và thiết bị.

Khả năng dễ dàng đánh giá các thiết kế giúp các kỹ sư của Siemens đã mang lại sự thoải mái của hành khách khi đi tàu vượt xa các yêu cầu của tiêu chuẩn và giảm bớt việc kiểm tra các biến thể của sản phẩm.

Khi hệ thống HVAC là một phần quan trọng trong dự án, những khoản tiết kiệm này cũng đồng nghĩa với việc phân phối sản phẩm sớm hơn với chất lượng tốt, đáp ứng được nhu cầu của khách hàng đồng thời tạo ra được lợi thế nhất định trên thị trường.

---

Nguồn: ANSYS Advantage V11I1, 2017

Làm ơn ghi rõ "Nguồn Advantech, Jsc." hoặc "Theo www.advantech.vn" nếu bạn muốn phổ biến thông tin này.