W tym cyklu technicznym przedstawiamy możliwości zastosowania oprogramowania inżynierskiego do symulowania rzeczywistych zjawisk. Prezentowane przypadki charakteryzują się ograniczonym stopniem złożoności, co pozwala w przejrzysty sposób przedstawić możliwości narzędzi obliczeniowych, przy jednoczesnym odniesieniu do danych eksperymentalnych.

Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej o produkcie kliknij tutaj!

Powrót do listy artykułów

Kontynuując poprzedni artykuł , zakończyliśmy analizę na prostym modelu 1D, który pozwolił uzyskać bardzo dobrą zgodność z danymi eksperymentalnymi w zakresie zmian ciśnienia w czasie.

Zastosowane uproszczenia skutkowały jednak istotnymi rozbieżnościami w predykcji temperatury, nawet po uwzględnieniu wymiany ciepła między zbiornikiem a otoczeniem poprzez współczynnik wnikania ciepła.

Wykres 1. Zmiany temperatury gazu w zbiorniku - model uproszczony

Dla porównania przedstawiono przebieg temperatury zmierzonej eksperymentalnie:

Wykres 2. Zmiany temperatury zmierzone podczas testu

Co jest przyczyną tak znaczącej różnicy?

Kluczowym czynnikiem okazuje się bezwładność cieplna materiałów zbiornika. Ściany zbiornika posiadają istotną pojemność cieplną, która w uproszczonym modelu nie została uwzględniona. W rezultacie model nie jest w stanie poprawnie odwzorować wymiany energii pomiędzy gazem a konstrukcją zbiornika.

Aby uwzględnić ten efekt, model został rozszerzony o zjawiska cieplne z wykorzystaniem biblioteki termicznej (ang. thermal) oraz współpracującej z nią biblioteki mieszanin gazów (ang. gas mixture).
 
W pierwszym kroku zdefiniowano właściwości materiałowe oraz właściwości gazów występujących w analizowanym układzie. Zbiornik wykonany jest z kompozytu węglowego na osnowie żywicznej oraz polimerowego linera, co wymaga uwzględnienia dwóch materiałów. Wewnątrz zbiornika znajduje się hel, natomiast otoczenie stanowi suche powietrze.

    Rysunek 1. Wykorzystane modele materiałowe

Następnie odwzorowano pierwotny model, rozszerzając go o elementy odpowiedzialne za wymianę ciepła.

    Rysunek 2. Pierwotny model
    odwzorowany za pomocą
    elementów z nowej biblioteki

Po lewej stronie element pojemnika ciśnieniowego widoczny jest interfejs z elementami biblioteki termalnej rozwiązujących transfer ciepła.

Model termiczny składa się z przewodzenia ciepła w ścianie cylindrycznej posiadającej  dwie warstwy: liner (po stronie wewnętrznej) oraz kompozytu (po stronie zewnętrznej). Poprawne przypisanie kolejności warstw ma istotne znaczenie ze względu na różnice w przewodności cieplnej oraz cieple właściwym materiałów.

Model uwzględnia również konwekcyjną wymianę ciepła:

• pomiędzy gazem a wewnętrzną powierzchnią zbiornika,
• pomiędzy zewnętrzną powierzchnią zbiornika a otoczeniem.

Całość prezentuje się w następujący sposób:


    Rysunek 3. Model uzupełniony o termikę

Po przypisaniu parametrów geometrycznych, materiałowych oraz warunków początkowych przeprowadzono ponowną symulację procesu opróżniania zbiornika.

Jak prezentują się wyniki?

Animacja 1. Porównanie temperatury — pomiar vs symulacja

Model rozszerzony o zjawiska cieplne pozwala na znacznie lepsze odwzorowanie przebiegu temperatury. Poprawnie przewidywany jest zarówno moment osiągnięcia minimalnej temperatury, jak i dalsza dynamika procesu.

W początkowej fazie procesu nadal obserwowana jest jednak zauważalna rozbieżność pomiędzy wynikami symulacji a danymi eksperymentalnymi.

Możliwe przyczyny tej rozbieżności obejmują:

• uproszczone warunki początkowe — w modelu przyjęto jednorodną temperaturę gazu i ścian, podczas gdy w rzeczywistości mogą występować lokalne gradienty temperatury już w chwili rozpoczęcia opróżniania zbiornika,
• pominięcie zjawisk przepływowych wewnątrz zbiornika — model 1D nie odwzorowuje mieszania, recyrkulacji ani lokalnych efektów związanych z wypływem strugi, które mogą wpływać na intensywność wymiany ciepła przy ścianie,
• niepewność współczynników wnikania ciepła — powiązane z poprzednim punktem, szczególnie po stronie gazu, gdzie wartości te silnie zależą od charakteru przepływu i mogą zmieniać się w czasie,

• pominięcie efektów nieustalonych w materiale — odpowiedź cieplna kompozytu może być bardziej złożona, m.in. ze względu na anizotropię przewodnictwa cieplnego oraz opóźnienia w propagacji ciepła.
   

Podsumowanie

Analiza pokazuje, że nawet w przypadku prostych modeli 1D właściwe uwzględnienie zjawisk cieplnych ma kluczowe znaczenie dla jakości predykcji. Pojemność cieplna zbiornika oraz sposób modelowania wymiany ciepła bezpośrednio wpływają na odwzorowanie rzeczywistego przebiegu temperatury.

Pozostałe rozbieżności wskazują, że w początkowej fazie procesu istotną rolę mogą odgrywać zjawiska przestrzenne, które wykraczają poza możliwości uproszczonego modelu.

Jesteśmy autoryzowanym partnerem firmy Siemens

Firma:

Dane kontaktowe:

kontakt@fourraven.pl
+48 602 301 222
Fourraven Sp. z o. o.
ul. Zamknięta 10 /1.5
30-554 Kraków

© Fourraven 2025-2026