NUMERIČNA ANALIZA TEMPERATURNIH RAZMER V NAPRAVI …

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


- 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.


- 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


- 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.


- 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


- 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]


- 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]


- 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]


- 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


- 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]

http://instructions.koruza.net/index


- 11 -

Slika 2.7: Koruza PRO


- 12 -


- 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


- 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)


- 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]


- 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]


- 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)


- 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


- 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


- 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.


- 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


- 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]


- 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)


- 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)


- 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)


- 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.


- 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.


- 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)


- 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.


- 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


- 31 -

Slika 5.9: Primer 3 – temperature ohišja in notranjih delov

Slika 5.10: Primer 3 - vektorsko polje gibanja zraka v notranjosti naprave


- 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.


- 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]


- 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.


- 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


- 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


- 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


- 38 -

Slika 6.2: Posnetek s termalno kamero – Raspberry Pi kamera med delovanjem


- 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


- 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.


- 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.


- 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


[15] The Engineering ToolBox [splet], Dosegljivo: http://www.engineering-toolbox.com


[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/


[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].


- 43 -

9 PRILOGE

Priloga 9.1: Spremljanje dnevne spremembe temperature v notranjosti naprave


- 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


- 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]

Documents

NUMERIČNA ANALIZA TEMPERATURNIH RAZMER V NAPRAVI …