Ablakvizsgálat 3D-s végeselemes szimulációval

Pernesz Márk soproni ipari termék- és formatervező mérnök a szakdolgozatában arra vállalkozott, hogy elkészíti a kiválasztott ablakszerkezet működtető vasalat nélküli, valamint vasalatokkal ellátott 3D-s ablakmodelljét, majd a SolidWorks Simulation-programmal végeselemes módszert alkalmazva hőtechnikai szempontból megvizsgálva azokat, összehasonlítja a hőátbocsátási értéküket annak megállapítására, hogy a vasalatelemek hőhídhatása mennyire jelentős.

1. ábra: példa alámetsző felületekre

TÉMAVÁLASZTÁS
Márk szakdolgozatában egy újszerű, kihívásokkal teli és egyben komplex mérnöki feladatot szeretett volna megoldani, így esett a választása a Faalapú Termékek és Technológiák Intézetben prof. dr. Kovács Zsolttal közösen kiírt: Ablak 3D-s hőtechnikai végeselemes szimulációjára. A több mint egyéves kitartó munka és a dolgozat megvédése után azt mondhatjuk, ritka, hogy valaki ilyen céltudatossággal rendelkezik és ennyire nagy szorgalommal, kitartással végzi a munkáját, mint Márk, amihez ezúton is gratulálunk.

TUDOMÁNYOS ELŐZMÉNYEK
Az ablak, mint nyílászáró szerkezet hőtechnikai vizsgálatát az egyre szigorodó energetikai direktívák, rendeletek is szükségessé teszik. Ezeknek köszönhetően az utóbbi évtizedekben jelentősen fokozódik az épületek energetikai tulajdonságainak javítására irányuló törekvések száma. Komoly probléma, hogy még a legkorszerűbb nyílászárók sem képesek megközelíteni az épülethatároló falazat hőátbocsátásának értékét. 

Ezért a nyílászárók energetikailag kedvezőtlenül hatnak az épület egészét tekintve, mégsem hagyhatóak el, mert a megfelelő közérzet, komfortérzet kialakításában, a friss levegő biztosításában és legfőképpen a környezettel való vizuális kapcsolattartás vonatkozásában lakóépületeinket nem tudjuk, illetve nem szeretnénk elképzelni ablakok nélkül.

A jelenlegi technika szintjén az ablakok termikus vizsgálatát többnyire kétdimenziós modellezéssel végzik, mert megfelelő szakmai tudás birtokában számítógépes szimulációval gyorsabban és olcsóbban juthatunk közelítő eredményre, mintha legyártanánk a valós szerkezeteket és azokon végeznénk laboratóriumi méréseket, kísérleteket.

Többféle ingyenesen is használható program található ezen a területen (például THERM), amelyek teljes értékűek lehetnek, azonban használatuk során a teljes ablakra vonatkozó modellépítés, valamint a mérvadó peremfeltétel megadása körülményes. A 2D-s vizsgálatok hátránya, hogy a pontszerű hőhídakat, a vasalatok térbeli keresztmetszet-változását, valamint a sarokhatást nem tudjuk figyelembe venni. A valóságban a hőtechnikai problémák általában háromdimenziósak, időben nem állandósult folyamatok.

GEOMETRIAI MODELL
Első lépésben a végeselemes vizsgálat alapját képező CAD geometriai modellt készítettük el SolidWorks-ben. A vizsgált ablak befoglaló méretei 1480×1180 mm, profilvastagsága pedig 68 mm volt. Az üvegszerkezet dupla üvegezésű (levegő töltéssel), Low-E bevonattal ellátott. Főbb anyagai az erdei fenyő (Pinus sylvestris), alumínium, króm-acél, gumi, szilikon és üveg. Magának az ablakmodellnek a felépítése a rendelkezésre álló gyártói rajzok alapján nem okozott gondot, azonban az elemzésre való előkészítése kapcsán nagyon sok plusz munka adódott, pl. az egymásra takaró felületek átvágás nélküli megosztásával (1. ábra).

A vasalatelemek 3D -s rajzait egy nemzetközi vasalatgyártó cég univerzális kiterjesztésben (STEP) bocsátotta a rendelkezésünkre. Sajnos ezeket a fájlokat a geometria helytelen és hiányos leképezése miatt csak más programban megnyitva és onnan más formátumban elmentve tudtuk alkalmassá tenni a további Solid-Works-munkához (2. ábra).

2. ábra: a gyártótól kapott, gyártásra kész vasalatmodell részlete

Az ablakszerkezet elemeinek találkozásánál a geometriákból adódóan belső közrezárt üres terek adódtak, amelyeket a modell futtathatósága érdekében ki kellett tölteni, így biztosítva, hogy később anyagtulajdonságot rendelhessünk ezekhez – a levegővel kitöltött – terekhez is. Ellenkező esetben határoló felületeiken a program nem számol hőátvitellel, így a hőáramok, valamint a környező felületek hőmérsékletértékei valótlanok lesznek.

A geometriai modellkészítés szakaszát azzal zártuk, hogy az elkészített ablak és ablak+vasalat modelleken ellenőriztük és javítottuk az esetleges interferenciákat (egyik anyag másik anyagba való belenyúlása), hiszen a legkisebb mértékű átfedés is megoldhatatlanná teszi a modellt (3. ábra).

MATEMATIKAI MODELL
Az elemzésnek ebben a fázisában elsőként idealizáltuk a geometriát, tehát eltávolítottuk a szimuláció szempontjából felesleges részleteket. A vasalatmodell esetében ilyen volt például a cég begravírozott neve, a fűrészfogas részek, menetek, lekerekítések, amelyek nehezítették, vagy éppen lehetetlenné tet ték a behálózást, vagy túl nagyra növelték az elemszámot a számítógép kapacitá sához képest.

A célirányos idealizálást követően elindítot tuk a vizsgálathoz szükséges termikus modult, majd a modellt alkotó alkatrészekhez hozzárendeltük a valóságos anyagi tulajdonságokat. Végül az EN ISO 10077-es szabvány előírásainak megfelelően valamennyi, külső, illetve belső légtérrel érintkező felületrészre definiáltuk a peremfeltételeket. Az ablak külső oldalán 0 °C-os, a belsőn pedig 20 °Cos levegő-hőmérsékletet vettünk figyelembe a konvektív, valamint a sugárzásos hőátadási tényezők definiálására, figyelembe véve az említett szabvány szerint a ferde felületekre vonatkozó előírásokat is.

Az üvegrétegek közötti levegőnek kiszámoltuk a konvektív és a sugárzásos összetevőit tartalmazó egyenértékű hővezető képességét (0,032 W∙m-1∙K-1), így a programon belül már nem kellett külön sugárzást definiálni a belső üveglap távtartó felőli felületére.

3. ábra: átfedésmentes ablakszerkezet sarokmetszete

VÉGESELEMES SZIMULÁCIÓ
Miután teljessé tettük a matematikai modellt, a következőkben a vizsgálandó szerkezet elemeinek diszkretizálá sával (behálózásával) foglalkoztunk. Ez szintén komoly problémát, időnként fennakadást okozott, mert az egymással szomszédos elemek méreteinek nagyságrendi eltérése és a részletes geometria miatt nagyon sokáig nem tudtuk a teljes modellt végeselemekre felosztani.

A sztenderd hálózásról görbe alapú hálózásra váltottunk, ahol a legnagyobb elemméretet 5 mm-re, a legkisebbet 1 mm-re állítottuk, növekedési aránynak pedig 1,2-t vettünk fel. Első részeredményként annak örülhettünk, hogy ezt inkompatibilis hálózással és több hálókontrollal tudtuk megcsinálni, de mint kiderült, ez a megoldás nem vezetett jó eredményre. Ehhez a 12 magos munkaállomás 3 órányi futási időt és több mint 36 GB használt memóriát társított.

Az elemszám és a csomópontszám is többmilliós nagyságrendben mozgott. A szakdolgozat leadási időpontjához közeledve az Euro-Solid Kft. ügyvezető igazgatójához, Zombor Csabához fordultunk szakmai segítségért. A cég technikus kollégái tapasztalataik alapján rávilágítot tak néhány olyan részletre, ami a vizsgálat szempontjából elhanyagolható. Ezek mellett azt javasolták, hogy mindenképpen kompatibilis hálózást alkalmazzunk, mert valószínűleg a program ott mutatja a hibás értéket, ahol nem tudja a szomszédos elemek csomópontjait összekötni.

Tovább folytattuk az egyszerűsítést és a harcot a diszkretizálással (is), de tudtuk, hogy már csak ez választ el bennünket a helyes eredménytől. A további egyszerűsítéseknek, finomításoknak köszönhetően 50 mm-es legnagyobb, 0,1 mm-es legkisebb elemmérettel és 1,2 növekedési aránnyal sikerült kompatibilis módon behálózni a vasalattal rendelkező ablakmodellt.

EREDMÉNYEK
Az eredmények értékelése gyakran a legnehezebb lépés, mert a megoldás nagyon részletes adatokat eredményez. Az eredményekhelyes értelmezése megkívánja, hogy értékeljük a feltételezéseinket, az egyszerűsítéseket és az első három lépés során bevitt hibákat: a matematikai modell, valamint a végeselem modell létrehozásában, ezen kívül a végeselem modell megoldásában előforduló hibákat. 

A kapott eredményfájlokban látható minimum és maximum hőmérsékletek (4. ábra) igazodnak a peremfeltételként megadott külső és belső hőmérsékletekhez. A Solid-Works-program közvetlenül nem tudja meghatározni az ablakra vonatkozó hőátbocsátási tényezőt (Uw), így azt a teljes ablakra vett hőteljesítményből számítottuk. Eredményül 1,707 W∙m-2∙K-1 adódott, ami jól illeszkedik a szabvány által meghatározott értékhez. Vasalattal együtt elhanyagolhatóan kis mértékben, 1,737 W∙m-2∙K-1 -re nőtt a korábbi érték.

4. ábra: a vasalattal ellátott ablakmodell eredménye

ÖSSZEGZÉS/TAPASZTALATOK
A cikk terjedelmi korlátai miatt nem volt mód részletesebb kifejtésre, de annyit talán sikerült megmutatni, hogy a gyár tási pontossággal és részletekkel rendelkező ablak- és vasalatmodell 3D-s hőtechnikai végeselemes elemzése nem mindennapi feladat. Komoly szoftverismeretre, elméleti tudásra, kitartó munkára és egy erős munkaállomásra van szükség, mert csak ezek birtokában lehet valós, elfogadható eredményre jutni.

Az elvégzett munka során számos új ismeretet szereztünk, amelyeknek köszönhetően a szakdolgozat kezdetekor kitűzött célokat maradéktalanul sikerült elérnünk.

Az elvégzett 3D -s szimuláció eredményeiből kiszámított hőátbocsátási tényezők összehasonlításakor megállapítottuk, hogy a vasalat csak kis mértékben rontja az ablak hőátbocsátási értékét, ami egyben azt is jelenti, hogy a működtető vasalat hőhídhatása nem számottevő.

Tetszett a cikk?