Ventilatorstyring i tunnel : frisk luft hele veien

Studieprogram: Automasjon År: 2018 Tittel: Ventilatorstyring i tunnel Dato: 15.05.18

Gradering: Åpen

Antall sider: 84 Vedlegg: 10 Forfattere:

Emilia Basioli Kirkvik Emmy Sortland Torgeir W. Myrvang

Fortrolighet: Ingen

Veileder: Jarle André Johansen

Oppdragsgiver: Statens vegvesen Oppdragsgivers kontaktperson: Ole Jonny Varhaugvik

Sammendrag:

Målet med prosjektet er å utvikle et forbedret styringssystem for ventilasjon i tunneler. Et delmål er å finne sammenhengen mellom antall ventilatorer i drift og vindhastigheten i tunnelen. Det skal også fokuseres på bedre brannsikkerhet.

Oppgaven er løst ved å bruke simuleringsverktøy og utføre målinger på en miniatyrmodell som gruppen selv har laget. Dette er gjort for å finne sammenhengen mellom antall

ventilatorer i drift og lufthastigheten. I dagens styringssystem som Statens vegvesen bruker opererer de med et antatt lineært forhold. Det er i vår studie påvist at dette ikke følger et lineært forhold. Styringssystemet vi bruker består av et PLS-program som kjøres til en Raspberry PI, som styrer viftene i miniatyrmodellen. Programmet styrer ventilasjonen etter en referanseverdi for lufthastighet, som endres ut ifra gassparametere. Styringssystemet tar hensyn til påvirkningsfaktorer som biltrafikk og vær, og det er implementert brannrutiner i koden. Dermed er målene for oppgaven nådd og løst i tråd med kravene fra oppdragsgiver.

Stikkord:

Ventilasjon, Statens vegvesen, tunnel, regulering, brannsikkerhet, fluiddynamikk, sensorer, automasjon, CFD (Computational luid dynamics), ANSYS (simuleringsverktøy), CoDeSys, Raspberry PI.

Prosjektrapport – Side 2

Sammendrag

Denne rapporten beskriver et gjennomført prosjekt i forbindelse med en bachelor- oppgave på studiet automasjon ved UiT Norges Arktiske Universitet. Oppgaven er gitt av Statens vegvesen og handler om styring av ventilasjon i tunneler. Dagens ventilasjonsstyring er basert på et trinnsystem, der de forskjellige trinnene aktiveres ut ifra målt konsentrasjon av NO2(nitrogendioksid) og CO(karbonmonoksid). De forskjellige trinnene starter et gitt antall ventilatorer (heretter omtalt som ventilator gjeldende tunneler og simuleringer). Dagens løsning baserer seg på at sammenhengen mellom antall ventilatorer i drift og lufthastigheten er lineær. Dette betyr at det første trinnet aktiverer 25% av ventilatorene, trinn 2 aktiverer 50% av ventilatorene og trinn 4 setter alle ventilatorene på. Det har også kommet krav til at lufthastigheten under brann skal holdes på 1-2 m/s. I dagens styringssystem er det ikke lagt inn automatikk som opprettholder denne lufthastigheten under brann.

Problemstillingen vår går ut på å forbedre styringssystemet for ventilasjon i tunneler.

Vi skal finne ut om man får bedre regulering ved å gå bort fra styring som baseres på lineær sammenheng. Det skal også undersøkes om det finnes bedre målemetoder, om det kan være en fordel å bruke hastighetsjusterte ventilatorer, og hvordan forstyrrelser i tunnelen kan tas hensyn til. Resultatet av oppgaven er et nytt styringssystem basert på undersøkelsene. For å oppnå ønsket resultat er følgende mål satt for å forbedre styringssystemets ventilasjon i tunneler; systemet skal opprettholde en gitt lufthastighet, bruke hastighetsjusterte vifter og bruke deteksjon av kjøretøy.

For å kunne nå målene måtte vi først undersøke sammenhengen mellom antall ven- tilatorer i drift og lufthastighet. Dette ble gjort både ved bruk av simuleringsverktøy, men også ved å bygge en miniatyrmodell hvor det ble gjennomført målinger på vifter (heretter omtalt som vifter eller PC-vifter gjeldende miniatyrmodellen). Vi har også undersøkt om det finnes bedre metoder for å måle lufthastighet, samt muligheten for å montere sensorer som identifiserer kjøretøy og klassifiserer de som lette eller tunge kjøretøy.

Styringssystemet er koplet til viftene i miniatyrmodellen, slik at det er mulig å teste systemet. For å gjøre dette er hovedprogrammet lastet inn på en Raspberry PI mikrodatamaskin, slik at den fungerer som en PLS (Programmerbar logisk styring).

PLS-programmet er skrevet i CoDeSys, som bruker PI-regulering for å regulere lufthastigheten. Det er også lagt inn tilbakekobling i systemet ved bruk av en vindmåler som sender inn måledata. Resultatet er fortsatt bruk av trinnstyring, der trinnene aktiveres av målinger av gasskonsentrasjoner. Forskjellen er at istedenfor å sette et gitt antall vifter, settes en gitt lufthastighet som referanse. Dermed tar det nye styringssystemet hensyn til forstyrrelser i lufthastigheten, som kan grunnet trafikk, temperaturforskjeller eller værforhold på utsiden av tunnelen. Figur 0.1 viser oversikt over hvilke verdier som sendes inn til PLS-programmet. Disse verdiene bruker programmet til å avgjøre hvilken vifte som skal skrus av eller på.

Figur 0.1:Figuren viser oversikt over inngangene og utgang for PLS-programmet. Tegnet av E. Sortland og E. Kirkvik 11. mai 2018

Innholdsfortegnelse

Side 2 i

Sammendrag ii

Forord iv

1 Innledning 1

1.1 Bakgrunn for oppgaven . . . 1

1.2 Formulering av problemstilling . . . 1

1.3 Målformulering . . . 2

1.4 Metode . . . 2

1.4.1 Rapportens struktur . . . 3

1.5 Om oppdragsgiver . . . 4

2 Teori og tekniske spesifikasjoner 5 2.1 Begrepsforklaringer . . . 5

2.2 Om tunnelen . . . 6

2.2.1 Ventilasjonsstyring . . . 6

2.2.2 Spesifikasjoner for ventilator og tunnel . . . 7

2.2.3 Sensor for kjøretøydeteksjon . . . 9

2.2.4 Vindmålere . . . 10

2.3 Numerisk simulering med CFD . . . 12

2.3.1 Navier-Stokes ligningene . . . 12

2.3.2 Om programmet ANSYS . . . 15

2.3.3 The Finite Volume Method . . . 16

2.4 Teori til styringssystemet . . . 20

2.4.1 Komponenter . . . 20

2.4.2 Kommunikasjon . . . 23

2.4.3 Regulering . . . 24

3 Testing og simulering 25 3.1 Miniatyrmodellen . . . 25

3.1.1 Konstruksjon . . . 26

3.1.2 Skalering . . . 27

3.1.3 Testprosedyre for miniatyrmodell . . . 28

3.2 Utførelse av simulering . . . 30

3.2.1 Design av 3D-modellen . . . 30

3.2.2 Oppsett av simuleringene . . . 32

3.2.3 Simuleringprosedyre . . . 36

3.2.4 Prosessering av simuleringsdata . . . 37

3.3 Analyse av tester og simuleringer . . . 38

3.3.1 Sammenheng mellom antall vifter og lufthastighet . . . 38

3.3.2 Hastighetsprofil i en tunnel . . . 42

3.3.3 Hastighetsjusterte ventilatorer . . . 45

3.3.4 Lufthastighet og plassering av viftene . . . 47

4 Styringssystemet 48

4.1 Generelt . . . 48

4.2 Oppkobling . . . 50

4.3 Drivere og kommunikasjonsprotokoll . . . 53

4.4 Oppbygging av styringsprogram . . . 57

4.5 Testprosedyre for styringssystemet . . . 68

4.6 Testresultater . . . 70

5 Drøfting 73 5.1 Testing av miniatyrmodellen . . . 73

5.2 Testing av simuleringsprosedyrer . . . 74

5.3 Utforming av styringssystemet . . . 74

5.4 Forslag til videre arbeid . . . 78

6 Konklusjon 80

7 Litteraturliste 81

8 Vedlegg 83

1 Innledning

I dette kapittelet presenteres bakgrunnen for oppgaven, formulering og oppsett av problemstillingene, mål for oppgaven, rapportens oppbygging med valg av metode, og informasjon om oppdragsgiver.

1.1 Bakgrunn for oppgaven

Denne bacheloroppgaven er gitt av Statens vegvesen og handler om å forbedre styringssystemet for ventilasjon i tunneler. Ventilasjon er nødvendig for å fjerne giftige avgasser som dannes fra kjøretøy, ventilere ut støv og sot for sikt i tunnel, og for at brannvesenet skal ha innsyn til brannstedet ved ulykker. De fleste tunneler er i dag utstyrt med en serie ventilatorer i gruppe, der det brukes trinnstyring på disse.

Dette betyr at hvert trinn aktiverer et gitt antall vifter, og trinnene aktiveres av målte gasskonsentrasjoner. Problemet med nåværende styring av ventilatorene er at det er dårlig definert hvor mange ventilatorer som bør starte for hver trinn. Statens vegvesen regulerer trinnene etter en lineær sammenheng mellom antall ventilatorer i drift og ventilasjonslufthastighet.

Oppgaven handler om å se på alternative og mer presise metoder for å regulere ventilasjonen i tunneler. Hensikten er å forbedre styringssystemet for ventilasjonen.

Sikkerhetsmessige krav må også tas i betraktning, da lufthastigheten i tunnelen skal være på bestemte nivåer ved normal drift og ved brann.

1.2 Formulering av problemstilling

Tunneler med en lengde over 1000 meter og en ÅDT (Årsdøgntrafikk) større enn verdien 1000 er utstyrt med en eller flere grupper ventilatorer, for fjerning av avgasser og tilførsel av frisk luft (Statens vegvesen 2016a). Disse tunnelene er utstyrt med gasssensorer som gjør målinger av CO (karbonmonoksid), N O₂ (nitrogen dioksid) og N O (nitrogenoksid). Nivåene av N O₂ og CO regulerer ventilasjonen (Varhaugvik 2018b). Tabell 1.1 er hentet fra Statens vegvesen sin håndbok V520 Tunnelveiledning og viser forslag til hvilke verdier avN O₂,N Oog COsom kan aktivere hvert trinn.

Tabell 1.1:Tabellen viser forslag til grenser avN O₂,N OogCOsom skal starte hvert ventilasjonstrinn.

Ved høye verdier utløses en alarm (Statens vegvesen 2016b, s.88).

Trinnene for styringssystemet blir ofte delt inn i Trinn 1-4, der det er henholdsvis 25%, 50%, 75% og 100% av ventilatorene i drift. Denne styringen baserer seg på at det er en

lineær sammenheng mellom antall ventilatorer i drift og lufthastighet i tunnelen, men dette har vist seg å ikke stemme. For eksempel kan trinn 1 (25% av ventilatorene) gi over 50% av maksimal ventilasjonshastighet (Varhaugvik 2017a). Ventilatorene kan også kun være av eller fullt på, så det er ikke mulig å justere hastigheten. Ved å sette trinn med et forhåndsdefinert antall ventilatorer som skal starte for hvert trinn, er det uklart hvilken lufthastighet dette gir, og fordi forstyrrelsene som er med på å endre lufthastigheten ikke blir tatt hensyn til. Slike forstyrrelser kan være vind og temperaturer på utsiden av tunnelen, og mengden kjøretøy som passerer. Det er ønskelig å kontrollere krav om at ventilasjonsanlegget skal kunne gi en lufthastighet på minimum 3 m/s i tunnelen ved vanlig drift og 1 - 2 m/s ved brann. Lufthastigheten i tunnelene blir som oftest målt med en punktmåling midt i tunnelen (Varhaugvik 2017a).

Vår hovedproblemstilling er:

“Hvordan forbedre reguleringssystemet til ventilasjon i tunneler?„

Andre delproblemstillinger er:

Kan en bedre definering av en sammenheng mellom antall ventilatorer i drift og lufthastighet bidra til å forbedre reguleringssystemet? Hvordan kan krav om en spesifikk lufthastighet ved brann opprettholdes? Hvordan kan man ta hensyn til forstyrrelser i styringssystemet? Finnes det andre metoder for å måle vind som er bedre enn nåværende metode? Kan hastighetsjusterbare ventilatorer være en fordel mot dagens impuls-ventilatorer?

1.3 Målformulering

Det ønskede resultatet for denne oppgaven er å lage et nytt styringssystem på grunnlag av en undersøkt sammenheng mellom ventilatorer i drift og lufthastighet. Produktet skal styres etter denne nye undersøkte sammenhengen, som bestemmes fra analyser gjort på miniatyrmodell og simuleringer. Målene skal være nådd innen oppgavens tidsramme som er 15. mai 2018.

Ut ifra den undersøkte sammenhengen skal styringssystemet:

• Kunne opprettholde en gitt lufthastighet under vanlig drift og brann ved å ta inn vindmålinger

• Bruke hastighetsjusterte vifter på en effektiv måte

• Implementere deteksjon av type kjøretøy på en måte som gir fordeler for reguleringen av ventilasjonen

1.4 Metode

Metoden for gjennomføringen av dette prosjektet følger prinsippene i et R&D-prosjekt (Research and development). Her tilegnet gruppen seg først et bredt spekter av kunnskap innenfor det valgte emnet. Gruppen utførte dette ved å lese håndbøker fra Statens vegvesen, dra på besøk til en av Statens vegvesens tunneler, og finne

informasjon i bøker og på internett. Neste del av metoden gikk ut på å dele oppgaven i mindre deler, undersøke hva som måtte gjøres, og beskrive målet med oppgaven.

Mindre oppgaver ble fordelt innad i gruppen, og større oppgaver ble utført sammen.

Gruppen har regelmessig, 6-7 ganger i måneden, holdt interne statusmøter og opplyst hverandre om fremgang.

Oppgaven ble delt i mindre deler med disse hovedtemaene:

• Undersøke dagens regler for ventilasjon

• Forskning av sensortyper

• Simulering av luftstrømmer i tunnel

• Bygging og testing av miniatyrmodellen

• Lage og implementere styringssystemet

• Testing av styringssystemet

For undersøke problemstillingen med å finne en sammenheng mellom antall ventila- torer i drift og lufthastighet valgte vi å bruke to ulike metoder. Den ene er å bygge en miniatyrmodell av en tunnel og installere PC-vifter, hvor det utføres målinger av luftstrømmene. Den andre er å simulere luftstrømmener i en 3D-modell av en ekte tunnel med bruk av et simuleringsverktøy. Ved å bruke to måter for å undersøke problemstillingen kan man sette opp resultatene mot hverandre og verifisere om dataene er pålitelige.

1.4.1 Rapportens struktur

Kapittel 1gir informasjon om bakgrunn for oppgaven, problemstilling, målformule- ring, oppbygging av rapporten og innformasjon om oppdragsgiver.

Kapittel 2beskriver viktige begreper som blir brukt, informasjon om valgt tunnelprofil og ventilatorstyring, sensorer, nødvendig teori for forståelse av simulering og til slutt utstyr, kommunikasjon og regulering av miniatyrmodellen

Kapittel 3 handler om testing og oppbygning av miniatyrmodellen, utførelse av simuleringen og resultater fra begge metodene

Kapittel 4her presenteres løsningen av prosjektet

Kapittel 5 drøfter om valgene gjort i prosjektet, utfordringer og forslag til videre arbeid

Kapittel 6er konklusjonen Kapittel 7er litteraturliste Kapittel 8er vedlegg

1.5 Om oppdragsgiver

Statens vegvesen består av Vegdirektoratet og de fem regionene; øst, sør, nord, vest og midt. Vi skriver for region Nord. Statens vegvesen har tre ulike roller, disse er veg- og vegtrafikkforvalter, fagorgan og myndighetsorgan. Som veg- og vegtrafikkforvalter skal de planlegge, utvikle, drifte og vedlikeholde riks- og fylkesvegene i Norge. Som fagorgan skal de bidra med utredninger, fakta og forslag til Samferdselsdeparte- mentets arbeid med Nasjonal transportplan, til statsbudsjettet og andre stortings- dokumenter. I tillegg bidrar de med utredninger, fakta og forslag på oppdrag fra fylkeskommunene. Som myndighetsorgan har de ansvaret for å kontrollere kjøretøy, gjennomføre førerprøver og andre tilsynsoppgaver. De har også myndighet til å utvikle og godkjenne regelverk og ta beslutninger som gjelder trafikanter og kjøretøy (Statens vegvesen 2016c).

2 Teori og tekniske spesifikasjoner

Her presenteres begrepsforklaringer, krav og spesifikasjoner for valgt tunnelprofil, teori for simulering av en tunnel, og teori relevant for styringssystemet, som komponenter og kommunikasjon.

2.1 Begrepsforklaringer

En oversikt i alfabetisk rekkefølge over forkortelser og definisjoner som er bruk i denne rapporten vises nedenfor. Det beskrives to ulike modeller; miniatyrmodellen og 3D- modellen som er viktig å bemerke seg. Det er også brukt flere engelske ord og setninger der flere av disse ikke har en fornuftig oversettelse eller at meningen med begrepene kan forsvinne dersom de blir oversatt. Disse ordene er satt gjennomgående ikursiv.

3D-modell - Modell som er laget på en PC for bruk i simuleringsprogram ANSYS - Helintegrert modellering og simuleringsverktøy

AVR - En serie mikrokontrollere utviklet av Atmel C-kode - Universalt programmeringspråk

CAD - Computer-Aided Design. Programvare for å utforme 3D-modellen CFD - Computational Fluid Dynamics. Numeriske metoder for å løse

fluiddynamiske problemer.

CFX - Løsningsmetode i ANSYS

CoDeSys - Et utviklingsprogram til programmering av PLS Fluent - Løsningsmetode i ANSYS

HMI - Human Machine Interface. Grensesnitt mellom prosess og operatør

HTML - HyperText Markup Language. Markeringsspråk for formatering av nettsider med hypertekst

I2C - Inter-Integrated Circuit. Kommunikasjonsprotokoll som bruker Master-Slave kommunikasjon og brukes til for å kople sammen kontrollenheter og sensorer IIS-IVT - Fakultet for ingeniørutdanninger ved campus Tromsø

Impulsvifte - Ventilator eller vifte som kan kun skrus av eller på

Klient - En programvare eller enhet som ønsker å kople seg opp mot en server MATLAB - Et matematikkprogram som brukes til numeriske beregninger

MOSFET - Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor. Felteffekttransistor som kan brukes som logiske brytere og forsterkere

OPC - Open Platform Communications Kommunikasjonsstandard PLS - Programmerbar Logisk Styring. Industriell kontrollenhet PWM - Pulsbreddemodulasjon. Styring av et firkantpulstog

Server - En programvare eller enhet som distribuerer ressurser og tjenester til andre enheter (klienter)

SCL - Serial Clock Line. Klokkelinjen på I2C-bussen som brukes til kommunikasjon.

SDA - Serial Data Line. Datalinjen til I2C-bussen som brukes til kommunikasjon

SFC - Sequential Function Chart. Et av programmeringsspråkene som brukes i PLSer SIMPLE - Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equation. Løsningsalgoritme som

brukes i ANSYS.

STEP-fil - Standard for the Exchange of Product Data. En fil som inneholder en 3D-modell

SVV - Statens vegvesen

Ventilator - I denne rapporten omtales ventilator for viftene i en ekte tunnel og simuleringer Vifte - I denne rapporten omtales vifte for PC-viftene i miniatyrmodellen

VTS - Vegtrafikksentralen. Vegvesens operative beredskapsenhet og er bemannet døgnet rundt. Ansvar for trafikkovervåking, styring og veiinformasjon ÅDT - Årsdøgntrafikk. Gjennomsnittlig trafikkmengde i løpet av et døgn

gjennom året (Sira 2016)

2.2 Om tunnelen

Dette underkapitlet fokuserer først på regler for generell ventilasjonsstyring, mer spesifikt i driftsventilasjon og brannventilasjon. Det presenteres spesifikasjoner og dimensjoner for ventilatorene og tunnel, og til slutt forklares sensor for bruk av klassifikasjon av kjøretøy og tre ulike vindmålere.

2.2.1 Ventilasjonsstyring

Statens vegvesen bruker PLS-er for å styre ventilatorene, samle data fra sensorer, og andre funksjoner i tunnelene. For at Vegtrafikksentralen skal kunne fjernstyre tunnelene, brukes OPC-servere. Da har VTS oversikt over data, alarmer og hendelser i tunnelen, og har mulighet til å overstyre ventilasjon. Statens vegvesen prosjekterer og spesifiserer hvordan OPC-servere og PLS-er skal programmeres. Prosjektene lyses ut som konkurranser og entreprenører utfører arbeidet med Statens vegvesen som byggherre (Varhaugvik 2018b).

Ventilasjonen reguleres med et trinnsystem, hvor ett trinn alltid skal være valgt (Varhaugvik 2017a, 31.Ventilasjon). Ventilasjonen skal reguleres etter 2-4 trinn, der antall trinn gjerne bestemmes ut ifra tunnelprofilen (Statens vegvesen 2016b). Dette prosjektet konsentrerer seg om en trinnstyring med 4 trinn.

Det er fire måter å styre ventilatorene på (Varhaugvik 2018d, side 6):

1. Manuelt i tunnelen

2. Manuelt fra Vegtrafikksentralen 3. Automatisk driftsventilasjon 4. Automatisk brannventilasjon

I denne rapporten beskrives kun drifts- og brannventilasjon for å begrense omfanget av oppgaven.

Driftsventilasjon

Ventilasjonen skal normalt styres automatisk i trinn på grunnlag av CO- og NO/N O₂ gassmålere. Hver ventilator har telleverdier som holder styr på driftstiden for ven- tilatorene(Varhaugvik 2017a kapittel 16). Ettersom det er mest økonomisk å starte ventilatoren som er minst brukt brukes telleverdien for å unngå slitasje. Andre generelle regler for driftsventilasjon er:

1. For å begrense høye oppstart-effekter skal det være en forsinkelse på 5-8

sekund mellom hver start eller stopp av en ventilator koplet mot samme tekniske rom 2. Retning for driftsventilasjon kan variere og tilpasses trafikkstrøm og klimatiske

forhold

3. Ventilasjonsanlegget skal kunne gi en lufthastighet på 3 m/s Brannventilasjon

Brannventilasjon utløses på to måter; manuelt fra VTS, eller ved at et brannslokkings- apparat blir fjernet (Varhaugvik 2018b). For brannventilasjon er følgende regler satt (Varhaugvik 2018d, side 2):

1. Ved brann skal ventilasjonen normalt fortsette i samme retning som ventilasjonen hadde da brannen oppstod

2. Ventilasjonen ved brann skal gi en lufthastighet på omtrent 1-2 m/s

3. Skadestedsledelsen avgjør om og når ventilasjonen skal endres både når det

gjelder retning og styrke. Dette kan gjøres med bruk av nødstyrepanel ved tunnelen eller fra VTS

2.2.2 Spesifikasjoner for ventilator og tunnel Ventilator

Ventilasjonsystemet består av impulsventilatorer som er plassert i grupper. Det er normalt tre til fire grupper i en tunnel, men dette blir bestemt utifra ÅDT og lengde på tunnelen. Gruppering av ventilatorer er nødvendig på grunn av lengde på strømforsyningskabelen. Desto lenger en kabel blir, desto mer spenningsfall.

Figur 2.1:Figuren viser tegning av ventilator AJ 1120.Kilde:Varhaugvik 2017b vedlegg 2: Viftetegning i Sluttdokumentasjon

Ventilatorene er av typen Aksial Jet Fan, AJ 1120 impulsvifte, som vises i figur 2.1.

Ventilatorene kan gi luftstrømninger i begge retninger. Spesifikasjoner til ventilatorene er satt opp i tabell 2.2.

Tabell 2.2: Tabellen viser spesifikasjoner til ventilatoren hentet fra vedlegg 3: Datablad vifte (Varhaugvik 2017b) i Sluttdokumentasjon

Teknisk:

Statisk skyvekraft i begge retninger 980N

Luftvolum ≈28.4m³/s

Strømningshastighet utløp ≈28.8m/s Designet lufttetthet 1.20k g/m³

Figur 2.2:Figuren viser dimensjonene til ventilatoren AJ 1120. Øverst vises ventilatoren fra siden og nederst vises rett forfra/bakfra. Der ikke annet er oppgitt, vises målene i mm.Kilde:Varhaugvik 2017b i vedlegg 2: Viftetegning, Sluttdokumentasjon

Tunnelprofil

Det er nødvendig å begrense seg til én tunnelprofil ettersom det forekommer store variasjoner i dimensjoner og utbygging av ulike typer tunneler. Det kan variere med alt fra tunnellengde, bredde, helning, stigningsgrad, antall svinger og trafikkretning.

Tunnelprofilen vi har valgt å fokusere på i dette prosjektet er tunnelprofil T9.5. I midt-Troms er nyere tunneler med tunnelprofil T9.5 en av de vanligste tunneltypene (Varhaugvik 2018c). Tunneler med denne tunnelprofilen har en total bredde på 9.5 meter, en kjørebanebredde på 7 meter og har ofte fartsgrense fra 60 km/t til 80 km/t.

Forsøkene i denne oppgaven har også basert seg på tunneller med to-veis trafikk og uten helning. Tunneldimensjoner og plassering av ventilatorer er statiske og kan ikke endres på,som er beskrevet i Håndbøk N500 (Statens vegvesen 2016a). Merk forskjell på sprengningsprofil og normalprofil i figur 2.3 som viser plantegning til tunnelprofil T9.5. Sprengningsprofil er ytterste areal og normalprofil er innerste areal.

Tabell 2.3:Tabellen viser målene til tunnelprofilen T9.5 verdier hentet fra Statens vegvesen 2016a

Teoretisk spredningsprofil

ArealA_s 66.62m²

BuelengdeB_s 21.04m

Normalprofil

ArealA_N 53.60m²

BuelengdeB_N 18.46m

Hydraulisk diameter

D_H 7.62m

Figur 2.3:Figuren viser plantegningen for tunnelprofil T9.5. Målene er oppgitt i mm.Kilde:Varhaugvik 2017b, I221_C

2.2.3 Sensor for kjøretøydeteksjon

Tunnelene er utstyrt med en rekke ulike sensorer. Det brukes for eksempel magnetiske sensorer for deteksjon av nød-dør åpen eller lukket, brannslokkingsapparat fjernet eller bruk av fotoceller for lysjustering beskrevet i Prosessgrensesnitt kapittel 7.Analog.

Her fokuseres det på én type magnetisk sensor som kan detektere biler.

En magnetisk sensor som SVV allerede bruker mye av er to induktive sløyfer nedsenket i veibanens overflate. En induktiv sløyfe er en del av en induktiv krets der kretsen har en karakteristisk svingefrekvens på ca 80 kHz (Varhaugvik 2018a). Et metallisk objekt, f.eks. et kjøretøy som passerer sløyfene i en veibane vil endre systemets karakteristiske frekvens og sette opp et induktivt mønster. Dette skjer fordi materialet i metall som er tilstedet påvirker kretsens magnetiske felt som dannes når et elektrisk signal beveger seg gjennom en strømbærende ledning (Storey 2013). SVV bruker Datareq Loop Monitor koplet opp til de induktive sløyfene som fanger opp spenningsendringen

og analyserer signalstyrken og formen til det induktive mønsteret som dannes. En lastebil har som regel flere akslinger enn en personbil og vil derfor gi ut et annet induktivt mønster enn personbilen. Ved å analysere de induktive mønstrene kan det skilles mellom en lastebil og personbil. Figur 2.4 viser oppsett av to induktive sløyfer per kjørebane plassert etter hverandre og det induktive mønsteret som oppstår av en lastebil eller personbil.

(a) (b)

Figur 2.4: (a)viser oppsett av to induktive sløyfer per kjørefelt, der begge er koplet opp til Datareq Loop Monitor.(b)viser et magnetisk mønster som dannes avhengig av hvilket metallisk objekt som passerer. Her vises en bil med henger øverst, og buss nederst. Endring i frekvens langs y-aksen og tid langs x-aksen.Kilde:Varhaugvik 2018a

Loop Monitor kan også beregne tidspunktet for passasjen, retningen, hastigheten og lengden på kjøretøyet ved å analysere signalstyrken. En lastebil vil gi høyere utslipp av avgasser enn en personbil (Statens vegvesen 2016b side 88) og derfor er denne faktoren ønskelig i systemet vårt der vi kan forutsi høye verdier og regulere før de oppstår.

2.2.4 Vindmålere

Andre metoder for vindmåling skal vurderes og det blir forklart teori om ulike vindmålere som kan brukes i tunneler. Vindmåleren Statens vegvesen bruker i sine tunneler i dag heter Gill Windobserver. De andre som vurderes er CROSSFLOW og PI_tFL_US.

Vindmåleren SVV installerer i tunneler heter Gill Windobserver og vises i figur 2.5.

Den monteres høyt oppe i tunnelen, på samme skinne som lysene er montert på. Det finnes bare én slik vindmåler i hver tunnel, slik at vindhastigheten kun måles ett sted gjennom hele tunnelen (Varhaugvik 2017a).

WindObserver måler vindhastighet og retning ved at de fire ’bena’ sender ultrasoniske pulser til hverandre. Hvert ’ben’ sender i rekkefølge en puls til den som er rett foran.

Når det er vindstille bruker pulsene like lang tid fra sender til mottaker. Er det vind, vil den pulsen som går mot vindens retning bruke lengre tid på å nå mottakeren. Ut ifra dette beregnes vindhastigheten og retningen (Gill Instruments 2018a).

Figur 2.5:Figuren viser en Gill WindObserver som brukes for å ta vindmålinger i tunnelerKilde:Gill Instruments 2018b

CROSSFLOW er en vindmåler laget spesielt for å måle vindhastighet og vindretning i tunneler. Den kan brukes i tunneler med både ett eller flere kjørefelt. I tunnelen monteres det en sender- og en mottakerenhet på hver side av tunnelen. Disse sender ultrasoniske pulser til hverandre, og måler tiden det tar før pulsene når mottakeren på motsatt tunnelvegg (Tunnel sensors 2016).

Figur 2.6:Figuren viser vindmåleren CROSSFLOWKilde:Instrumentcompaniet AS 2018b

Vindmåleren fra figur 2.7 er også designet for å måle vindhastighet og retning i tunneler. Her er det to sensorer, en master og en slave, som monteres på hver sin side av tunnelveggen. Det sendes ultrasoniske pulser, der tiden det tar fra pulsen sendes til den mottas på andre siden brukes for å bestemme vindretning og -hastighet (JES 2015).

Figur 2.7:Figuren viser vindmåleren PI_tFL_USKilde:Dipl.ing.Houm AS 2018b

2.3 Numerisk simulering med CFD

Dette underkapittelet fokuserer på nødvendig teori for forståelse av hvordan man har kommet fram til simuleringsresultatene. En generell liste med begrepsforklaringer presenteres først. Deretter presenteres det kort om CFD – Computational Fluid Dynamics,no: numerisk fluiddynamikk og ligninger som dette baserer seg på. Det vil også bli gitt en generell forklaring på oppbygning av simuleringsverktøyet ANSYS.

Dette programmet er brukt for å simulere luftstrømmene i en 3D-modell og teori som er tilknyttet CFD generelt men også det som er begrenset til anvendelse i ANSYS vil bli forklart.

Begrepsforklaringer rettet mot forståelse av CDF og utledning av ligninger:

Del-operator - ∇= _∂^∂_xi+ _∂^∂_yj + _∂^∂_zk

Enhetsvektor - En vektor med lengde lik 1 og betegnes vanligvis som: î+ˆj+ˆk

Kartesisk koordinatersystem - Spesifiserer et punkt (x,y,z) som ligger i et tre- dimensjonal rom

Vektorfelt - Knytter en vektor til hvert punkt i rommet og beskrives vanligvis med fet skrift Substantial derivative - D/Dt

Local derivative - ∂ /∂t Convective derivative - V· ∇

CDF bruker numeriske metoder for å finne løsninger av fluiddynamiske prosesser som ikke er hensiktsmessig, vanskelig eller umulig å beskrive analytisk. Dette er et kraftfull analyseverktøy som er anvendbar til en rekke industrielle og ikke-industrielle formål og kan blant annet brukes til å simulere og analysere systemer som omfatter væskestrømning, varmeoverføring og kjemiske reaksjoner (Fletcher 1990):

2.3.1 Navier-Stokes ligningene

CFD baserer seg på tre grunnleggende fysiske naturlover som omhandler bevegelses- mengde og bevaring av masse og energi. (Anderson 1995):

1. Masse er bevart

2. Newtons andre lov, F =ma 3. Energi er bevart

Disse tre naturlovene danner basisen for et sett med partielle differensialligninger som kalles Navier-Stokes ligningene, - fra engelskmannen G. Stokes og M. Navier som separat utledet disse ligningen på begynnelsen av 1900-tallet (Anderson 1995).

Disse partielle differensialligningene kan beskrive bevaring av masse og moment i x, y, z-retning for en ujevn, tre-dimensjonal, kompressibel strømning og en utledning av disse er gitt iVedlegg 7.

For å beskrive strømningsegenskapene til væsker og gasser bruker man et fluidelement som er uendelig lite, men stort nok til at det inneholder et større antall molekyler. Dette

fluidelementet er avgrenset til et kontrollvolumV´ med en kontrolloverflate S. Denne overflaten er en lukket flate som omgir volumetV. (Anderson 1995) og hvor figur 2.8´ viser en skisse av dette fluidelementet.

Figur 2.8:Figuren viser en skisse av et fluidelement som har differensiallengdene dx, dy og dz. Tegnet av T. Myrvang 14. mars 2018.Kilde:Anderson 1995

Fluidelementet består av lengdene dx, dy, dz og har et differensialvolum d´V. For et fluidelement som beveger seg med strømningen gjennom kartesiske rom-koordinater beskriver man hastigheten som et vektorfelt:

V=ui+vj+wk u = u(x,y,z,t)

v = v(x,y,z,t) w = w(x,y,z,t)

De partielle differensialligningene er enten utredet fra fluider som strømmer gjennom kontrollvolumet V´ og over kontrolloverflaten S, eller direkte på det uendelig lite fluidelementet med differensialvolumet d´V. Disse kan utredes på fire forskjellige måter:

• Se på strømninger gjennom et endelig stasjonær kontrollvolum

• Se på et stasjonær uendelig lite fluidelement

• Se på et kontrollvolum med en bestemt masse som beveger seg med strømmin- gen

• Et uendelig lite fluidelement som beveger seg med strømningen

Om man utreder ligningene via et kontrollvolum vil disse være på integralform og hvis

CFD er det tre fysiske begreper som går igjen;D/Dt,∂ /∂t,V· ∇

D/Dt - substantial derivativeog er momentane endringen over tid for en

vilkårlig strømningsvariabel, for eksempel temperatur DT/Dt eller trykk Dp/Dt

∂ /∂t - local derivativeog er endring av en vilkårlig strømningsvariabel over tid ved et gitt punkt V· ∇ - convective derivativeog er fysisk relatert til

endringen av bevegelsen og egenskapene til ett strømningselement som beveger seg fra et strømningsfelt til et annet

Ut fra disse tre utrykkene kan man beskrive den momentane endringen av en vilkårlig strømningsvariabel som:

D Dt = ∂

∂t +V· ∇

Figur 2.9:Figuren viser en visualisering av D/Dt -substantial derivativeog beskriver at den momentane endringen av egenskapene til et legeme er lik den lokale endring av egneskapene til legemet ved et gitt tidspunkt, pluss endring av egenskapene til legemet når det beveger seg fra et punkt til et annet. Tegnet av T. Myrvang 14. mars 2018.Kilde:Anderson 1995

Basert på de tre fysiske begrepeneD/Dt,∂ /∂t,V· ∇og om man utleder de partielle differensiallikningene gjennom et fluidelement som beveger seg med strømmingen vil deler av Navier-Stokes ligningene være gitt som Anderson 1995:

Kontinuitetsligning for bevaring av masse:

Dρ

Dt +ρ∇ ·V=0

Bevegelsesligningen:

Akselrasjonen i x-retning:

ρDu

DT =−∂p

∂x +∂ τx x

∂x +∂ τy x

∂y +∂ τz x

∂z +ρf_x Akselrasjonen i y-retning:

ρDv

DT =−∂p

∂y +∂ τx y

∂x +∂ τy y

∂y +∂ τz y

∂z +ρf_y Akselrasjonen i z-retning:

ρDw

DT =−∂p

∂z +∂ τxz

∂x +∂ τyz

∂y +∂ τzz

∂z +ρf_z

f_x, f_y og f_zer tiltrekningskrefter,τii er normalspenning ogτji er skjærspenning, hvor disse to er overflatekrefter som virker direkte på overflaten til fluidelementet.

Normalspenningen beskriver en spenning som virker parallelt med en av koordinat- aksene og er relatert til endringen av volumet til fluidelementet, der eksempelvis normalspenningen i x-retning erτx x.

Skjærspenning er relatert til endringen av deformasjonen av et fluidelement og vil si at en skjærspenning i j-retning virker på et plan vinkelrett til i-retningen. For eksempel er skjærspenningenτx y en spenning som er parallell til x-aksen som virker på et plan vinkelrett til y-aksen. (Anderson 1995)

2.3.2 Om programmet ANSYS

ANSYS er et helintegrert modellerings- og simuleringsverktøy som inkluderer blant annet CFD, strukturanalyse, elektromagnetisk, termisk- og elektro-mekaniske simu- leringer. Innenfor CFD har ANSYS to programmer tilgjengelig; Fluent og CFX, og kan brukes for å analysere fluiddynamiske prosesser som for eksempel væske- og gasstrømninger. Programvaren består av tre hovedelementer:

1. Pre prosessor, en. -pre-processor 2. Løsning av problem, en. -solver 3. Post prosessor, en. -Post-processor

Figur 2.10:Figuren viser et bildeutsnitt av ANSYS workbench med de to løsningsmetodene; Fluent og CFX

Pre-processor: brukes til å sette opp problemet som skal løses. Her definerer man domenet som de fluiddynamiske prosessene skal analyseres i. Fra figur 2.10 bruker man Geometry for å gjøre dette. Her kan man bruke de innebygde verktøyene for å lage 2D eller 3D modell av domenet eller importere ekstern CAD-fil.

Pre-processorbrukes også til generering av et cellenett en.meshgridav modellen, hvor man deler domenen opp i et visst antall mindre celler eller elementer, hvor hver av disse cellene representerer et fluidelement. Løsningen til et strømningsproblem er definert ved noder i hver av disse cellene og der nøyaktigheten til løsningen er avhengig av antall noder i meshgridet. Et større antall noder betyr en større nøyaktighet på løsningen og bidrar til at løsningen konvergerer tidligere (Malalasekera 2007). Fra figur 2.10 bruker manMeshtil generering av cellenettet av et domene. Ipre- processorspesifiserer man også hvilken fysisk eller kjemisk prosess som skal modelleres og definering av egenskapene til fluidet. Fra figur 2.10 blir dette gjort iSetup.

Solver:For løsning av problemer tilknyttet væskestrømning har ANSYS innebygd to løsningsmetoder, Fluent og CFX, der begge løsningsmetodene anvender The Finite Volume Method. Nødvendige innstillinger av disse gjøres i Pre-processorunderSetup.

Post-processor: Brukes til å visualisere løsningen av problemet. Her kan man blant annet generere vektorfelt, strømningslinjer, konturplot og volumgjengivelse for ana- lysering og visualisering (ANSYS 2018).

2.3.3 The Finite Volume Method

Finite Volume Method er en numerisk metode for å løse deler av Navier-Stokes ligningene gjennom algebraiske ligninger og diskretisering av strømningsdomenet.

Verdier av strømningsegenskapene som temperatur, trykk og moment i x-, y- og z- retning til en væske eller gass er beregnet ved diskrete punkter i et cellenett. Noen av de viktigste emnene til denne metoden, men også generelt til CFD, er grenseverdier, løsningsalgoritmer og turbulensmodeller. Et annet viktig punkt er generering av cellenett, hvor det er utviklet metoder som konverterer en 3D-modell om til en samling av fluidelementer. Dette kan være så enkelt som å dele modellen inn i et symmetrisk ruttenett til mer kompliserte geometrier hvor man må anvende spesielle metoder Malalasekera 2007.

I CFD klassifiserer man vanligvis generering av cellenett inn i to kategorier:

• Strukturert kurvet cellenett

• Ustrukturert cellenett

I programmet ANSYS er generingen av et slikt cellenett en delvis automatisk prosess og en nærmere beskrivelse vil ikke bli gitt i denne rapporten (ANSYS 2018).

Turbulensmodeller

En av de mest utfordrene aspektene med CFD er modellering av turbulente strøm- ninger. Generelt kan man dele inn strømningegenskapene til en væske eller gass i to typer: laminær og turbulent. Turbulent strømning er når partiklene til en væske eller gass beveger seg i en uordnet og kaotisk måte. Reynolds’ tallet Re beskriver tilstanden og overgangen fra laminær til turbulent strømninger. Når strømningen er under et kritisk Reynolds’ tall Re_k betegnes den som laminær. Turbulent strømning vil begynne å utvikle seg når strømningen går over dette tallet. Disse strømningene har en roterende strømningsstruktur kalteddies. Disse strukturene lager virvlende- og omvendte strømninger. Den kinetiske energien blir overført fra store eddies til stadig mindere eddies og kalles energikaskade. Overordnet finnes det tre typer turbulente strømninger:

• Lagblandingsstrømning

• Slippstrømning

• Stråle/jet-strømning

Lagblandingsstrømning skjer mellom to strømningsregioner, en med rask strømning og den andre med en tregere strømning. Slippstrømning dannes bak et objekt i et strømningsfelt og stråle/jet-strømning har en strømning med svært høy hastighet som er omgitt en stasjonær væske/gass Malalasekera 2007. I prinsippet er turbulente strømninger beskrevet i Navier-Stokes ligningene, der man kan diskretisere disse og finne en direkte numerisk løsning av strømningen. Men slike direkte numeriske simuleringer av turbulens er svært beregningsmessig krevenede, da en slik tilnærming må løse et stort antall punkter i både tid og rom (ANSYS 2018).

Til turbulente strømninger er det utviklet midlingprosedyrer for Navier-Stokes lig- ningene som filtrerer hele, eller deler av turbulensspektrumet. Den mest brukte midlingprosedyren til Navier-Stokes ligningene heter RANS - Reynolds-Averaged Navier-Stokes ligningen. Her er hastighetskomponenteneu,v,wtil hastighetsvektoren Vbeskrevet med bruk av noe som kalles Reynolds dekomponering. Denne dekompo- neringen brukes til å beskrive hastigheten til en turbulentstrømning ved bruk av de vedholdenehastigheteneU,VogWogsvingenedehastighetskomponenteru’(t),v’(t)og w’(t)Malalasekera 2007. Ved bruk av substitusjon erstattes hastighetskomponentene u,v,wmed:

u(t) = U+u‘(t) v(t) = V+v‘(t) w(t) = W+w‘(t)

Det finnes en rekke modeller for turbulensmodellering og inkluderer blant annet k - ε modellen, k - ω modellen, RSM - Reynolds stress equation modellen og LES - Large Eddy simulationmodellen. Derk -εmodellen er den mest utbredte og validerte turbulensmodellen som brukes til strømningsberegninger. Den er blant annet robust og gir en rimelig nøyaktighet for de fleste turbulente strømninger (ANSYS 2018).

Grenseverdier

En av de viktigste aspektene med CFD og bruken av ANSYS er definering av initielle- og grenseverdier. Disse brukes som startbetingelser for de numeriske algoritmene som løser ligningene for bevaring av masse, moment/bevegelse og bevaring av energi.

Disse grenseverdiene dikterer den oppnådde løsningen av et strømningsproblem som er beskrevet med disse ligningene. Defineringen av grenseverdiene bestemmes ut fra om problemet som skal løses erSteady-state ellerTransient. Noen av de mest vanlige grenseverdiene erInlet,Outletog Wall(Malalasekera 2007).

Grenseverdiene Inlet og Outlet kan brukes til å sette start verdier som hastighet, trykk og temperatur for innløp og utløp til et fluiddomene. Dette kan for eksempel være en startverdi for hastigheten til en væske som strømmer gjennom et rør.

Grenseverdien Wallkan brukes til å definere overflatene til fluiddomenet. Dette kan være overflater som representerer rørveggene til et rør og hvor man eksempelvis kan spesifisere en ruhet til veggene. Hvilken parameterspesifikasjoner man har tilgjengelig i ANSYS for grenseverdier avhenger av hvilken løsningsmetode man velger, og valg av turbulensmodell.

Løsningsalgoritmer

Det er designet flere løsningsalgoritmer som numerisk løser deler av, eller hele settet med de partielle differensialligningene fra Navier-Stokes ligningnene. Disse algoritmene implementerer metoder for å transformere ligningene til et sett med lineære algebraiske ligninger (ANSYS 2018). Overordnet i programmet ANSYS finnes det to generelle løsningsmetoder som de forskjellige løsningsalgoritmene baserer seg på:

• Trykk-basert løsningsmetode

• Tetthets-basert løsningsmetode

Generelt brukes den trykk-baserte fremgangsmåten for strømninger av inkompressible fluider med lav hastighet og den tetthetsbaserte fremgangsmåten for strømninger av kompressible fluider med høy hastighet. For disse to metodene bruker ANSYS (ANSYS 2018) enkontrollvolum-basert teknikk som består av:

• Dele opp domenet i diskrete kontrollvolumer med bruk av cellenett-generering

• Integrasjon av Navier-Stokes ligningene over de individuelle kontrollvolumene for så å konstruere algebraiske ligninger for de forskjellige strømningsvariablene som; hastighet, trykk og temperatur

• Linearisering av de diskretiserte ligningene og løsning av gitte lineære lignings- ystemene som gir en oppdatert verdi til strømningsvariablene.

En av de mest vanlige løsningsalgoritmene er SIMPLE og en form for gjett- og rett løsningsalgoritmen. Denne bruker en iterativ numerisk teknikk for å løse de partille differensialligningene gjennom diskretisering av fluiddomenet og hvor algoritmen anvender den trykk-baserte løsningsmetoden. Fra den trykkbaserte løsningsmetoden brukes det en trykkligning som er utredet fra kontinuitets- og bevegelsesligningene, hvor denne ligningen kopler disse på en slik måte at verdiene i strømningsfeltet tilfredsstiller kontinuitetsligningen for bevaring av masse (ANSYS 2018, kapittel 21.1.

Overview of Flow Solvers).

Figur 2.11: Figuren viser et flytskjema til SIMPLE algoritmen og hvordan den løser de partielle differensialligningeneKilde:Malalasekera 2007

2.4 Teori til styringssystemet

Dette kapittelet fokuserer på en beskrivelse av komponenter som er brukt til å lage miniatyrmodellen og implementere styringssystemet til viftene, samt hvilken rolle enheten hadde i miniatyrmodellen. Videre blir det forklart hvordan vi kommuniserte med PC-viftene. Til slutt forklares hva regulering er, og hvordan vi har styrt PC-viftene ut ifra denne reguleringsmetoden.

2.4.1 Komponenter

Mikrokontroller ATMega328p

Figur 2.12:Figuren viser bilde av en ATMega328p mikrokontrollerKilde:Microchip Technology 2018

ATMega328p er en 8-bits CMOS mikrokontroller produsert av Atmel Corporation.

ATmega-kontrolleren som brukes i dette prosjektet er integrert på et Arduino UNO brett med en klokke-hastighet på 16 MHz (Starting Electronics 2017). Slike mikrokon- trollere erinterrupt-basert og kan blant annet styres ved å bruke de 3 retningsbestemte I/O-porterene PORTB PORTC og PORTD. Hver av disse portene har tre registre; DRRx - Data Direction Register, PORTx - Output PORT register og PINx - Port Input Pins, som man bruker for å konfigurere de digitale inn- og utgangene. ATmega-kontrolleren har også tilgjengelig funksjoner som 8 og 16 bit timere for generering av PWM-signal og støtte for blant annet kommunikasjonsstandarden I2C (Inter-Integrated Circuit).

I dette prosjektet brukes ATmega mikrokontrolleren som kontrollenhet for å styre PC- viftene og generere nødvendig PWM-signal til de hastighestsjusterete PC-viftene.

Raspberry PI 3

Figur 2.13:Bilde av en Raspberry Pi 3 Model BKilde:Raspberry Pi Foundation 2018

Raspberry Pi er en datamaskin i kretskortformat som bruker Linux operativsystem.

Den er i stand til å brukes på samme måte som en alminnelig datamaskin fra å surfe på nettet, spille av video og produsere regneark (Raspberry Pi Foundation 2018). Den

drives av en BCM2837 Broadcombrikke med en ARM-prosessor på 1.2 GHz.

I dette prosjektet brukes Raspberry Pi 3 Model B som en PLS med bruk av en CoDeSys server. Den brukes også som kommunikasjonsenhet mellom CoDeSys programmet og Atmega-kontrolleren. Pi’en har ansvaret for å prosessere hovedfunksjonene til styringssystemet og sender data til Atmega-kontrolleren med bruk av kommunika- sjonsprotokollen I2C.

3-pins vifte

Figur 2.14:Figuren viser 3-pins impulsvifte som er brukt i miniatyrmodellenKilde:Digi-Key electronics 2018a

PC-viften i figur 2.14 har en størrelse på 40x40x15mm og drives av en DC-motor på 12 V (Digi-Key electronics 2018a). Denne PC-viften er en 3-pins vifte som kun kan skrus fullt på eller av, og kan kun gi luftstrømning i én spesifikk retning. Disse PC-viftene brukes i miniatyrmodellen for å etterligne Statens vegvesens impulsventilatorer.

4-pins PWM vifte

Figur 2.15:Figuren viser en 4-pins vifte som har muligheter for PWM-styringKilde:Digi-Key electronics 2018b

PC-viften i figur 2.16 har en størrelse på 40x40x20mm og drives også av en DC-motor på 12 V (Digi-Key electronics 2018b). Denne PC-viften er en 4-pins vifte der den ene pinnen brukes til å sende inn et PWM-signal slik at viften kan hastighetsjusteres. PWM- signalet må ha en frekvens på 25 kHz og hvor man regulerer hastigheten til viftene ved å endre påDuty cycletil PWM-signalet. Denne pinnen er normalthøyog krever en Open drainellerOpen collectorkrets for å trekke pinnenlav(Farnell 2018).

VelociCalc Plus

Figur 2.16:Figuren viser VelociCalc Plus vindmålerKilde:VelociCalc Plus 2018

Vindmåleren VelociCalc Plus er en varmetrådsanemometer for måling av vind og kan brukes for å undersøke vindprofiler. Den kan blant annet måle lufthastighet, gjennom- strømningshastighet, trykk og temperatur. For lufthastighet har den et måleområde fra 0 til 50 m/s. Vindmåleren har mulighet for å sende data til en datamaskin gjennom en 9 pins RS-232 kabel med bruk av COM porter. Den er designet slik at en operatør kan spørre om data ved å sende karakteren ’V’ til vindmåleren. For å kunne gjøre dette må Baudratevære lik hos datamaskinen og sensoren. Operatøren kan velge hvilken data som skal sendes tilbake ved å sette aktuelle parametere påonellerautomed bruk av samplingsinnstillingene (VelociCalc Plus 2018).

I prosjektet brukes denne vindsensoren for å måle lufthastigheten i miniatyrmodellen.

Power MOSFET - Irlb8721

En Power MOSFET (Metal oxide semiconductor field-effect) er en type transistor som er designet for å tåle høy effekt. Disse bruker et elektrisk felt til å kontrollere ledningsevnen til en kanal for ladningsbærere av et halvledermateriale og består av tre terminaler: gate,drain og source. Generelt fungerer slike transistorer ved at man modellerer en påtrykt spenning på inngangen som vil generere et elektrisk felt og påvirke strømmen gjennomdrainogsource.

I dette prosjektet er det brukt en Irlb8721 Power MOSFET transistor som logiske brytere for å styre PC-viftene. Spesifikasjoner til transistoren vises i tabellen under.

Tabell 2.4:Tabellen viser noen spesifikasjoner for Power Mosfet - Irlb8721 (Infineon Technologies 2009)

sokkk Parameter Verdi Måleenhet

V_DS Drain-To-Source Voltage 30 V

V_GS Gate-to-Source Voltage ±20 V

I_D @ T_c = 25^◦C @ V_GS = 10V

Continuous Drain Current 62 A

V_{GS th} @ V_DS = V_GS,I_D = 25µA

Gate Threshold Voltage Typ: 1.80 V

2.4.2 Kommunikasjon

I2C er en kommunikasjonsprotokoll som både Raspberry PI og mikrokontroller ATmega støtter. For Atmega-kontrolleren kalles den også for TWI - Two-Wire Serial Interface. I2C brukes for å kople sammen enheter slik som mikrokontrollere og sensorer. Protokollen støtter tilkobling av opptil 128 forskjellige enheter ved bruk av to retningsbestemte databus-linjer, den ene for klokkesignal (SCL) og den andre for data (SDA). Atmel 2018

Figur 2.17:Figuren viser hvordan enheter er koplet til I2C-databusenKilde:Atmel 2018

Protokollen bruker Slave-Masterkommunikasjon, hvor det er enheten som er satt til Master som styrer dataoverføringen og er ansvarlig for generering av klokkesignalet.

Overføringen skjer ved bruk av datapakker, og en dataramme til en slik pakke er generelt 9-bit lang og består av et START-bit og et STOP-bit.

En bit med data overføres ved bruk av SDA-linjen og er ledsaget av en klokkepuls på SCL-linjen og hvor SDA-linjen må være stabil når SCL-linjen er logisk høy. En dataoverføring starter når en Masterenhet genererer en start-betingelse(START) på bus-linjen og blir avsluttet når Masterenhet genererer en stopp-betingelse(STOP).

Generelt består dataoverføringen av to pakkeformater; en adresse-pakke og en data- pakke. En Adresse-pakke består av 7 adresse bits, 1 READ/WRITE bit og 1 ACK-bit. En data-pakke består av 1 databyte og 1 ACK-bit. Begge pakkene er 9-bit lange hvor den siste biten (MSB) brukes som et kvitteringsbit (ACK - acknowledge). Kvitteringsbitet brukes av Slaveenheter for å kvittere på at de har blitt adressert av en Masterenhet og

kvittering på at Slaveenheten har motatt eller sendt data (Atmel 2018).

I denne oppgaven er denne kommunikasjonprotokollen brukt for å kommunisere mellom Raspberry Pi og ATmega.

2.4.3 Regulering

PID regulering er en form for regulering der man gir ut et pådrag u basert på avvikete mellom en referanse y_r og prosessutgangeny. Normalt bruker man negativ tilbakekobling for å finne avviket, som er definert som differansen mellom y_r og y (Hoff og Rasmussen 2011):

e(t) = y_r−y

En PID-regulator består av tre ledd; proporsjonal-ledd (P-ledd), integral-ledd (I-ledd) og derivat-ledd (D-ledd). Pådraget til P-Leddet er proporsjonalt med avviket og er første ledd i ligningen. I-leddet er pådraget proporsjonalt med summen av avviket som andre ledd, og D-leddet er pådraget proporsjonalt med endringen av avviket beskrevet som siste ledd.

For en komplett PID-regulator er pådraget u gitt som:

u=K_pe(t) +K_p T_i

Z t

0

e(t)d t+K_pT_dd e(t) d t

Ut fra en komplett PID-regulator kan man lage en P, PI eller PD ved å sette de respektive konstanteneT_i =∞ eller T_d =0 (Hoff og Rasmussen 2011). Et typisk blokkskjema kan se ut som figuren under:

Figur 2.18:Figuren viser blokkskjema for PID regulatorKilde:Hoff og Rasmussen 2011

Det er vanlig å tildele pådraget til ett pådragsorgan. I denne oppgaven fordeles pådraget blant de 9 PC-viftene, der det brukes en sorteringsalgoritme som tildeler den minst brukte viften først.

3 Testing og simulering

I dette kapittelet presenteres metoder for å løse problemstillingene. Først forklares miniatyrmodellen, dens konstruksjon, skalering og testprosedyre. Deretter forklares utførelsen av simuleringen, design av 3D-modellen, oppsett av simuleringer og simuleringsprosedyre. Resultatene fra begge metodene presenteres til slutt.

3.1 Miniatyrmodellen

Denne metoden ble brukt ved å gjøre tester på en miniatyrmodell av en tunnel.

Gruppen bygget modellen selv, fordi det ikke var mulig å få utført tester i en ekte tunnel. I tillegg var det fordelaktig å ha en miniatyrmodell, siden man da sto mer fritt til å gjøre så mange tester som ønskelig.

Modellen består av et 4.8 meter langt rør og på innsiden er det montert 9 PC-vifter, vist i figur 3.1. Tre av PC-viftene kan styres med PWM-signal for å hastighetsjustere viftene. Dette er ønskelig for å undersøke problemstillingen om hastighetsjusterte ventilatorer kan være en fordel i reguleringssystemet, sammenliknet med dagens impuls-ventilatorer. De resterende 6 pc-viftene kan kun slås av eller på.

Viftene er plassert i grupper på 3, der hver gruppe har tre PC-vifter for å etterligne en ekte tunnel. Det er ønskelig at modellene som brukes i oppgaven er så lik som mulig ekte tunneler, selv om de er nedskalert. Dette gjør det enklere for gruppen å gi anbefalinger til oppdragsgiver, siden det da kan argumenteres for at resultatene fra testene vil være lik resultatene i en ekte tunnel hvis samme tester gjennomføres.

(a)Tunnelrøret sett utvendig (b)Tunnelrøret sett innvendig, med monterte viftegrupper

Figur 3.1:Figuren viser miniatyrmodellen innvendig og utvendig. På innsiden av røret kan man se hvordan viftegruppene er satt i grupper. Fotografi av E. Kirkvik 01. mai 2018

3.1.1 Konstruksjon

Komplett utstyrsliste for konstruksjon av miniatyrmodellen med viftegrupper. Er basert på tunnelen beskrevet i kapittel 2.2.2:

• Til tunnelrøret:

· 2 stk. spirorør med lengde 2400 mm og diameter 315 mm

· 3 stk. nippler med diameter 315 mm

· 4 stk. vinkelbeslag

· Verktøy for å bore hull og dele opp spirorør

• Til viftegruppene:

· 3 stk. M3 gjengestenger lengde 1000 mm

· M3 skruer og mutter

· M4 skruer og mutter

· M5 skruer og mutter

· 24 stk. hengeblikk

· 12 stk. møbelvinkler

· 6 stk. 3-pins PC-vifter med diameter 40 mm

· 3 stk. 4-pins PC-vifter med PWM-inngang og diameter 40 mm

· Elektrisk ledning med enkel kjerne diameter 1 mm

Spirorørene ble delt opp i to deler, slik at det totalt ble fire rørdeler, der hver rørdel var 1200 mm lang. De fire rørdelene koples sammen ved bruk av nippler. Hvordan modellen er delt opp kan sees i figur 3.2. Rørene ble kuttet i mindre deler for å øke tilgjengeligheten for montering av PC-vifter, dette gjorde det også enklere å flytte på modellen. Mål og plassering av PC-vifter er vist i figur 3.3. For å lage viftegruppene ble først hver av gjengestengene kappet i to deler, slik at det totalt var seks gjengestenger på 500 mm hver. Viftene i hver gruppe ble så tredd på to gjengestenger, der lengden mellom hver vifte er 140 mm. Hver vifte holdes på plass ved bruk av M3-muttere, og hver viftegruppe er montert slik at viftene er 42.5 mm under taket.

Figur 3.2:Figuren viser plantegning til miniatyrmodellen fra sideprofil. Laget av E.Sortland 13. mai 2018

Figur 3.3:Plantegning for en montert viftegruppe der alle mål er oppgitt i mm. T. Myrvang 20. mars 2018

Hvordan gjengestengerne med vifter er montert sammen og skrudd i tunnel-taket vises i figur 3.1. Her er det brukt 4 stk. hengeblikk for at gjengestengene holder seg i ro og ikke vaier pga. turbulensen når viftene er på. Møbelvinkler brukes for å feste viftegruppene i tunnel-taket. Hver viftegruppe inneholder to 3-pins vifter først og sist i gruppene (vifte nummer 1 og 3), og en 4-pins vifte med PWM inngang i midten av gruppene (vifte nummer 2). Det ble loddet ledninger til PC-viftene for at de skulle være lange nok til å nå koblingbrettet. For å holde selve tunnelrøret i ro, ble det skrudd fast vinkelbeslag på hver side av innløp og utløp.

Nærbildet av grupperingen er vist i figur 3.3. Viftene er nummerert, fra venstre til høyre, for å kunne identifisere de ulike PC-viftene til styringssystemet. Luftstrømning er også fra venstre til høyre.

3.1.2 Skalering

Skaleringen av miniatyrmodellen ble gjort etter tunnelprofil T9.5. Vi utførte skalerin- gen ved å ta utgangspunkt i viftestørrelsene, ettersom de minste viftene som kunne kjøpes inn, var PC-vifter med diameter på 0.04 meter. Forholdstallet til viftediameteren mellom en ekte vifte og PC-vifte er satt opp i tabell 3.1, hvor skaleringsfaktoren ble 30.

Videre ble ønsket diameter på modellrøret funnet ved å dividere ekte tunnel-diameter på skaleringsfaktoren:

9.5m

30 =0.316m

Spirorøret som ble kjøpt inn hadde diameter på 0.315 m, så størrelsene er tilnærmet like. For å finne lengden på modellrøret ble tunnelprofilen med lengde 1km skalert

ned: 1000m

30 =33.3m

Det viser seg at røret på miniatyrmodellen burde vært 33.3 meter langt, men dette var ikke mulig å oppnå grunnet plassmangel. I dette prosjektet er miniatyrmodellen valgt til å være 5m, og lengden er derfor ikke riktig skalert sammenlignet med en ekte tunnel. Tunnelprofilen er skalert riktig så man vil fortsatt kunne bruke data som kommer fra testing av dette røret.

Tabell 3.1: Sammenligning mellom ekte tunnel og tunnelmodellen . V i f t ear eal_N er arealet av PC-viftene i miniatyrmodellen og ventilatorene i ekte tunnel. Tunnel ar eal_N er arealet basert på normalprofil for en ekte tunnel, og areal av tverrsnitt i miniatyrmodellen. Mini står for miniatyrmodellen

Mini Ekte Ekte/Mini Tunneldiameter 0.315m 9.5m _0.315m^9.5m =30 Tunnel ar eal_N 0.0779m² 53.60m² _0.0779m^53.6m22 =688 Viftediameter 0.04m 1.2m _0.04m^1.2m =30 V i f t ear eal_N 1.26∗10⁻3m² 1.13m² _1.26e^1.13m_−3m²2 =897

3.1.3 Testprosedyre for miniatyrmodell

Under er en komplett utstyrsliste for å kunne utføre målinger av lufthastighet i miniatyrmodellen:

• Miniatyrmodell

• Oscilloskop med signalgenerator

• Koblingsbrett

• Strømforsyning

• Multimeter

• Vindmåler

PC-viftene ble koplet til et koblingsbrett som fikk 12V inn fra en strømforsyning.

Multimeteret er brukt for å være sikker på at PC-viftene fikk tilført riktig spenning, siden maksimal spenning inn er 12V ifølge databladet Digi-Key electronics 2018a.

Signalgeneratoren på oscilloskopet genererte et PWM-signal til viftene med PWM- inngang, for å kunne hastighetsjustere disse viftene. Oppkoblingen av utstyret vises i figur 3.4.

Figur 3.4:Figuren viser fra venstre en strømforsyning, multimeter, koblingsbrett og oscilloskop, koplet sammen med viftegruppene i tunnelmodellen. Fotografi av Emilia 15.mars 2018

Før testingen var det viktig å eliminere faktorer som kunne påvirke og forstyrre vindmålingene. Dette kunne blant annet være at deler av luftstrømmen slapp ut fra hullene som ble boret for målinger og installasjon av vifter. Derfor ble hullene for ledninger dekket med gaffateip, og hull for vindmålinger dekket med heftemasse.

Alle viftene i miniatyrmodellen ble slått på, og gruppen prøvde å observere om det kunne identifiseres merkbar luftutstrømming. Rørovergangene og de tettede hullene ble sjekket, og det ble ikke funnet luftutstrømming fra disse stedene. Det er fortsatt mulig at litt luft slipper ut, men det antas å være så lite at det ikke påvirker målingen.

På forhånd hadde gruppen laget en testeprosedyre for å ha en plan å følge under testingen. Denne er lagt ved som vedlegg 2. Under testing ble alle måledataene skrevet inn i et excelark for å kunne importere dataen til MATLAB for analyse. Excelarket er lagt ved som vedlegg.

Vindmålingene ble gjort ved å senke måleren ned i 1 cm store hull, som er boret inn åtte steder langs toppen av tunnelrøret. Målepunktene kan sees i figur 3.5.

Målepunktene ved innløpet er plassert annerledes enn de resterende seks hullene.

Den første er plassert rett ved innløpet, og den andre mellom målepunkt nr.1 og første viftegruppe. Det var ønskelig å finne ut hvordan luftstrømmene oppførte seg når de går inn i en tunnel, og før de blir påvirket av en viftegruppe. De seks resterende hullene er plassert rett etter, og rett før en viftegruppe. Dette ble anslått til å være de mest interessante punktene å gjøre målinger. Det er fordi man får sett hva som skjer med lufthastigheten rett etter viftene, og hvor mye hastighet som har gått tapt når luften kommer til en ny viftegruppe.

Figur 3.5:Figuren viser en skisse av posisjonene til målepunktene 1-8 og punktmålingene A, B, C.

Tegnet av E. Kirkvik og E. Sortland 10.mai 2018

Vindmålingene ble utført ved bruk av måleren VelociCalc Plus TSI. Maksimal lufthastighet som ble oppnådd med alle viftene på var 0.8 m/s, derfor var det viktig med en vindmåler som viste stabile verdier ved lav lufthastighet. Derfor fungerte VelociCalc godt til disse testene. Målingene i hvert målepunkt ble utført slik at vindhastigheten ble registrert på tre steder i samme målepunkt; nederst, midtert og øverst. Disse lokasjonene vises som A, B og C i figur 3.5 der A er øverst, B er midten og C nederst. Deretter ble gjennomsnittet av disse tre verdiene regnet ut, som da var lufthastigheten for dette målepunktet.

3.2 Utførelse av simulering

Denne metoden ble utført ved å gjøre tester på en 3D-modell ved å simulere luftstrømmer ved bruk av ANSYS. Beskrivelse som blir gitt her inkluderer blant annet design av 3D-modellen, oppsettet av simuleringene og simuleringsprosedyrene.

Oppsettet til simuleringene er noe av det viktigste med denne metoden, da dette påvirker resultatet fra simuleringene og der noen viktige punkter er; definering av grenseverdier, generering av meshgrid, valg av turbulensmodell og valg av løsningsmetode.

3.2.1 Design av 3D-modellen

Den endelige 3D-modellen baserer seg på tunnelprofilen T9.5 og data fra tabell 2.3, figur 2.3 - plantegning til tunnelprofil T9.5 og figur 2.2 - dimensjoner til en ventilator.

3D-modellen er 800m lang og består av fire moduler, der ventilatorene er plassert ved koblingene av disse. Fra figur 3.6 er plassering av ventilatorene på respektive 250m, 400m og 550m fra tunnelinnløpet. Plasseringene av ventilatorene er plassert slik at de stemmer overens med deres plassering i en virkelig tunnel. 3D-modellen skal representere en tunnel med en viftegruppe bestående av seks ventilatorer.

Figur 3.6:Figuren viser lengde til 3D modellen og plasseringen av ventilatorene, 250m, 400m og 550m fra tunnelinnløpet. Tegnet av T. Myrvang 15. februar 2018

Figur 3.7:Figuren viser dimensjonene og plasseringen til ventilatorene i forhold til tunneltversnittet.

Tegnet av T. Myrvang 15. februar 2018

Figur 3.7 viser målene til 3D-modellen. For å forenkle arbeidet med å sette opp problemet i ANSYS, er 3D-modellen laget slik at den er en form for invertert tunnel, der domenet til luften er modellert. Det vil si at det er gjort en ekstrudering av innløps- og utløpskanalene til ventilatorene i 3D-modellen slik at dette er et tomrom hvor det ikke blir beregnet noen verdier. Tunnelvegg og vegdekke er gitt som lukkete overflater og egenskapene til disse, som friksjonskoeffisient, er definert som grenseverdier.

Figur 3.8: Figuren viser en skisse av tunnel sett ovenfra. Denne viser hvordan ventilatorene er nummerert, hvilken vei de skal blåse ut luft og hvor tunnelinnløp og -utløp er plassert.Merk: skissen er ikke i målestokk.Tegnet av T. Myrvang 20. februar 2018