Povećana potražnja za energijom u svijetu, kao i sve stroži propisi i zahtjevi za zaštitom okoliša rezultirali su većim korištenjem energije vjetra, odnosno rastom izgradnje energetskih objekata koji ...proizvode struju iz vjetra. Proces izgradnje vjetroelektrane složen je proces koji traje više godina i uključuje brojne radnje, od planiranja, do provođenja različitih analiza. Jedna od ključnih analiza tijekom izgradnje vjetroelektrane je analiza procjene vjetropotencijala, na temelju koje se utvrđuje količina vjetra na željenoj lokaciji i samim time utvrđuje isplativost gradnje vjetroelektrane. Proces procjene vjetropotencijala također je složen proces koji obuhvaća brojne radnje, a simulacije koje se provode na temelju meteoroloških i topografskih parametara (visina, hrapavost i prepreke) mogu se izvoditi u različitim fizikalnim modelima, od kojih su najpoznatiji linearni BZ model kojeg koristi program WAsP, te sve prisutniji CFD modeli. U ovom istraživanju korišten je program WAsP na području postojeće Vjetroelektrane „Danilo“ kod Šibenika da bi se utvrdilo u kolikoj mjeri topografski parametri utječu na procjenu vjetropotencijala. Vremenski okvir meteoroloških podataka istraživanja uzet je od 1. prosinca 2015. do 1. prosinca 2016. u kojem nije bilo grešaka na mjernom stupu. Najveći dio istraživanja odnosi se na visinske podatke koji aproksimiraju stvarni reljef oko vjetroelektrane. Oni su dobiveni iz 6 različitih globalnih DEM-ova, Topografske karte 1:25.000 i Digitalnog modela visina Državne geodetske uprave Republike Hrvatske. Izohipse izdvojene iz ovih izvora podijeljene su u 4 kategorije s različitim ekvidistancama: 2,5, 5, 10 i 20 metara. Simulacije su provedene na istraživanom području radijusa 5, 10, 15 i 20 kilometara oko svih stupova Vjetroelektrane „Danilo“. Testiranjem različitih područja i visinskih podataka dobiveno je 136 kombinacija. Utvrđeno je da je procijenjena proizvodnja u prosjeku manja od stvarne proizvodnje za 12 do 15 %, ovisno o izvoru visinskih podataka. Najbolja procjena temeljena je na EUDEM modelu, dok se procjena s najvećim odstupanjem temelji na na topografskoj karti. Od testiranih područja utvrđeno je da se najbolja procjena ostvaruje na području radijusa 10 km oko vjetroelektrane. U kombinaciji modela veće i manje rezolucije utvrđeno je da modeli veće rezolucije daju bolje procjene. Kod istraživanja ekvidistance izohipsa utvrđeno je da su kod tri od ukupno šest modela najbolju procjenu dale izohipse ekvidistance 20 metara.
An increased demand for energy in the World, as well as gradually more strict regulations in environmental protection have resulted in a more extensive usage of wind power and an increase in construction of energy plants that use wind to generate electricity. Construction of wind power plants is a complex process that lasts for years and includes many tasks like planning and implementing various analyses. One of the key analyses in the process of constructing a wind power plant is the analysis of wind estimation that is used to determine the amount of wind on a location and the profitability of the construction. The process of wind power estimation is also a complex process that includes many actions and the simulations performed based on meteorological and topographic parameters (altitude, roughness and obstacles) may be conducted in various physical models, like the widely known linear BZ model used by the WAsP program, as well as the increasingly used CFD models. This research applies the WAsP program in the area of the existing wind power plant “Danilo” near Šibenik, Croatia to determine the degree of influence of topographic parameters on wind estimation. The used timescale of meteorological data is December 1, 2015 to December 1, 2016, during which there were no errors on the measuring mast. Most of the research focuses on altitude data that approximate the real relief around the wind power plant. They have been extracted from 6 different global DEMs, topographic maps scaled 1:25.000 and Digital model of altitudes by the National geodetic administration of the Republic of Croatia. The contour lines singled out from these sources have been organized info 4 categories with different equidistances – 2.5, 5, 10 and 20 meters. The simulations have been conducted within the researched area with a radius of 5, 10, 15 and 20 kilometers around each turbine of the “Danilo” wind power plant. Through the testing of various areas and altitude data a total of 136 combinations have been acquired. It has been confirmed that the estimated average power generation is lower than the real power generation by 12 to 15%, depending on the source of altitude data. The most precise estimation was based on EUDEM model, while the estimation with the highest deviation was the one based on topographic map. It has been found that within the tested areas the best estimation is made for the area within the 10-kilometer radius around the wind power plant. Through combining the models with higher and lower resolution it has been determined that the models with higher resolution provide better estimations. Furthermore, in the research of contour line equidistances it has been determined that the contour lines with an equidistance of 20 meters give the best estimate in three out of six used models.
Povećana potražnja za energijom u svijetu, kao i sve stroži propisi i zahtjevi za zaštitom okoliša rezultirali su većim korištenjem energije vjetra, odnosno rastom izgradnje energetskih objekata koji proizvode struju iz vjetra. Proces izgradnje vjetroelektrane složen je proces koji traje više godina i uključuje brojne radnje, od planiranja, do provođenja različitih analiza. Jedna od ključnih analiza tijekom izgradnje vjetroelektrane je analiza procjene vjetropotencijala, na temelju koje se utvrđuje količina vjetra na željenoj lokaciji i samim time utvrđuje isplativost gradnje vjetroelektrane. Proces procjene vjetropotencijala također je složen proces koji obuhvaća brojne radnje, a simulacije koje se provode na temelju meteoroloških i topografskih parametara (visina, hrapavost i prepreke) mogu se izvoditi u različitim fizikalnim modelima, od kojih su najpoznatiji linearni BZ model kojeg koristi program WAsP, te sve prisutniji CFD modeli. U ovom istraživanju korišten je program WAsP na području postojeće Vjetroelektrane „Danilo“ kod Šibenika da bi se utvrdilo u kolikoj mjeri topografski parametri utječu na procjenu vjetropotencijala. Vremenski okvir meteoroloških podataka istraživanja uzet je od 1. prosinca 2015. do 1. prosinca 2016. u kojem nije bilo grešaka na mjernom stupu. Najveći dio istraživanja odnosi se na visinske podatke koji aproksimiraju stvarni reljef oko vjetroelektrane. Oni su dobiveni iz 6 različitih globalnih DEM-ova, Topografske karte 1:25.000 i Digitalnog modela visina Državne geodetske uprave Republike Hrvatske. Izohipse izdvojene iz ovih izvora podijeljene su u 4 kategorije s različitim ekvidistancama: 2,5, 5, 10 i 20 metara. Simulacije su provedene na istraživanom području radijusa 5, 10, 15 i 20 kilometara oko svih stupova Vjetroelektrane „Danilo“. Testiranjem različitih područja i visinskih podataka dobiveno je 136 kombinacija. Utvrđeno je da je procijenjena proizvodnja u prosjeku manja od stvarne proizvodnje za 12 do 15 %, ovisno o izvoru visinskih podataka. Najbolja procjena temeljena je na EUDEM modelu, dok se procjena s najvećim odstupanjem temelji na na topografskoj karti. Od testiranih područja utvrđeno je da se najbolja procjena ostvaruje na području radijusa 10 km oko vjetroelektrane. U kombinaciji modela veće i manje rezolucije utvrđeno je da modeli veće rezolucije daju bolje procjene. Kod istraživanja ekvidistance izohipsa utvrđeno je da su kod tri od ukupno šest modela najbolju procjenu dale izohipse ekvidistance 20 metara.
U doktorskoj disertaciji su prezentirani rezultati istraživanja eksploatacijske pouzdanosti i
pogodnosti održavanja (popravljivosti) brzookretnih radijalnih brodskih dizelskih motora.
Za primjenu ...opće teorije pouzdanosti na motore tipa „Zvezda“ M 504 B2, koji čine najvažniji
dio propulzijskog podsustava raketnih topovnjača HRM (RTOP 11 i RTOP 12), učinjena je
statistička obrada i znanstvena analiza velikog broja podataka uzetih iz prakse, a sve u cilju
poboljšanja i unapređenja ukupne pouzdanosti cijele flote.
U analizi je predložen model pouzdanosti raketne topovnjače gdje se vide svi njezini
podsustavi, a praksa je pokazala da propulzijski podsustav najviše utječe na ukupnu pouzdanost
tih brodova, pa time i na ratnu spremnost. Stoga je kao predmet istraživanja odabran glavni
motor kojeg je trebalo raščlaniti na podsustave, a sve na osnovi eksploatacijskih podataka i u
cilju utvrđivanja pouzdanosti svakog pojedinog podsustava.
Cilj istraživanja je bilo utvrditi funkciju pouzdanosti, funkciju intenziteta kvara i funkciju
popravljivosti motora u zahtijevanim operativnim uvjetima Jadranskog akvatorija, te dobivene
rezultate usporediti s istraživanjima drugih autora u svrhu sagledavanja trendova i znanstvene
relevantnosti.
Znanstveno je dokazano kako Weibullova distribucija najbolje aproksimira karakteristiku
eksploatacijske pouzdanosti, a očekivano vrijeme rada bez kvara može se dobro aproksimirati
srednjim vremenom između kvara.
Jednako tako utvrđeno je kako Normalna distribucija najbolje aproksimira empirijsku funkciju
pogodnosti održavanja odnosno popravljivosti, a srednja vrijednost vremena održavanja
odgovara srednjem vremenu popravka motora po podsustavima.
Rezultati istraživanja se mogu primijeniti i na druge slične brodske motore, ali i na dizelske
motore drugih platformi. U disertaciji su povezani rezultati istraživanja i znanstveno priopćenje
na način da se povezuju teorijske postavke iz znanstvene literature i neposredna praktična
primjena u cilju povećanja operativne raspoloživosti. Neposredna korisnost očituje se u
predviđanju kvarova vitalnih podsustava i dijelova dizelskih motora te alociranju potrebnih
remontnih kapaciteta, financijskih potreba i nabave pričuvnih dijelova, kao i u povećanju
kvalitete obuke i osposobljavanja kadrova u eksploataciji i održavanju. Naglašena je i važnost
kvalitetnog vođenja dokumentacije u cilju poboljšanja predloženog modela.
This doctoral dissertation provides results of a research on operational reliability and
maintainability of a high speed radial diesel engine. To apply the general theory of reliability on
engines type ‘’Zvezda’’ M 504 B2, which are the most important part of the propulsion
subsystem of missile boats (RTOP 11 and RTOP 12), statistical analysis was performed and
scientific analysis of a large number of data taken from practice and all with the aim of
improving overall reliability of the whole Fleet.
In the analysis proposed model of reliability of missile boats is one where it can be seen all of
its subsystem, but practice has shown that the propulsion subsystem has the greatest impact on
the overall reliability of these ships, and therefore on the war preparedness. Therefore, as a
research subject selected is a main engine which had to be broken down in subsystem and all
based on exploitation data and all in order to ascertain the reliability of each individual
subsystem.
The aim of this research was to determine a reliability function, failure intensity function as well
as maintainability function of the engine in demanding operational conditions in the Adriatic
sea and to compare the results with those obtained by different researches in order to perceive
trends and their scientific relevance.
It has been concluded that the Weibull distribution approximates the best the operational
reliability and the expected trouble-free period of operation can be well approximated by the
mean time between failures.
It has also been found out that the normal distribution best approximates the empirical function
of maintainability or engine reparability and the mean maintenance time complies with the
mean engine repair time by subsystems.
The research results can be applied to other similar boat engines as well as to diesel engines of
different platforms. This doctoral dissertation connects the research results with scientific
reports in the way that theoretical hypotheses from the literature are related to direct
applications in order to improve the operational availability.
Immediate usefulness is evident in predicting failures in vital subsystems and of different diesel
engine parts and in the allocation of necessary ship repair facilities, financial needs and spare
parts procurement as well as in improving the quality of training and qualification. Emphasize
the importance of high-quality document management in order to improve the proposed model.
U doktorskoj disertaciji su prezentirani rezultati istraživanja eksploatacijske pouzdanosti i
pogodnosti održavanja (popravljivosti) brzookretnih radijalnih brodskih dizelskih motora.
Za primjenu opće teorije pouzdanosti na motore tipa „Zvezda“ M 504 B2, koji čine najvažniji
dio propulzijskog podsustava raketnih topovnjača HRM (RTOP 11 i RTOP 12), učinjena je
statistička obrada i znanstvena analiza velikog broja podataka uzetih iz prakse, a sve u cilju
poboljšanja i unapređenja ukupne pouzdanosti cijele flote.
U analizi je predložen model pouzdanosti raketne topovnjače gdje se vide svi njezini
podsustavi, a praksa je pokazala da propulzijski podsustav najviše utječe na ukupnu pouzdanost
tih brodova, pa time i na ratnu spremnost. Stoga je kao predmet istraživanja odabran glavni
motor kojeg je trebalo raščlaniti na podsustave, a sve na osnovi eksploatacijskih podataka i u
cilju utvrđivanja pouzdanosti svakog pojedinog podsustava.
Cilj istraživanja je bilo utvrditi funkciju pouzdanosti, funkciju intenziteta kvara i funkciju
popravljivosti motora u zahtijevanim operativnim uvjetima Jadranskog akvatorija, te dobivene
rezultate usporediti s istraživanjima drugih autora u svrhu sagledavanja trendova i znanstvene
relevantnosti.
Znanstveno je dokazano kako Weibullova distribucija najbolje aproksimira karakteristiku
eksploatacijske pouzdanosti, a očekivano vrijeme rada bez kvara može se dobro aproksimirati
srednjim vremenom između kvara.
Jednako tako utvrđeno je kako Normalna distribucija najbolje aproksimira empirijsku funkciju
pogodnosti održavanja odnosno popravljivosti, a srednja vrijednost vremena održavanja
odgovara srednjem vremenu popravka motora po podsustavima.
Rezultati istraživanja se mogu primijeniti i na druge slične brodske motore, ali i na dizelske
motore drugih platformi. U disertaciji su povezani rezultati istraživanja i znanstveno priopćenje
na način da se povezuju teorijske postavke iz znanstvene literature i neposredna praktična
primjena u cilju povećanja operativne raspoloživosti. Neposredna korisnost očituje se u
predviđanju kvarova vitalnih podsustava i dijelova dizelskih motora te alociranju potrebnih
remontnih kapaciteta, financijskih potreba i nabave pričuvnih dijelova, kao i u povećanju
kvalitete obuke i osposobljavanja kadrova u eksploataciji i održavanju. Naglašena je i važnost
kvalitetnog vođenja dokumentacije u cilju poboljšanja predloženog modela.
U doktorskoj disertaciji razvijen je kvazidimenzijski (QD) model izgaranja koji je uspješno implementiran u postojeći nultodimenzijski (0D) numerički model. U odnosu na slična znanstvena istraživanja ...dizelskih motora s unutarnjim izgaranjem, razvijenim kvazidimenzijskim modelom napravljena su brojna poboljšanja u području matematičkog modeliranja.
Prvenstveno, razvijeni numerički model prati radne parametre dizelskog motora u trenutku kada se oni mijenjaju, dakle izračun tlaka i temperature kao osnovnih varijabli svake numeričkesimulacije u tom se slučaju vrši izravno, bez primjene iteracijskih postupaka. Kod numeričkih podmodela koji su sastavni dijelovi kvazidimenzijskog numeričkog modela uočen je veliki broj eksperimentalno određenih konstanti koje vrijede za jedan modelirani dizelski motor odnosno nemaju širu primjenu. U disertaciji je predstavljen ispravak tih konstanti. Konstante sada omogućuju točnije simuliranje promatranih pojava i vrijede za čitav raspon
dizelskih motora s unutarnjim izgaranjem. U ovoj se disertaciji koriste svojstva realnih para i plinova za termodinamičke proračune u cilindru motora, što čini matematički model iznimno kompleksnim. Kako se koriste svojstva realnog, a ne idealiziranog radnog medija, bilo je nužno smanjiti korak integracije unutar uobičajenog koraka integracije, koji koriste ostali autori u istraživanjima na temu kvazidimenzijskog modeliranja. Takav zahtjev stvara dodatnu komplikaciju, jer nužno zahtijeva drugačiji način definiranja kontrolnih volumena (paketa), koji nastaju u cilindru dizelskog motora, prema postavkama kvazidimenzijskog modeliranja. Predstavljeno rješenje tog problema ne samo da čini matematičku shemu stabilnom i robusnom već ne usporava proračun, a dobiveni rezultati simulacija su vrlo točni i precizni u odnosu na provedena mjerenja istih radnih
parametara na realnom motoru. Kako bi se numerički model validirao, izvedena su mjerenja na dizelskom motoru MAN D 0826
LOH15 u Laboratoriju za toplotne batne stroje Fakultete za strojništvo, Univerze v Ljubljani. Budući da je razvijeni numerički model pokazao dobra poklapanja s izmjerenim vrijednostima, prikazani su i brojni drugi radni parametri ispitivanoga motora koje bi bilo teško ili nemoguće izmjeriti na stvarnome motoru. Numeričko modeliranje omogućuje simulaciju različitih radnih parametara motora, uz prihvatljivu točnost i preciznost, kao i uz prihvatljivi vremenski raspon potreban za izvršenje simulacije.
U konačnici, razvijeni kvazidimenzijski model prilagođen je za simulaciju brodskoga sporohodnoga dvotaktnog motora. Izvršene su simulacije i uspoređene s dostupnim mjerenjima. I u tom slučaju dobivena su vrlo dobra poklapanja izmjerenih vrijednosti u odnosu na one izračunate simulacijom.
In doctoral thesis, quasidimensional (QD) combustion model was developed, and successfully implemented in existing zerodimensional (0D) numerical model. Compared to another similar scientific researches of diesel internal combustion engines, with developed quasidimensional model, a number of improvements in the field of mathematical modeling were made. Primarily, the developed numerical model monitors the operating parameters of the diesel engine at the moment when they are changing, therefore the calculation of pressure and temperature as the basic variables of each numerical simulation, in this case is performed directly, without using iterative methods. In numerical sub models which are integral parts of the quasidimensional numerical model, there was observed a large number of experimentally determined constants which are valid for certain modeled diesel engine, respectively, they have a narrow application. In this thesis a correction of
these constants was presented. Constants now enable more accurate simulation of the observed phenomena, and they are valid for the whole range of diesel engines. In this thesis are used properties of real gases and vapors for thermodynamic calculations in the engine cylinder, which makes that the mathematical model is extremely complex. Because of real, not an idealized working fluid properties, it was necessary to reduce the integration step, within usual integration step, used by other authors in their quasidimensional modeling research. This requirement creates an additional complication, because it necessarily requires a different way of defining volumes, for volumes generated in diesel engine cylinder, according to the
quasidimensional modeling settings. Presented solution of this problem, not only makes the mathematical scheme stable and robust, but does not slow down the simulations, and the obtained results are very accurate and precise in relation to the measurements of the same operating parameters on a real engine. For numerical model validation, measurements were performed on diesel engine MAN D 0826 LOH15 in the Laboratory for Internal Combustion Engines, Faculty of Mechanical Engineering, University of Ljubljana. Since the developed numerical model showed good matching with measured values, there are shown a number of other operating parameters of the tested engine which would be difficult or impossible to measure on the real engine. Numerical modeling allows simulation of various engine operating parameters, with acceptable accuracy and precision, and an acceptable time span required for a simulation execution. Finally, developed quasidimensional model is adapted for simulation of the ship's slow speed two-stroke engine. Simulations were performed and compared with available measurements. Also in this case, very good matching of the measured values compared to those calculated by simulation were obtained.
U usporedbi s drugim strojevima za pogon broda dvotaktni sporohodni dizelski motori
s prednabijanjem imaju prednosti zbog svog visokog stupnja djelovanja i pouzdanosti.
Suvremeni sporohodni brodski ...dizelski motori imaju veliku fleksibilnost u radu obzirom
na varijabilne strategije ubrizgavanja goriva i upravljanja ispušnih ventila. Kod tih ”inteligentnih”
motora moguće je tijekom rada (bez zaustavljanja motora) mijenjati strategiju
ubrizgavanja goriva i pogona ispušnog ventila, čime se značajno mogu mijenjati vanjske
karakteristike motora. Uvjeti proizvođača motora, nužni za pouzdanost rada i priznavanje
garantnih uvjeta, koji definiraju strategiju gradijenta opterećenja i vođenje rada
motora, ugrađeni su u sustav regulacije i zaštite rada motora.
Modeli za numeričke simulacije rada motora u stanju su vrlo pouzdano prognozirati
karakteristike i ponašanje motora u različitim pogonskim uvjetima. Uz to što omogućuju
bolji uvid u različite aspekte rada motora, daju i dodatne informacije iz ograničeno
dostupnih eksperimentalnih podataka.
U ovoj disertaciji provedene su numeričke simulacije za izračunavanje stacionarnih
stanja rada motora. U simulaciji se motor se postupno dovodi u stacionarnu radnu točku
za što je potrebno određeno vrijeme koje zna biti i višestruko duže nego kod stvarnog
rada motora.
Rezultati numeričkih simulacija za uvjete rada brodskog dizelskog motora primjenjeni
su za odabir vrste i strukture neuronske mreže koja je korištena u ovom radu, njeno učenje
i validaciju. Izrada modela s neuronskom mrežom iz simulacijskog modela radi postizanja
određenih performansi, a i novih mogućnosti analize podataka koje je bi inače teško
postigli, nije jednostavan zadatak. Pri obradi podataka neuronska mreža je pokazala
velike dijagnostičke mogućnosti za prepoznavanje problematičnih podataka.
Odabrana neuronska mreža zadovoljila je unaprijed zadanu točnost i spremna je za
prihvat budućih eksperimentalnih podataka i njihovu obradu. Razvijeni model neuronske
mrežu u stanju je dati tražene podatke karakteristika motora više od 3000 puta u kraćem
vremenu nego numeričke simulacije za zadanu stacionarnu radnu točku. Brzina rada
neuronske mreže čini je pogodnom za brze proračune u iznalaženju optimalnih uvjeta po
različitim kriterijima koje možemo proizvoljno nametati.
U radu se istražuje efikasno predviđanje radnih parametara u svrhu optimalnog upravljanja.
Istražena je i mogućnost da se izlazni rezultati naučenih neuronskih mreža koriste
kao ulazni podaci za optimizaciju traženih radnih uvjeta. Isto tako istraživanje pokazuje
značajan utjecaj turbopuhala na rad motora. U radu su pokazani primjeri primjene
opisane neuronske mreže za optimizaciju mogućih podešenja suvremenih brodskih ”inteligentnih”
dizelskih motora, s ciljem dovođenja traženog toplinskog toka ispušnih plinova
u radne uvjete za potrebe utilizacije otpadne topline, uz minimalnu specifičnu potrošnju
goriva na motoru, te za optimizaciju maksimalne temperature procesa motora u svrhu
smanjenja emisija NOx-a.
Ovim istraživanjem razvijen je model, baziran na neuronskim mrežama, koji omogućuje
predviđanje parametara rada brodskog dizelskog motora. Namjera prikazanih
istraživanja bila je u izradi modela neuronskih mreža za implementaciju u suvremenim
i inteligentnim sustavima vođenja glavnog brodskog dizelskog motora. Razvijeni model neuronske
mreže u potpunosti je pripremljen za prihvat novih podataka izmjerenih tijekom
eksploatacije motora. Prvim usporedbama izmjerenih podataka i podataka neuronske
mreže moći će se ocijeniti kvaliteta izmjerenih podataka i cijelog mjernog sustava. Ta
ocjena je preduvjet za kasnije analize mogućih odstupanja sustava od očekivanih normalnih
stanja za potrebe dijagnostike nadolazećih kvarova.
Compared to the other machines for ship propulsion, two-stroke low speed diesel engines
with supercharging have advantages due to its high efficiency and reliability. Modern
low speed marine diesel engines have a lot of flexibility in operation due to the variable
fuel injection strategy and management of the exhaust valve. During operation in these
”intelligent” engine it is possible to change the strategy of the fuel injection and exhaust
valve operation (without stopping the engine), which can significantly change the external
characteristics of the engine. Terms of engine manufacturers, necessary for the reliable
operation and recognition of warranty conditions which define the policy gradient of
loading and running the engine, were built into the regulation and protection system of
the engine.
Models for the engine numerical simulations are able to very reliably predict characteristics
and behaviour of the engine in a variety of operating conditions. They provide
greater insight into the various aspects of engine operation and additional information
from limited available experimental data.
This dissertation carried out numerical simulations to calculate the stationary operation
states. In the simulations, engine was gradually led to steady state operating point
This takes some time and can be several times longer than the actual operation.
The results of numerical simulations for heavy duty marine diesel engines were applied
to select the type and structure of the neural network that is used in this paper, also for
its learning and validation. It is not an easy task to develop neural network models with
used simulation model in order to achieve certain performance and new opportunities to
analyse data that would otherwise be difficult to achieve. Neural network data processing
has shown diagnostic capabilities to identify problematic data.
Selected neural network satisfy the required accuracy and is ready to accept future
experimental data and their analysis. Developed neural network model is able to provide
the required engine data characteristics more than 3000 times faster than the numerical
simulations for a given stationary operating point.
This paper explores efficient prediction of operating parameters for optimal control
and the possibility that the outputs of learned neural networks are used as input data
required for operating conditions optimization. Also, research shows that turbochargers
have a significant effect on the engine performance. The dissertation presents examples
of the neural networks application to optimize the potential of modern marine diesel
engines, with the aim of achieving the required exhaust gases heat flow for waste heat
utilization in the working conditions . As well, minimization of the engine specific fuel
consumption, and optimization of the maximum process temperature to reduce emissions
of NOx ’s.
This research developed a model, based on neural networks, in order to predict the
operating parameters of marine diesel engines. The intention was to develop the neural
network model for implementation in intelligent systems running modern main ship diesel
engines. The developed neural network model is fully prepared to accept new data measured
during engine operation. After first comparison between measured data and the
neural network results it will be possible to estimate the quality of measured data and
the entire measurement system. This estimation is a prerequisite for the subsequent analysis
of possible deviations from the expected normal situation for diagnostic upcoming
failures.
U usporedbi s drugim strojevima za pogon broda dvotaktni sporohodni dizelski motori
s prednabijanjem imaju prednosti zbog svog visokog stupnja djelovanja i pouzdanosti.
Suvremeni sporohodni brodski dizelski motori imaju veliku fleksibilnost u radu obzirom
na varijabilne strategije ubrizgavanja goriva i upravljanja ispušnih ventila. Kod tih ”inteligentnih”
motora moguće je tijekom rada (bez zaustavljanja motora) mijenjati strategiju
ubrizgavanja goriva i pogona ispušnog ventila, čime se značajno mogu mijenjati vanjske
karakteristike motora. Uvjeti proizvođača motora, nužni za pouzdanost rada i priznavanje
garantnih uvjeta, koji definiraju strategiju gradijenta opterećenja i vođenje rada
motora, ugrađeni su u sustav regulacije i zaštite rada motora.
Modeli za numeričke simulacije rada motora u stanju su vrlo pouzdano prognozirati
karakteristike i ponašanje motora u različitim pogonskim uvjetima. Uz to što omogućuju
bolji uvid u različite aspekte rada motora, daju i dodatne informacije iz ograničeno
dostupnih eksperimentalnih podataka.
U ovoj disertaciji provedene su numeričke simulacije za izračunavanje stacionarnih
stanja rada motora. U simulaciji se motor se postupno dovodi u stacionarnu radnu točku
za što je potrebno određeno vrijeme koje zna biti i višestruko duže nego kod stvarnog
rada motora.
Rezultati numeričkih simulacija za uvjete rada brodskog dizelskog motora primjenjeni
su za odabir vrste i strukture neuronske mreže koja je korištena u ovom radu, njeno učenje
i validaciju. Izrada modela s neuronskom mrežom iz simulacijskog modela radi postizanja
određenih performansi, a i novih mogućnosti analize podataka koje je bi inače teško
postigli, nije jednostavan zadatak. Pri obradi podataka neuronska mreža je pokazala
velike dijagnostičke mogućnosti za prepoznavanje problematičnih podataka.
Odabrana neuronska mreža zadovoljila je unaprijed zadanu točnost i spremna je za
prihvat budućih eksperimentalnih podataka i njihovu obradu. Razvijeni model neuronske
mrežu u stanju je dati tražene podatke karakteristika motora više od 3000 puta u kraćem
vremenu nego numeričke simulacije za zadanu stacionarnu radnu točku. Brzina rada
neuronske mreže čini je pogodnom za brze proračune u iznalaženju optimalnih uvjeta po
različitim kriterijima koje možemo proizvoljno nametati.
U radu se istražuje efikasno predviđanje radnih parametara u svrhu optimalnog upravljanja.
Istražena je i mogućnost da se izlazni rezultati naučenih neuronskih mreža koriste
kao ulazni podaci za optimizaciju traženih radnih uvjeta. Isto tako istraživanje pokazuje
značajan utjecaj turbopuhala na rad motora. U radu su pokazani primjeri primjene
opisane neur
Stijenke prostorija raznih namjena često se izvode kao paneli s periodičkim ukrepama. U slučaju kad na panel djeluje ravninsko akustičko polje i kad je visina perioda panela najmanje tri puta veća od ...njegove širine, beskonačni panel periodički oslonjen u jednom smjeru može se modelirati kao beskonačna periodički oslonjena greda. Akustički odziv izračunat je metodom virtualnog rada uz definiranje pomaka redom prostornih harmonijskih valova. Rezultati za konačni panel dobiveni su ograničavajući površinu udarnog vala i radijacije zvuka na konačne dimenzije panela koristeći metodu prostornog isječka. U sustavu s dovoljnim prigušenjem maksimalan broj potrebnih prostornih harmonijskih valova za traženu točnost pojavljuje se na najvišoj frekvenciji izračuna međutim ukoliko sustav nije dovoljno prigušen maksimalan broj potrebnih prostornih harmonijskih valova pojavit će se na nižoj frekvenciji. O prigušenju u sustavu ovisit će i granični broj prostornih harmonijskih valova do kojeg se njihove amplitude kod slobodnih vibracija panela brže izračunavaju pomoću metode virtualnog rada nego s razvojem u red. U dijagramu prikaza prostornih harmonijskih valova amplitude i fazne brzine valova definirane su za frekventni pojas što se postiglo definiranjem amplitude vala bojom. U sklopu disertacije izvedena je funkcija oblika slobodnih vibracija grede periodički oslonjene na jednostavne oslonce čija je točnost verificirana primjenom metode virtualnog rada. Rezultati eksperimentalnog modela dobro se slažu sa rezultatima numeričke simulacije.
Room walls in which people reside are often built as panels with periodical stiffeners because
the aim is to have walls with sufficient rigidity and minimum mass. That kind of panels have
specific acoustic response which can be modelled with simplified methods because of
periodic repetition of boundary conditions which causes minimising of calculation time with
optimal accuracy. In the case when the panel is excited with plane acoustic waves and when
the height of the panel period is minimally three times larger than its width, infinite panel
periodically supported in one direction can be modelled as infinite periodically supported
beam which is the case in this dissertation. Acoustical response is calculated with the method
od virtual work with displacement defined with series of space-harmonic waves. Concerning
that the model is infinite and that a goal is to calculate finite panel the acoustic and structural
coupling effects are limited to the area of finite panel using spatial windowing method.
In this dissertation a theoretical description and numerical results of influence of
damping in periodical stiffeners on the panel acoustic response is given. The influence of the
number of space-harmonic waves on the calculation accuracy of the panel acoustic response
and panel free vibrations is analysed. When there is sufficient damping in the system the
maximum number of space-harmonic waves for gaining an appropriate accuracy appear on
the maximum frequency as it is published in the literature but if the damping is low, the
maximum number of space-harmonic waves appear on lower frequency. Damping in the
sistem also influences the number of space-harmonic waves bellow which there amplitudes of
free vibrations are faster calculated with the method of virtual work than with the series
expansion. Space-harmonic waves in the literature are presented in diagrams with amplitudes
and phase velocities for one frequency. In this dissertation a diagram with amplitude and
phase velocities for an frequency spectrum is used where wave amplitudes are defined with
color. With this approach the changes in the frequency domain can be easily seen. Also, free
vibrations of infinite periodically supported beam on simple supports are calculated where a
new shape function is derived and its accuracy is confirmed with the method of virtual work.
In accordance with numerical simulation within the current computer possibilities
experimental boundary conditions are chosen and the experiments where done. The results of
eksperimental model are in a good agreement with the results of numerical simulation.
Tehnološki procesi izrade biokompatibilnih dijelova predstavljaju polazište prilikom izrade implantata i rekonstrukcije anatomske geometrije. Zahvaljujući snažnom tehnološkom napretku omogućena je ...uža suradnja između istraživača u biotehnološkom području. Postojeći protokoli i tehnološka rješenja moraju se stalno razvijati i češće mijenjati uzimajući u obzir postojeću strukturu kako bi se prilagodili trendovima i svakodnevne izazove koji stoje pred njima.
U radu je predstavljen cjeloviti teorijski prikaz s područja tehnologije brze izrade prototipova, medicinske dijagnostike, segmentacijskih tehnika kao i analiza postojećih protokola prilikom rekonstrukcije anatomske geometrije.
Cilj ove disertacije bio je optimizirati tehnološki proces izrade biokompatibilnih dijelova prilikom rekonstrukcije i izrade implantata poštujući pravo svakog pacijenta na što kvalitetniju uslugu i medicinsku skrb. U tu svrhu izvršena je analiza postojećih tehnologija i protokola koji se primjenjuju te su definirane nove smjernice i dan prijedlog novog protokola uzimajući u obzir dostupne tehnološke kapacitete, njihova ograničenja i prednosti. Zaključno, izložen je pregled nekolicine studija slučaja s detaljnim prikazom temeljenim na uporabi opisanih tehnika i za potrebe ove disertacije razvijenog protokola te novog programskog rješenja.
Technological processes of biocompatible components are of utmost importance when making implants and reconstruction of anatomical geometry. The fast technological progress has enabled closer cooperation between researchers in the field of biotechnology. Existing protocols and solutions must be constantly developed and frequently changed, taking into account the existing structure which are to be adapted to the trends and everyday challenges.
Therefore, the paper provides a comprehensive theoretical view of the technology of additive manufacturing systems, medical diagnostics, segmentational techniques and analyses of existing protocols during the reconstruction of anatomical geometry.
The aim of this thesis was to optimize the technological process of manufacturing biocompatible parts which are to be reconstructed and also of implants which are to be developed while respecting the right of every patient for the best service and medical care. For this purpose, an analysis of existing technologies and protocols have been used and defined by new guidelines and with a new protocol, taking into account the available technological capabilities, their limitations and advantages.
Finally, a review of several case studies with a detailed presentation based on the use of techniques has been described. Clearly, for the purposes of this dissertation, new protocols and software solutions have been developed.
Smanjenje emisija dušikovih oksida i čađe uz povećanje stupnja djelovanja glavni su ciljevi kod razvoja suvremenih dizelskih motora. Proizvođači velikih brodskih motora razvijaju sustave koji ...omogućuju veliku fleksibilnost u radu i različite strategije koje omogućuju postizanje spomenutih ciljeva. U tu svrhu se osim mjerenja koriste kompjutorske simulacije. Za proračun tvorbe štetnih tvari najprikladnije su 3D numeričke simulacije. Veliki brodski
motor specifičan je zbog svojih dimenzija, zbog goriva koje koristi, zbog smještaja rasprskača te zbog male brzine vrtnje.
U radu je razvijen model velikog brodskog motora pomoću OpenFOAM programskog kompleta alata. Ugrađen je model teškog goriva i model za čađu. Korigirani su parametri modela mlaza. Testiran je čitav raspon proračunskih mreža različitih karakteristika. Validacija je vršena na komori izgaranja konstantnog volumena, na vozilskom dizelskom motoru i konačno na velikom brodskom motoru. Nakon što je postignuto zadovoljavajuće poklapanje s eksperimentalnim mjerenjima, izvršena je serija simulacija pri čemu su analizirane mogućnosti smanjenja emisija. Korištene su strategije smanjenja temperature ispirnog zraka, recirkulacije ispušnih plinova te alternativnih obrazaca ubrizgavanja. Nakon izvršene analize, sve testirane metode su se pokazale kao djelotvorne u smanjenju emisija štetnih tvari.
The reduction of NOx and soot emissions are, beside the improvement of fuel efficiency, the
main goals of the development of modern diesel engines. The manufacturers of large marine
engines are developing systems that allow a great operation flexibility and different strategies
that allow the mentioned goals. Except experimental measurements, the computer simulation
is a tool that is used for this scope. 3D numerical simulations are the most appropriate for the
calculation of the pollutants production. The large marine engines are specific for their size,
for the fuel used, for the location of the injectors and for the small revolution rate.
In the present work a large marine engine model was developed with the OpenFOAM
software toolbox. A heavy fuel oil and a soot model were built in. Spray model parameters
were tuned. A set of different calculation meshes was tested. The model validation was
performed on a constant volume combustion chamber, on an automotive diesel engine and
finally on a large marine engine.
After a satisfactory matching with experimental measurements, a set of simulations was
performed by which the possibility of emissions reduction was evaluated. The strategies of
scavenging air temperature reduction, exhaust gas recirculation and alternative injection
patterns were used. After the end of the analysis all the methods resulted in a reduction of
pollutant emissions.
U radu je provedena termodinamička i hidrodinamička analiza kompaktnih izmjenjivača
topline različitih konstrukcijskih tipova s ciljem optimizacije njihove geometrije.
Termodinamička analiza je ...ostvarena numeričkim putem uz provjeru matematičkog modela i
pripadajućih mu numeričkih simulacija eksperimentalnim putem. U zračnom tunelu
otvorenog tipa, namjenski razvijenom za potrebe ovog istraživanja, mjereni su temperatura i
maseni protoci radnih medija na cijevnom lamelnom i na dva lamelna izmjenjivača topline s
mikrokanalima. Usporedba dobivenih rezultata mjerenja za navedene izmjenjivače topline je
ostvarena u odnosu na iskoristivost topline i prosječni toplinski tok po ukupnoj masi i
volumenu izmjenjivača. Za numeričku analizu su prema izmjenjivačima topline korištenim u
eksperimentu razvijeni modeli odgovarajuće geometrije u smjeru strujanja vode i strujanja
zraka. Primjenom složenijeg matematičkog modela zrak/voda, koji uključuje provođenje
topline kroz stijenku cijevi i pad temperature vode u aksijalnom smjeru, postignuti su točniji
rezultati u odnosu na modele s pretpostavljenom konstantnom temperaturom stijenke cijevi.
Numerički trodimenzijski modeli izmjenjivača topline su riješeni primjenom metode
kontrolnih volumena. Optimizacija geometrije kompaktnih izmjenjivača topline ostvarena je
za lamelni izmjenjivač topline s mikrokanalima koji pripada vrhunskim tehnologijama u
tehnici grijanja, klimatizacije i ventilacije. Primijenjena je metoda odzivnih ploha za model
izmjenjivača s četiri izabrana parametra od kojih su tri geometrijska, a jedan odražava
izabrani pogonski uvjet. Na osnovi dobivenih rezultata optimizacije formirane su smjernice
za izbor optimalne geometrije lamelnih izmjenjivača topline s mikrokanalima sa stajališta
termodinamičkih i hidrodinamičkih karakteristika.
U radu je provedena termodinamička i hidrodinamička analiza kompaktnih izmjenjivača
topline različitih konstrukcijskih tipova s ciljem optimizacije njihove geometrije.
Termodinamička analiza je ostvarena numeričkim putem uz provjeru matematičkog modela i
pripadajućih mu numeričkih simulacija eksperimentalnim putem. U zračnom tunelu
otvorenog tipa, namjenski razvijenom za potrebe ovog istraživanja, mjereni su temperatura i
maseni protoci radnih medija na cijevnom lamelnom i na dva lamelna izmjenjivača topline s
mikrokanalima. Usporedba dobivenih rezultata mjerenja za navedene izmjenjivače topline je
ostvarena u odnosu na iskoristivost topline i prosječni toplinski tok po ukupnoj masi i
volumenu izmjenjivača. Za numeričku analizu su prema izmjenjivačima topline korištenim u
eksperimentu razvijeni modeli odgovarajuće geometrije u smjeru strujanja vode i strujanja
zraka. Primjenom složenijeg matematičkog modela zrak/voda, koji uključuje provođenje
topline kroz stijenku cijevi i pad temperature vode u aksijalnom smjeru, postignuti su točniji
rezultati u odnosu na modele s pretpostavljenom konstantnom temperaturom stijenke cijevi.
Numerički trodimenzijski modeli izmjenjivača topline su riješeni primjenom metode
kontrolnih volumena. Optimizacija geometrije kompaktnih izmjenjivača topline ostvarena je
za lamelni izmjenjivač topline s mikrokanalima koji pripada vrhunskim tehnologijama u
tehnici grijanja, klimatizacije i ventilacije. Primijenjena je metoda odzivnih ploha za model
izmjenjivača s četiri izabrana parametra od kojih su tri geometrijska, a jedan odražava
izabrani pogonski uvjet. Na osnovi dobivenih rezultata optimizacije formirane su smjernice
za izbor optimalne geometrije lamelnih izmjenjivača topline s mikrokanalima sa stajališta
termodinamičkih i hidrodinamičkih karakteristika.
In this paper thermodynamical and hydraulical analysis of compact heat exchangers of
different construction types has been performed in order to optimize their geometry.
Thermodynamical analysis has been carried out numerically along with the evaluation of the
mathematical model and corresponding numerical simulations through the experiment. In an
open circuit wind tunnel developed on purpose for this investigation, the measurement of
working media temperatures and mass flows for fin-and-tube and two heat exchangers with
microchannel coil has been accomplished. The comparison of the obtained measurement
results for the mentioned heat exchangers has been performed in relation to the heat transfer
effectiveness and specific heat transfer rate per total mass and heat exchanger’s volume. For
the purpose of numerical analysis and in accordance with the heat exchangers used for
experiments, models with adequate geometry in direction of both air and water flow have
been developed. With utilization of air/water side model, more accurate results have been
achieved in relation to the model that assumes constant temperature or constant heat flux on
the pipe wall. Numerical 3D models of heat exchangers have been solved using the finite
volume method. The geometry optimization of compact heat exchangers has been
accomplished for the heat exchanger with microchannel coil that belongs to state of the art
technologies in heating, ventilating and air conditioning industry. The response surface
method has been used for the heat exchanger model with four chosen parameters three of
them being geometrical and one reflecting the chosen operating condition. From the
thermodynamical and hydraulical point of view and based on the obtained optimization
results, directions have been given for the choice of optimal geometry of the heat exchanger
with microchannel coils.
Istraživani su dvovodilni planetni pretvarači, izvedeni sa zupčanicima s ravnim
zubima, koji imaju dva spojna i četiri vanjska vratila i koji omogućuju dvobrzinske pogone.
Sustavno je istražen ...utjecaj raznih varijantni pretvarača s pripadnim osnovnim parametrima
na njihove osnovne karakteristike. Istražen je utjecaj idealnih momentnih omjera planetnih
slogova na prijenosne omjere za obje brzine. Određene su kinematičke mjenjačke
mogućnosti svake od varijanti. Izvedeni su izrazi za određivanje idealnih momentnih omjera
planetnih slogova na osnovu zahtijevanih prijenosnih omjera čime je stvorena osnova za
sintezu dvobrzinskih planetnih pretvarača. Koncipirane su kinematičke sheme koje daju uvid
u raspored zupčanika i vratila različitih varijanti pretvarača. Određene su ekstremne
vrijednosti skokova prijenosa različitih varijanti pretvarača. Identificirane su varijante koje s
aspekta ostvarivih prijenosnih omjera mogu imati širu primjenu u praksi. Izvedeni su izrazi
za određivanje stupnja iskoristivosti planetnih pretvarača te provedene analize stupnja
iskoristivosti kod određenih varijanti. Provedeno je eksperimentalno određivanje stupnja
iskoristivosti na eksperimentalnim pretvaračima s ciljem dokazivanja ispravnosti izvedenih
matematičko-mehaničkih modela. Identificirane su varijante pretvarača kod kojih je moguća
pojava neprihvatljivo velikih specifičnih relativnih brzina vrtnje satelita. Određeni su
specifični momenti na sunčanim zupčanicima različitih varijanti pretvarača koji omogućuju
dimenzioniranje zupčanika planetnih slogova. Razvijen je programski sustav koji omogućuje
analizu, sintezu te ocjenu rješenja i optimalni izbor varijante pretvarača s pripadnim
osnovnim parametrima.
A research has been done on coupled two-carrier planetary gear trains built with spur
gears which consist of two coupled and four external shafts and enable two-speed
transmissions. The influence of different variants of planetary gear trains with related basic
parameters on their basic characteristics has been systematically studied. The influence of
ideal torque ratios for the planetary stages on speed ratios in both speed drives has also been
studied. Kinematic changeable possibilities of each variant have also been designed.
Expressions are defined for the determination of the ideal torque ratios for the planetary
stages considering requested transmission ratios which resulted in the creation of the basis
for synthesis of two-speed planetary gear trains. Kinematic schemes have been created and
they clearly show the shaft and gears arrangement of different variants of planetary gear
trains. Extreme values of ratio of transmission ratios of different variants of planetary gear
trains have been determined and variants have been identified which from the aspect of
possible transmission ratios that can be implemented. Expressions have been deduced for the
determination of the efficiency of planetary gear trains and analyses of the efficiency of the
designated variants have been conducted. The experimental determination of the efficiency
has been carried out on experimental planetary gear trains for the purpose of proving the
validity of the deduced mathematic-mechanical models. Variants of planetary gear trains
have been found, where unacceptable specific angular speed of satellites might occur.
Specific torques on the sun gear of various planetary gear trains has been defined, which
enable dimensioning gears of planetary stages. A software program has been developed for
the analysis, synthesis and evaluation of results as well as for finding out the optimal variant
of planetary gear trains with related basic parameters.
