Desarrollo de una aplicación CAE para el diseño de circuitos de ventilación

Desarrollo de una aplicacion CAE para el dise ~no de circuitos de ventilacion D. Ayala, N. Pla, A. Soto, M. Vigo y S. Vila  Dept. Llenguatges i Sistemes Informatics Universitat Politecnica de Catalunya Diagonal, 647, ETSEIB 08028 Barcelona e-mail: (dolorsa, nuria, tonis, marc, sebas)@lsi.up c.es Resumen En este traba jo se presenta una aplicacion CAE para el dise ~no de circuitos de ventilacion. En ella se han desarrollado asp ectos de dise ~no del mo delo, de la interaccion con el usuario y de simulacion del comp ortamiento del sistema. Se utiliza un mo delo no evaluado a dos niveles que p ermite interrogaciones geometricas y tecnologicas. Uno de los principales ob jetivos del traba jo ha sido la portabilidad de la aplicacion y, p or ello, en su desarrollo se han usado herramientas indep endientes de la plataforma de implantacion: se ha programado en ANSI C y se ha usado Tcl/Tk para la interaccion y Op enGl como librera graca. La aplicacion se ha desarrollado sobre Unix yse ha p ortado sin coste adicional sobre Linux, Windows 95 y Windows NT. Palabras clave : CAE, mo delos no evaluados, interaccion, p ortabilidad. 1 Intro duccion El traba jo presentado en este artculo se enmarca en un proyecto que se ha realizado mediante un convenio de colab oracion con la empresa SOLER & PALAU, S.A. Este convenio se ha estructurado en dos fases. La primera ha consistido en la realizacion de un catalogo automatizado de ventiladores y la segunda en un sistema de ayuda al dise ~no de circuitos de ventilacion.  Los autores aparecen p or orden alfabetico. 1 El catalogo automatizado consta de dos aplicaciones. La primera de ellas, p ermite una consulta interactiva de ventiladores y accesorios. Aparte de las caractersticas textuales y tecnicas, se ofrece informacion graca (fotografa y plano acotado del ventilador) e informacion tecnologica que muestra la curva caracterstica del ventilador (caudal, presion). El usuario puede consultar interactivamente to dos los puntos de dicha curva y ademas se ofrece la p osibilidad de seleccion del ventilador adecuado indicando el punto de traba jo de la instalacion que el sistema calcula a partir de datos tecnicos que indica el usuario. La segunda aplicacion del catalogo automatizado es la que permite su mantenimiento. El sistema p ermite generar distintos catalogos dep endiendo de las zonas de venta alas que van dirigidos ymantiene 10 idiomas. La aplicacion de consulta se distribuye entre los clientes de la empresa mientras que la de mantenimiento es accesible unicamente p or el p ersonal de la empresa. La segunda fase, que es la que se presenta en este artculo, es una aplicacion CAE para el dise ~no de circuitos de ventilacion. En esta aplicacion se ofrecen prestaciones para editar y visualizar un circuito de ventilacion as como la p osibilidad de calcular el punto de traba jo de la instalacion dise ~nada. Esta fase conecta con la aplicacion de consulta de la primera fase del proyecto ya que el citado punto de traba jo sirve para seleccionar el conjunto de ventiladores adecuados dentro del catalogo y se distribuye junto con ella. En la segunda fase se han desarrollado asp ectos de dise ~no del mo delo, de la interaccion con el usuario y de simulacion del comp ortamiento del sistema. El mo delo utilizado es un mo delo no evaluado ados niveles. Un primer nivel presenta una estructura arb orescente que corresp onde al eje del conjunto de tub eras que constituyen el sistema de ventilacion. El segundo nivel del mo delo consiste en la conversion de la estructura arb orescente a un mo delo de conductos. El mo delo contiene elementos lineales, tip os distintos de entrada y salida de aire, co dos y bifurcaciones, que pueden tener seccion circular o rectangular. Finalmente, el mo delo p ermite interrogaciones geometricas como distancias entre elementos, diametro de secciones, etc. as como interrogaciones tecnologicas sobre las condiciones de funcionamiento de los distintos puntos del sistema: presion, caudal, perdida de carga, etc. Uno de los ob jetivos del traba jo ha sido la p ortabilidad de la aplicacion y, p or ello, en su desarrollo se han usado herramientas indep endientes de la plataforma de implantacion: se ha programado en ANSI C y se ha usado Tcl/Tk 6] para la interacci on y Op enGl 7] como librera graca. La aplicacion se ha desarrollado sobre Unix y se ha p ortado sin coste adicional sobre Linux, Windows 95 y Windows NT. El traba jo se estructura en los siguientes apartados. En primer lugar se 2 describ e la arquitectura del sistema. El apartado tercero explica el mo delo de conductos, el cuarto detalla los asp ectos relacionados con la integracion entre el dise ~no geometrico y los calculos tecnologicos que se han llevado a cab o y el quinto describ e el mo delo de interaccion que se han desarrollado. El sexto apartado comenta los asp ectos referentes a la implementacion y nalmente el ultimo apartado extrae las conclusiones y el traba jo futuro a realizar. 2 Arquitectura de la aplicacion El sistema tiene cuatro comp onentes principales: la interfaz de usuario, los mo delos, la escena y los calculos tecnologicos (gura 1). Modelos Visualización Selección Escena Conductos Poliárboles Mallas Interfaz de usuario Cálculos Tecnológicos Entrada de usuario Salida gráfica Figura 1: Arquitectura de la aplicacion. La interfaz de usuario tiene como mision gestionar la interaccion con el usuario. El estilo de interaccion es por manipulacion directa 4]. Los criterios seguidos para su dise ~no se exp onen en la Seccion 5. El sistema gestiona tres modelos principales que agrupan distintas en3 tidades interrelacionadas. Estos mo delos son los conductos, los p oliarb oles ylas mallas. Los mo delos comparten como caracterstica que to dos ellos son mo delos no evaluados. Los conductos , que mo delan las tub erias de un sistema de ventilacion, tienen top ologa de arb ol y estan compuestos p or un conjunto de tramos conectados entre s vease la Seccion 3. Los poliarboles son una generalizacion de las p olilneas en el espacio que admiten una top ologa de arb ol, es decir, admiten ramicaciones p ero no ciclos. Se usan como ejes de los conductos de ventilacion (gura 4). Pueden aso ciarse atributos tecnologicos tanto a los no dos como a las aristas de los poliarb oles. Actualmente los atributos de los no dos ylas aristas se usan durante el pro ceso de generacion automatica de un conducto a partir de su eje. Las mal las son matrices de puntos en el espacio (gura 4). Una malla queda determinada p or una p osicion en el espacio, su orientacion, el volumen que o cupa en el espacio y la densidad de puntos en cada direccion. Las mallas son elementos auxiliares que se usan como sop orte para p osicionar otros elementosenelespacio. Las instancias de las entidades descritas anteriormente se almacenan en una base de datos que llamamos escena .La escena es un conjunto de pares instancia-atributo. La escena se consulta durante el pro ceso de visualizacion y durante la seleccion de instancias. Para ello se ha establecido un convenio de atributos. Por ejemplo, se visualizan unicamente las instancias que tienen aso ciados los atributos visible , seleccionada o seleccionable ,o bien, solo pueden seleccionarse las instancias que tienen aso ciado el atributo seleccionable . Los atributos de las instancias camban en funcion del estado de la interaccion con el usuario. Los calculos tecnologicos sobre el sistema de ventilacion se usan tanto para evaluar algunos parametros que describ en el comp ortamiento de los conductos como para generar nuevos conductos a partir de su eje y de los atributos tecnologicos con los que el dise ~nador ha etiquetado los no dos y aristas del p oliarb ol vease la Seccion 4. 3El mo delo de conductos La caracterstica mas relevante del mo delo utilizado para representar los conductos de aire es que se trata de un mo delo en el cual la geometra no estaevaluada 2]. Es decir, la geometra explcita (caras, aristas y vertices) solo se utiliza en y para el pro ceso de visualizacion. Seg un este mo delo, los conductos vienen representados p or un conjunto de entidades parametricas 4 sencillas, denominadas tramos, unidos entre s por conexiones. A su vez, los tramos se representan a partir de un conjunto de parametros de diversa tip ologa (p osicion, radio, longitudes, angulos, materiales, etc.) y tienen aso ciada una lista de entidades geometricas que p ermiten su visualizacion. La eleccion de un mo delo no evaluado se fundamento en las dos siguientes razones. En primer lugar, este mo delo asegura mas robustez, puesto que se evitan los errores numericos aso ciados a to do pro ceso de calculo. Dado que los calculos se realizan directamente a partir de los parametros y de la top ologa del mo delo, no hay que basarse en valores numericos que dep enden de entidades geometricas de ba jo nivel, como vertices y aristas de caras, en las que tpicamente se suelen acumular los errores p or propagacion. Las venta jas del mo delo propuesto se pueden comparar con las que prop orcionan los manipuladores simbolicos frente al calculo en coma otante 8]. Y en segundo lugar, este mo delo facilita la creacion y p osterior mo dicacion de los conductos, puesto que ofrece una representacion mas cercana a las intenciones del usuario de la aplicacion, resultando mas eciente. La mayora de las mo dicaciones se reduciran al cambio de un simple parametro, por ejemplo un angulo o la p osicion de un tramo. El nivel sup erior del mo delo son los conductos , que representan un conjunto conexo de tub eras, incluyendo tub os rectos, co dos, ramicaciones y accidentes (accesorios emp otrados en el conducto, como ampliaciones, reducciones, valvulas y rejillas). La estructura top ologica de un conducto puede identicarse con una estructura arb ol (gura 2). En la raz del arb ol se situaraunventilador y en las ho jas los elementos terminales de la tub era (rejillas de salida y campanas de extraccion). Como se ha dicho, cada conducto esta compuesto por una serie de tramos , que corresp onden a las piezas tecnologicas estandares (gura 3). Ademas de los ventiladores y elementos terminales, los tramos implementados pueden clasicarse como tramos rectilneos, co dos, bifurcaciones, cruces, reducciones, ampliaciones o valvulas. Se han implementado dos tip os geometricamente distintos de tub eras, los de seccion circular y los de seccion rectangular. Estas dos tip ologas no son incompatibles, puesto que un conducto puede estar compuesto p or tub os circulares y rectangulares, siempre que puedan conectarse adecuadamente mediante tramos de cambio de seccion. El conjunto de tramos tip o no es jo, sino ampliable seg un las necesidades del usuario. Una instancia de un tramo queda denida jando su p osicion en el espacio, sus parametros de dimensionado y las demas caractersticas como el material. La union de dos tramos distintos se realiza a traves de sus conectores , los cuales quedan denidos p or su punto de conexion, el tip o (rectangular o circular), el plano de sop orte y sus dimensiones. 5 Figura 2: Los conductos de aire en el mo delo quedan representados como un arb ol de tramos Dos tramos se pueden unir si los dos conectores son compatibles, es decir, si son del mismo tip o, tienen las mismas dimensiones y sus puntos de conexion y planos de sop orte coinciden. En el caso de conectores rectangulares hay que vericar, ademas, que las direcciones verticales coinciden. Ala estructura arb ol aso ciada al conducto se la denomina p oliarb ol p orque ademas de los no dos de grado mayor que dos admite no dos de grado dos que corresp onden a tramos lineales con dos conectores. De esta forma, la top ologa del p oliarb ol determina el tip o de tramo que deb e colo carse en cada no do, puesto que el grado del no do deb e coincidir con el numero de conectores del tramo. El usuario puede dise ~nar los conductos de aire siguiendo dos meto dologas distintas: bien aditivamente, a ~nadiendo nuevos tramos a un extremo de un conducto base, bien a partir de un esquema p oliarb ol con atributos aso ciados a los no dos y aristas. La aplicacion ofrece herramientas para crear y editar los p oliarb oles eje y mo dicar los atributos. La conversion de poliarb oles a conductos se realiza automaticamente. Para ello no es necesario que se hayan denido to dos los atributos del poliarb ol debido a la interrelacion que existe entre los atributos corresp ondien6 L1 L2 R1 R2 c3 R1 c1 c2 Figura 3: Ejemplo de tramo: bifuracion en T con tres conectores circulares tes a los parametros tecnologicos (vease la Seccion 4 donde se presentan los calculos de los distintos parametros tecnologicos). Existe la p osibilidad de crear conductos coaxiales a los ejes del poliarb ol obien de que queden ap oyados sobre ellos, para simular la construccion de tub eras adosadas a un sop orte arquitectonico. Otros elementos auxiliares para la edicion de los conductos incluyen las mallas de puntos y las p olilneas. 4 Calculo del comp ortamiento y dise ~no Uno de los principales ob jetivos de la aplicacion presentada radica en el alto nivel de integracion existente entre las herramientas destinadas a trazar el recorrido o forma de los conductos y las herramientas que se usan para determinar el comp ortamiento aero dinamico del sistema. Durante el pro ceso de dise ~no, esta integracion p ermite al usuario un ciclo de simulacion-correccion muy rapido resultando en un notable ahorro de tiemp o de dise ~no. El calculo del comp ortamiento de un conducto se basa en diversos parametros interrelacionados. Esencialmente, el caudal de uido que circula p or el conducto, la velo cidad a la que circula y el diametro (o diametro equivalente en el caso de conductos rectangulares) se hallan relacionados entre s. As p or ejemplo, para un mismo caudal, puede aumentarse o disminuirse la velo cidad del uido variando el diametro del conducto. Por otro lado estas variables condicionan otros factores de comp ortamiento del conducto. En particular, el diametro se ve limitado p or el espacio en el que va a instalarse el conducto y ademas afecta al coste de la instalacion: amayor di ametro, 7 Figura 4: Mo delo con un conducto, una malla y un p oliarb ol 8 mayor coste. La velo cidad es un factor determinante del ruido que pro duce el conducto: amayor velo cidad, mayor ruido. Por ultimo, el caudal esta condicionado p or las necesidades de ventilacion para las que se dise ~na la instalacion. Una intro duccion al pro ceso de calculo en circuitos de ventilacion puede hallarse en 5]. El dise ~nador, cuando concib e una instalacion intenta conseguir un compromiso razonable entre las distintas variables. Para ello se requiere p o der dise ~nar un conducto en cuanto a su geometra, accidentes y parametros del uido. Un conducto correctamente denido puede interrogarse para cono cer sus caractersticas tecnologicas como el diametro adecuado para una velo cidad dada o la velo cidad del uido cono cidos el diametro y el caudal. La aplicacion p ermite realimentar estos resultados y mo dicar automaticamente, p or ejemplo, el diametro de una parte del conducto. Dos pautas de dise ~no habituales en tre los dise ~nadores, sop ortadas por la aplicacion, consisten en dise ~nar con diametro constante ocon velo cidad constante. Ambas pautas pueden ser aplicadas globalmente ato do el conducto u, optativamente, a partes conexas del mismo. En el primer caso, se ja un diametro constante para el conducto y se p ermite la variacion del caudal (y por tanto de la velo cidad). En el segundo caso, se ja una velo cidad constante para el uido y el diametro vara seg un el caudal que conduce. Por ultimo, la aplicacion p ermite calcular la perdida de carga de un conducto. Este parametro indica el traba jo que deb e emplearse para mover el uido dentro del conducto y es fundamental para determinar la maquina extractora o impulsora que deb e instalarse en dicho conducto. La seleccion del ventilador se realiza automaticamente por la aplicacion ofreciendo al dise ~nador un conjunto de alternativas entre las existentes en un catalogo de ventiladores. 5 Mo delo de interaccion Los ob jetivos que han guiado el dise ~no de la interaccion con el usuario son los siguientes: 1. Simplicidad de la interaccion. 2. Claridad de la organizacion. 3. Accesibilidad de las op eraciones principales. 9