Vylepšení domácí sauny pomocí CFD simulace

Sauny jako součást zdravého životního stylu

Bylo prokázáno, že sauny doplňují zdravý životní styl. Po staletí, možná i tisíce let, byly také kulturní součástí několika národů, zejména Finska. Mnozí věří, že využití tepla sauny ke zlepšení cirkulace a podpoře relaxace je neocenitelné.

Představte si, že máte znalosti a nástroje k navržení a postavení vlastní sauny na zahradě. Corentin Macqueron si tento sen splnil ne jednou, ale hned třikrát – naposledy u svého současného domova s pomocí simulačního softwaru Ansys.

Domácí sauna Corentina Macquerona v Trélazé v oblasti Angers ve Francii

Macqueron pracuje již 16 let jako inženýr v oblasti výpočetní dynamiky tekutin (CFD) ve společnosti Orano, francouzské jaderné firmě, která usiluje o to, aby se jaderná energie stala součástí udržitelného energetického mixu. Orano nabízí zákazníkům širokou škálu služeb – od těžby a dopravy přes likvidaci jaderných zařízení a správu odpadu až po nukleární léčbu rakoviny a inženýrské služby.

Macqueron začal používat software Ansys Fluent během své stáže. Ve společnosti Orano pracuje v malém týmu, který se zaměřuje na simulaci bezpečnostních scénářů v jaderných zařízeních.

„Používáme Fluent k numerickým simulacím pro jaderný průmysl,“ říká. „Fluent software jsem vždy miloval. Simulujeme s ním mnoho situací, které by mohly v zařízení nastat.“

Kromě bezpečnostních simulací je Macqueron také technickým garantem služby umělé inteligence (AI) v Orano. Pracuje na integraci platformy Ansys SimAI, cloudového generativního AI nástroje, do své práce s AI.

CFD simulace pro maximální přizpůsobení

Jako inženýr s mnohaletými zkušenostmi v oblasti simulací a AI se rozhodl využít své znalosti a nástroje Ansys k navržení své zahradní sauny.

„Mám rád CFD simulace pro zábavu,“ říká. „Takže jsem si tento domácí projekt dělal ve volném čase. Chtěl jsem také získat přehled o tepelném proudění uvnitř sauny, abych lépe pochopil, jak bude fungovat.“

Sauna obvykle sestává z malé místnosti vytápěné elektrickými nebo dřevem vytápěnými kamny. Při jejím použití se někdy lije voda na horké kameny, aby se vytvořila pára (ve finštině „löyly“). Sauna je navržena tak, aby udržovala teplotu přibližně 80 až 100 °C, přičemž umožňuje správnou cirkulaci vzduchu dovnitř i ven.

Macqueron začal plánovat svou saunu s využitím existující konstrukce ponechané předchozím majitelem. Položil si klíčové otázky týkající se rychlostí proudění, rozložení teploty a tepelných ztrát.

„Jaký je přesně poměr mezi konvekcí a tepelným vyzařováním uvnitř sauny?“ ptal se. „Je zahřívána konvekcí? Vyzařováním? Nikdo to přesně neví, a tak jsem chtěl zjistit vědeckou odpověď.“

Pro vytvoření své domácí sauny Macqueron vygeneroval 3D CFD model pomocí softwaru Fluent. Jak přiznává, simulace není pro návrh sauny nutná, ale chtěl tento přístup prozkoumat, aby design vylepšil.

„Chtěl jsem přinést nová data, nové výsledky a nové poznatky,“ říká. Věří, že podrobnější inženýrský přístup může pomoci navrhnout sauny s maximálním přizpůsobením a pohodlím.

Technické detaily

Samotná konstrukce je kabina o objemu 9 m³ a výšce 2 m, vybavená lavicemi z borového dřeva, které Macqueron ručně vyrobil. Sauna je vytápěna elektrickými kamny, která obsahují 75 kg žulových kamenů. Stěny kolem kamen jsou z buněčného betonu, což zajišťuje maximální izolaci a ochranu. Sauna pojme až šest osob a je „velmi pohodlná“.

Během návrhu mu software Fluent umožnil studovat proudění vzduchu od kamen ke stěnám, stropu, podlaze a ventilačním otvorům, aby lépe pochopil rozložení teplot a úroveň tepelného toku v sauně. Použil Ansys Mosaic technologie s rozlišením sítě od 1/10 mm do 10 cm. Menší buňky blízko zdroje tepla mu umožnily detailně sledovat, co se děje kolem kamen.

„Technologie Mosaic umožňuje poly-hexcore typ sítě,“ říká. „Je extrémně efektivní z numerického hlediska a navíc vypadá skvěle.“

„Existuje mnoho diskusí o tom, kde by měl být umístěn přívod vzduchu a kde vývod vzduchu, aby se maximalizovala teplota nebo tepelná homogenita,“ říká. Protože horký vzduch stoupá, může to vést k vertikální stratifikaci teplotních vrstev. Zatímco někteří lidé v sauně to mohou preferovat, „někteří nechtějí mít horkou hlavu a studené nohy,“ dodává.

Macqueron zjistil, že strop nad kamny reemituje vyzařování, což nebylo ihned zřejmé. „Spousta energie se vrací do místnosti kvůli horkému proudu plynů dopadajícímu na strop. To dosud nebylo kvantifikováno.“

Validace finských saunových pravidel

Macqueron také numericky ověřil „první zákon löyly“, který říká, že aby bylo dosaženo rovnoměrného tepla a účinné parní clony, měly by být nohy mírně výše než kameny kamen a sedadlo 45 cm výše, přičemž mezi lavicí a stropem by mělo být 120 cm.

„Moje sauna není dostatečně vysoká, aby tato pravidla plně splňovala. Funguje velmi dobře, ale chtěl jsem vědět, jak by fungovala s větší výškou. Díky Fluent softwaru jsem mohl tuto hypotézu testovat numericky. Při stejné topné síle jsou teploty na lavicích vyšší a rovnoměrnější. Finská pravidla pro návrh saun jsou velmi dobře promyšlená.“

Budoucnost saun a AI simulace

Po několika letech navrhování a stavění tří domácích saun je Macqueron připraven „trochu si odpočinout“ a užívat si čas se svou rostoucí rodinou. Nicméně své výsledky rád sdílí – svou závěrečnou studii zveřejnil na ResearchGate.

Plánuje dále zkoumat stratifikaci tepla a modelovat vliv lidského těla na tepelný tok a komfort. Spolupracuje s finským architektem na návrhu nových „exotických“ saun.

Vytvořil bezplatný „Sauna Simulator“, neuronovou síť, která simuluje teplotu v sauně v reálném čase na základě různých parametrů. Dále vyvinul SaunaGPT, AI saunového experta založeného na ChatGPT.

Macqueron věří, že simulace může pomoci výrobcům saun vytvářet lepší produkty. „Dokázal jsem, že i tradiční kulturní zvyklost může být vylepšena díky simulaci.“

Zdroj: https://www.ansys.com/blog/advancing-home-sauna-using-cfd-simulation