• No results found

Hydraulic Simulation Model for Dishwasher

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2022

Share "Hydraulic Simulation Model for Dishwasher"

Copied!
151
0
0

Loading.... (view fulltext now)

Full text

(1)

IN

DEGREE PROJECT MECHANICAL ENGINEERING, SECOND CYCLE, 30 CREDITS

STOCKHOLM SWEDEN 2018,

Hydraulic Simulation Model for Dishwasher

SEYED MORTEZA HABIBI KHORASANI

(2)
(3)

Hydraulic Simulation Model for Dishwasher

SEYED MORTEZA HABIBI KHORASANI

M.Sc. in Engineering Mechanics Date: October 17, 2018

Supervisors at Electrolux: Mathias Belin, Antonios Monokrousos Supervisor at KTH: Shervin Bagheri

Examiner: Shervin Bagheri KTH Royal Institute of Technology

School of Engineering Sciences

(4)

Abstract

This  thesis  project  concerns  the  creation  of  a  simulation  model  for  the  hydraulic  system  of  a  commercial  dishwasher  machine.  A  1D  model  was  created  using  the  Simscape  physical  network  modeling tool integrated into the widely used MATLAB software environment. 

The  resultant  model  can  predict  the  hydraulic  performance  of  the  dishwasher  for  various  cases  of  input parameters. It can also simulate certain state varying aspects of the dishwasher such as its flow  controller which opens and shuts off flow to different parts of the system.  

The model can achieve sufficiently low runtimes where it can be faster than the real‐time operation  of the target system. The modularity of the physical network approach allows for the quick testing of  changes to the overall design of the hydraulic system, a useful attribute when it comes to investigating  performance requirements. 

The results of this work show promise in Simscape as a modeling tool for multi‐physics systems. The  model  developed  can  serve  as  a  foundation  for  further  development  to  be  carried  out  and  more  aspects  of  the  dishwasher  machine,  such  as  its  heating,  be  added  to  the  model  so  it  can  cover  a 

broader range of the dishwasher’s behavior.   

(5)

Acknowledgments

This  project  was  carried  out  at  the  Stockholm  headquarters  of  AB  Electrolux  among  the  Advanced  Development group of the Global R&D Dish Care department. 

I would like to express my gratitude to several people who were involved in project. 

 The head of Advanced Development, Mathias Belin, for granting me the opportunity to do this  project and be a part of his splendid team of talented individuals. 

 Antonios Monokrousos, who helped supervise the project at Electrolux and provided the CFD   model and leakage measurements while also giving advice at various points during the project. 

 Magnus Wahlberg, who was responsible for the principle idea behind the test rig for the water   distribution measurements and made the many hours spent within the lab enjoyable through  stimulating conversations. 

 Anders Haegermarck, for his expertise on all matters concerning the dishwasher and generously   imparting his knowledge whenever I had questions. 

 Charlie  Johansson,  for  preparing  the  Arduino  board  and  who’s  excellent  Python  firmware   emulator facilitated the task of carrying out the measurements. 

 All other members of the Advanced team during this time: Marie Hakkarainen, Simon Trbojevic,   Eduardo Martinez, Kristian Reunanen, Ivar Siösteen and Johan Eed for making this a memorable  experience. 

 

Finally, I would like to thank Shervin Bagheri who was my supervisor and examiner at KTH for this  project.

(6)

Contents

Nomenclature ... 1 

Introduction ... 2 

1.1  A Brief History of Simulations ... 2 

1.2  Why Modeling is Utilized ... 3 

1.3  Modeling Approaches ... 3 

1.4  The Physical Network Modeling Approach ... 4 

1.5  Objective ... 6 

The Dishwasher Appliance ... 7 

2.1  The Dishwasher Appliance ... 7 

2.2  The Hydraulic System ... 8 

2.2.1  Circulation Pump ... 9 

2.2.2  Flow Controller ... 11 

2.2.3  Sump ... 12 

2.3  Delivery Tube ... 13 

2.4  Spray Arms ... 14 

2.4.1  Lower Spray Arm ... 14 

2.4.2  Upper Spray Arm ... 15 

2.4.3  Top Spray Arm ... 16 

Theory ... 17 

3.1  Pipe Flow ... 17 

3.2  Flow Regime in Pipe Flow ... 17 

3.3  Energy Considerations in Pipe Flow ... 18 

3.4  Head Loss ... 18 

3.4.1  Major Head Loss ... 19 

3.4.2  Minor Head Loss ... 20 

3.4.2.1  Losses in Bends ... 21 

3.4.2.2  Losses in Exit Flows ... 22 

3.5  Centrifugal Pump ... 23 

3.5.1  Pump Characteristics ... 24 

3.5.2  System Characteristics and Operating Point ... 25 

Simscape ... 27 

4.1  Background ... 27 

(7)

5.7  The Simulink Parameter Estimation Tool ... 39 

Results and Validation ... 49 

6.1  Preliminary Results ... 49 

6.1.1  System Curves ... 49 

6.1.2  Flow Controller Pressure Losses ... 50 

6.1.3  Delivery Tube Pressure Losses ... 50 

6.1.4  Pressure in Spray Arms ... 51 

6.1.5  Flow Rate in Spray Arms ... 51 

6.1.6  Nozzle Flow Rates ... 52 

6.1.7  Assessment of Preliminary Results ... 52 

6.2  Results After Refinement ... 52 

6.2.1  System Curves ... 53 

6.2.2  Flow Controller Pressure Losses ... 53 

6.2.3  Delivery Tube Pressure Losses ... 54 

6.2.4  Pressure in Spray Arms ... 54 

6.2.5  Flow Rate in Spray Arms ... 55 

6.2.6  Nozzle Flow Rates ... 55 

6.3  Model Performance and Behavior ... 55 

Further Development of Simscape Model ... 58 

7.1  Method for Dynamically Adjusting Block Loss Parameters ... 58 

7.1.1  The Parameter Assigner ... 58 

7.1.1.1  Modifying the Hydraulic Blocks to Accommodate Parameter Adjustment ... 60 

7.1.2  The Signal Source ... 61 

7.1.2.1  Time Varying Pump and Flow Controller Behavior (Cycle Simulation) ... 61 

7.2  Updated Model Diagram ... 64 

7.3  Capturing More Flow Dynamics by Implementing Fluid Inertia and Compressibility ... 65 

7.3.1  Performance Consequences ... 69 

7.4  Spray Arm Rotational Speeds ... 69 

7.5  Leakages ... 70 

7.5.1  Validation Against Measurements ... 72 

7.6  Evaluating Changes in Hydraulic System ... 74 

Measurement of Water Distribution Between Baskets and Inclusion in Model ... 77 

8.1  Test Rig ... 77 

8.2  Testing Methodology ... 79 

8.3  Implementation in Simscape Model ... 81 

Model Cleanup and User Interface ... 85 

10  Conclusion ... 88 

10.1  Discussion ... 88 

10.2  Future Work ... 88 

References ... 90 

Appendix ... 93 

(8)

Appendix 2. Simscape User Environment and Block Descriptions ... 94 

The Simscape Environment ... 94 

The Simscape Library ... 95 

Solvers ... 97 

Local Resistance Block ... 98 

Fixed Orifice Block ... 100 

Resistive Pipe LP Block ... 102 

Centrifugal Pump Block ... 105 

Hydraulic Reference Block ... 107 

Custom Hydraulic Fluid Block ... 107 

Reservoir Block ... 108 

Solver Configuration Block ... 110 

Hydraulic Pressure Sensor Block ... 111 

Hydraulic Flow Rate Sensor Block ... 112 

Simulink Scope Block ... 113 

PS-Simulink Converter Block ... 114 

Simulink Outport Block ... 116 

Appendix 3. Results for Simscape Model Optimized Using Data from CFD Simulation for 2000 rpm Pump Speed and the Flow Controller Set to “Both” ... 117 

Appendix 4. Results for Simscape Model Optimized Using All Available Data from CFD Simulations ... 127 

Appendix 5. Block Source Code ... 138 

Appendix 6. Comparison Between Simscape Model and Measurements for Flow Controller Set to “Upper” and “Lower” Positions ... 139 

Appendix 7. Basket Water Weights ... 141   

(9)

Nomenclature

Notation  Description  Unit 

𝐴 Area  [m2] or [mm2

α  Kinetic energy coefficient  [‐] 

𝐶

 

Contraction coefficient  [‐] 

𝐶   Discharge coefficient  [‐] 

𝐷  Diameter  [m] 

𝑒  Pipe roughness  [m] or [mm] 

𝑓  Friction factor  [‐] 

𝑔  Gravitational acceleration  [m/s2

ℎ   Total hydraulic head loss  [m] 

ℎ   Major hydraulic head losses  [m] 

ℎ   Minor hydraulic head losses  [m] 

𝐾

  Head loss coefficient  [‐] 

𝐿  Length  [m] 

𝜇  Dynamic viscosity  [kg/(m s)] 

𝑝  Static pressure  [N/m2] or [mbar] 

𝑄  Flow rate  [m3/s] or [lpm] 

𝑉  Velocity  [m/s2

𝜔  Angular velocity  [rad/s] or [rpm] 

𝑧  Elevation  [m] 

𝜌  Density  [kg/m3

𝛾  Specific weight  [N/m3

                       

(10)

1

Introduction

       

1.1 A Brief History of Simulations

The advent of computers during the second half of the 20th century represented the prelude to what  would become a dramatic change in almost every known facet of human society. Initially designed as  analogue machines to tackle specific scientific problems, early computers were limited in capabilities  and functionality, their greatest shortcoming being a lack of programmability. Analogue computers  were  made  obsolete  by  their  digital  counterparts  which  superseded  them  by  the  1950s  [1].  The  development of these machines was largely propelled due to war time impetus during the events of  the second World War. 

The growth of computer technology saw another discipline grow alongside it, that of simulations. A  simulation is  a computer  program which executes  a model of  the desired system, the  model itself  being  a  mathematical  representation  of  said  system.  Simulations  and  modeling  quickly  found  applications in tackling scientific and engineering problems which were unwieldy or improbable to be  carried out by human efforts alone. A typical case where simulations are widely used is solving systems  of  equations  which  cannot  be  solved  analytically,  requiring  a  high  volume  of  recursive  numerical  calculations. 

With  computer  resources  continuing  to  grow  at  an  accelerating  rate  and  the  technology  itself  becoming  more  accessible  by  exiting  the  exclusive  confines  of  scientific  establishments,  many  engineering  and  technologically  driven  sectors  began  to  leverage  it  as  a  tool  in  their  day  to  day  operations. Today, any industry has made computer modeling and simulations an integral part of their  development  and  production  processes.  Consumer  demands,  competitors,  market  dynamics,  regulations, etc. necessitate that the development pipeline be adaptive to changes in these factors  and  adjust  accordingly.  The  rate  at  which  such  adjustments  must  take  place  grows  continuously,  straining  the  conventional  approach  of  product  development  which  relies  on  real  prototyping  and  experimental efforts. Resources are not in infinite supply and their expenditure should be streamlined 

(11)

1.2 Why Modeling is Utilized

A proven way of dealing with the complexity of engineering systems is to find a suitable abstraction  level to work with [2]. Higher abstraction layers obscure details and provide a broad picture of the  system under consideration, as depicted in Figure 1. 

Figure 1: Evolution of abstraction layer in the modeling of physical systems. From general purpose code  (FORTRAN), to computing software (MATLAB), to graphical software (Simulink), to physical modeling [3]. 

This persistent pursuit of abstraction was motivated by the need to make the model separable from  the simulation and to also reduce the level of difficulty involved in developing a computer simulation. 

Engineers  faced  the  arduous  task  of  programming  everything  from  the  ground‐up,  involving  the  mathematical  equations,  discretization,  numerical  solver,  etc.  The  advent  of  numerical  computing  environments such as MATLAB allowed for the model to become separate from the simulation due to  the existence of its built‐in differential equation solvers. 

1.3 Modeling Approaches

Many modeling approaches exist, from general‐purpose code (FORTRAN, C etc.) to signal‐based or  input‐output (causal) methods in graphical software tools (Simulink, etc.) and the physical network 

(12)

In input‐output based methods signals are transmitted through links between individual blocks. The  signals serve to transfer values of individual variables from the output of one block to inputs of other  blocks. Input information is processed in the blocks to output information. Interconnection of blocks  therefore reflects rather the calculation procedure than the very structure of the modeled reality. This  is known as the causal approach to modeling, where the causal way of calculating the different model  variables must be expressed [4]. Causal modeling has been used to model physical systems for quite  some time [5]. One of the main reasons this method is used is because it is the natural language of  control engineers. In a standard control loop, the plant (the controlled physical system) is represented  as a transfer function with an input and an output, as depicted in

 

Figure 2. Finding a mathematical  representation composed of blocks with inputs and outputs fits naturally into this system and is easy  for a control engineer to use and understand [6]. 

Figure 2: A typical control loop [7].   

The causal modeling approach has disadvantages when attempting to model complex systems. Often,  a significant effort in terms of analysis and analytical transformations is needed to model in this form. 

This procedure requires a lot of engineering skills and manpower as well as being error‐prone [8]. Such  an approach also tends to obscure the physical topology of the system and make it less intuitive to  the  unfamiliar  eye.  Model  components  developed  in  such  a  way  are  also  not  reusable  as  they  are  defined based on their connection to other components. These impediments gave rise to the acausal  modeling approach where equations can be stated in a neutral form without any consideration of the  computational  order.  Systems  in  nature  can  be  thought  of  as  acausal.  Causality  is  artificially  made  because physical laws must be transformed into a convenient computational description [8]. 

Due  to  these  reasons,  engineers  began  looking  for  a  better  method  for  modeling  these  types  of  systems. For purely electrical systems, Kirchoff’s laws have been used for quite a long time to express  the  equations  for  an  entire  system  by  applying  a  few  basic  mathematical  rules  to  a  network  of  electrical  components  represented  by  their  individual  mathematical  models  [9].  For  example,  the  component model of a resistor was represented by 𝑣 𝑖𝑅, and this component model of an ideal  resistor was identical for all resistors in the electrical network, independent of where the resistors  were placed in the circuit. The equations for the entire system could be derived by applying Kirchoff’s  laws at the nodes of the electrical circuit. This method permits the component models to be modular 

(13)

physical elements, such as pumps, motors, etc. These blocks are linked to each other in a way which  corresponds to the physical connections that transmit power. This approach allows for describing the  physical structure of a system, rather than the underlying mathematics. Such an approach makes the  resultant model more intuitive and highly modular. Since the actual geometry of the components are  not resolved, this approach falls within the category of 1D simulation methods.

As an example of utilizing such an approach for  industrial purposes, Miele®  made use of  Siemens’ 

Amesim simulation platform to create a model of the hydraulics of their washer‐disinfectant machines  to reduce their need for physical prototypes in the design stage of their product [10]. 

Figure 3: Model of the inner wash cycle of the Miele large‐capacity disinfector PG8528 [10].  

  Figure 4: The wash cages component from Figure 3 [10]. 

(14)

It is clearly evident from Figure 3 and Figure 4 how the actual components of a hydraulic circuit are  represented by discernable counterparts within the model, demonstrating the advantage of physical  modeling in creating intuitive representation of the real‐life system.  

The physical network approach is further elaborated in section 4. 

1.5 Objective

The  primary  aim  of  this  Thesis  work  is  to  develop  a  simulation  model  of  a  dishwasher’s  hydraulic  system which can evaluate its performance during operation. The model should allow for simulating  the  hydraulic  system  under  different  operating  conditions  and  predict  the  hydraulic  variables,  pressure and flow rate, at different points of the system. 

For  this  project,  it  was  opted  to  make  use  of  MathWorks’  Simscape  software.  Almost  every  engineering software developer provides their own software environment for physical modeling (such  as  Amesim  from  Siemens).  The  author  decided  upon  using  Simscape  due  to  it  being  a  part  of  the  MATLAB software package which they had access to through the academic licensing made available  by KTH, and due to some prior familiarity with MATLAB itself. In any case, deliberating the choice of  tool for carrying out this thesis work would have deviated from the main objective and consumed  valuable time. 

   

(15)

2

The Dishwasher Appliance

       

2.1 The Dishwasher Appliance

A dishwasher is a mechanical device for cleaning dishware and cutlery. Unlike manual dishwashing,  which  relies  largely  on  physical  scrubbing  to  remove  soiling,  the  mechanical  dishwasher  cleans  by  spraying hot water mixed with detergent at the dishes [11]. A frontal view of an open dishwasher with  its components visible is shown in Figure 5. A description of these components is shown in Figure 6. 

Figure 5: A dishwasher along with its components [12].   

(16)

Figure 6: Dishwasher component descriptions [13]. 

2.2 The Hydraulic System

The Hydraulic system supplies pressurized water to the spray arms where it becomes discharged into  the  tub  and  enables  the  process  of  dishwashing.  This  system  is  comprised  of  the  following  components: 

 Circulation pump 

 Flow (direction) controller 

 Sump 

 Delivery tube 

(17)

Figure 7: CAD rendering of hydraulic system. 

2.2.1 Circulation Pump

The pump used within the dishwasher is of the centrifugal type. The theory regarding these types of  pumps within hydraulic systems is described in section 3.5. 

Figure 8 shows the pump component, consisting of both the mechanical section and electrical motor. 

  Top spray arm 

Upper spray arm 

Delivery tube 

Lower spray arm 

Circulation pump  Sump 

(18)

The impeller within the pump housing is shown below. 

 

 

(a)  (b) 

Figure 9: (a) Transparent CAD render of pump with impeller visible. (b) Actual pump’s “eye” inlet with impeller  visible. 

The pump is operated up to rotational speeds of 3300 rpm in the dishwasher. The performance curves  of the pump, detailing the possible combinations of total pressure and flow rate for it, are shown in  Figure 10. These curves were generated through measurements which had been previously carried  out at Electrolux. 

The declining trend of the energy imparted to the fluid (pressure difference) with increasing flow rate  is a general attribute of centrifugal pumps used in hydraulic systems. This is due to the geometrical  design of the impeller within  the pump which has  backward facing vanes (observable in Figure 9),  resulting in less work being done on the fluid by the pump as flow rate increases. The reason behind  this  is  to  prevent  the  motor  of  the  pump  from  being  overloaded  at  higher  flow  rates  which  could  damage  it.  The  interested  reader  may  find  more  information  about  the  turbomachinery  theory  of  centrifugal pumps in fluid mechanics textbooks such as [14] and [15].  

(19)

2.2.2 Flow Controller

The flow controller is 3‐position valve which distributes water to the various parts of the system. 

 

(a)  (b) 

Figure 11: (a) Flow controller outlets. (b) Flow controller motor. 

As shown in Figure 11 (a), the flow controller has two outlets. One outlet provides flow to the “Lower” 

region of the hydraulic system, where the lower spray arm is present, while the other provides flow  to the “Upper” region, where the “Upper” and “Top” spray arms are present. The incoming flow can  be redirected to either a single outlet or both giving a total of 3 possible positions. 

The  flow  controller  position  is  set  by  a  circular  disc  with  3  annular  openings,  similar  to  the  sketch  shown in Figure 12. 

Figure 12: Flow controller position disc. 

Position changes are made through the rotation of this disc. As indicated in Figure 11 (b), the flow  controller motor rotates counter‐clockwise. On average, every quarter rotation (90°) of the disc takes  6 seconds. The amount of time it takes for a position change (switching) to take place is dependent on  the combination of initial and final positions. 

Table 1: Flow Controller switching times 

From  To  Time (s) 

Lower  Upper  12 

Upper  Lower  12 

Lower  Both  6 

Both  Upper  6 

Upper  Lower 

(20)

The shortest switching time is when only a single quarter rotation is required for the change to take  place,  while  the  longest  occurs  over  the  span  of  three‐quarter  rotations.  Figure  13  and  Figure  14  demonstrate two cases. 

 

Both  Upper    Lower 

Figure 13: Switching from “Both” to “Lower”. 

 

Upper    Lower  Both 

Figure 14: Switching from “Upper” to “Both”. 

Any  switching  which  takes  more  than  one  quarter  rotation  will  pass  over  other  positions  and  momentarily allow water to pass on through them.  

2.2.3 Sump

The  sump  is  where  the  intake  water  is  accumulated  to  then  be  circulated  by  the  pump.  During  a  dishwasher’s operation, the run‐off water from the dishware, baskets and other elements within the  dishwasher  tub  gathers  within  the  sump  and  is  recirculated  by  the  pump  for  continuous  washing. 

Figure 15 and Figure 16 depict the sump and its different parts. 

6   seconds 

6  seconds

6  seconds 

6   seconds 

6  seconds

6  seconds 

Connection to  Upper region  Connection to 

Lower region 

(21)

Figure 16: Underside view of sump (CAD render). 

The sump as it is connected to other components in an actual machine is shown in Figure 17. 

Figure 17: The sump along with the other dishwasher components as they are installed in the machine.  

2.3 Delivery Tube

The delivery tube transports water to the “Upper” and “Top” spray arms. One can see from Figure 18  the geometrical variance of the delivery tube along its length. 

Connection to  Upper region  Connection to 

Lower region 

Connection to  drain pump 

Connection to  circulation pump 

pump Connection to 

water softner  Pressure  sensor port 

Turbidity  sensor port 

Drain   pump 

Circulation  pump  Flow 

controller  Water   softner  Turbidity 

 sensor  Pressure 

 sensor 

(22)

Figure 18: CAD render of the delivery tube. 

2.4 Spray Arms

2.4.1 Lower Spray Arm

The “lower” spray arm washes the dishware in the “lower” basket by spraying water upward. It also  sprays water towards the “tub” floor and flat filter to wash away any accumulated soil. The spray arm  consists of two main parts: the “sun” arm and the “satellite” arm.  

Connection to  Top spray arm  Connection to 

Upper spray 

Connection to  Flow Controller

Sun arm nozzle 

(top)  Satellite arm 

nozzles  

(23)

Figure 20: Underside view of the lower spray arm. 

Figure 21: Side view of bottom spray arm. 

2.4.2 Upper Spray Arm

The “Upper” spray arm discharges water both upward and downward contributing to the cleaning of  the dishware in the “lower” and “upper” baskets. 

Figure 22: Top view of upper spray arm. 

Sun arm nozzle  (underside) 

Inlet 

(from flow controller) 

Bottom spray arm  collar 

Snap‐fit pieces for  mounting onto sump  

Nozzles  (Top) 

Snap‐fit pieces for  mounting onto upper 

basket   Inlet 

(from delivery tube) 

(24)

Figure 23: Underside view of upper spray arm. 

The underside nozzles shown in Figure 23 rotate the upper spray arm during dishwashing action. 

2.4.3 Top Spray Arm

The “top” spray arm washes the cutlery in the cutlery drawer by spraying water downward. 

Figure 24: Top view of top spray arm. 

Nozzles   (Underside)  Nozzle 

 (side) 

Nozzles   (underside) 

Nozzle   (side)  Inlet (from delivery tube)

(25)

3

Theory

       

3.1 Pipe Flow

In the hydraulic system of a dishwasher the fluid, before reaching the tub, is flowing in closed conduits. 

Depending on the type of cross‐section, this type of flow is called pipe or duct flow [14]. A typical pipe  system along with some of the usual components they consist of is depicted in Figure 26. 

Figure 26: A pipe system and its components [14].   

In this section, the pertinent fluid dynamics theory concerning pipe flow is recounted. 

3.2 Flow Regime in Pipe Flow

In  fluid  mechanics  this  type  of  flow  is  divided  into  two  distinct  regimes,  denoted  as  Laminar  and  Turbulent flow. These classifications where established through the experiments of British scientist  Osborne  Reynolds  (1842‐1912).  In  laminar  flow,  fluid  flows  in  parallel  layers,  with  no  disruption  between them [16]. In contrast, turbulent flow is marked by chaotic behavior with lateral mixing of  the fluid layers occurring. 

The  above  classification  applies  to  flow  within  pipes,  with  there  being  both  laminar  and  turbulent  flows. The important dimensionless quantity called the Reynolds number, is also the most important  when it comes to pipe flows. For a pipe of diameter 𝐷 with an average velocity 𝑉, the Reynolds number  is expressed as: 

  𝑅𝑒 𝜌𝑉𝐷

  (1) 

(26)

With 𝜌 and 𝜇 being the fluid density and dynamic viscosity, respectively. 

The Reynolds number ranges for laminar or turbulent pipe flows cannot be precisely given. The actual  transition from laminar to turbulent flow may take place at various Reynolds numbers, depending on  how much the flow is disturbed by vibrations of the pipe, roughness of the entrance region, and the  like. For general engineering purposes the following values are appropriate: The flow in a round pipe  is laminar if the Reynolds number is less than approximately 2100. The flow in a round pipe is turbulent  if the Reynolds number is greater than approximately 4000 [14]. In the intermediate range between  these two thresholds, the flow is in a transitional state and strongly affected by disturbances. 

In the dishwasher, the Reynolds number ranges between 3000 to 20000 for a pump speed of 1800  rpm  to  between  8000  to  30000  for  a  pump  speed  of  2800  rpm,  making  the  flow  predominately  turbulent. 

3.3 Energy Considerations in Pipe Flow

One of the principle conservation laws of physics is that of conservation of energy. Therefore, it is  important  to  examine  pipe  flows  from  an  energy  perspective.  For  an  incompressible  fluid  flowing  within a pipe, if the effects of friction are ignored (inviscid flow) and steady flow along a streamline is  considered, the well‐known Bernoulli equation can be applied. 

  𝑝

𝜌 𝑉

2 𝑔𝑧 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡  (2) 

This  equation  demonstrates  the  causes  of  pressure  loss  for  inviscid  flow  along  a  streamline:  a  reduction  of  area  causing  an  increase  in  the  velocity  V,  or  the  pipe  having  a  positive  incline  so  𝑧  increases. Conversely, the pressure will tend to increase if the flow area is increased or the pipe slopes  downward [15].  

However,  flows  in  pipes  and  ducts  experience  significant  friction  and  are  often  turbulent,  so  the  Bernoulli equation does not apply. In effect, friction effects lead to a continual reduction in the value  of the Bernoulli constant of Equation (2), causing a loss of mechanical energy. The Bernoulli equation  must be replaced with an energy equation that incorporates the effects of friction [15]. To this end we  consider the energy equation for incompressible, steady flow between two locations as given below. 

  𝑝

𝜌𝑔 𝛼 𝑉

2𝑔 𝑧 𝑝

𝜌𝑔 𝛼 𝑉

2𝑔 𝑧 ℎ   (3) 

α  and α  are kinetic energy coefficients and compensate for the fact that the velocity profile across  the pipe is not uniform. For uniform velocity profiles 𝛼 1, whereas for any nonuniform profile 𝛼 1. Because 𝛼 is reasonably close to unity for high Reynolds numbers, and because the change in kinetic  energy is usually small compared with the dominant terms in the energy equation, the approximation  𝛼 1 is widely used in pipe flow calculations [15]. The head loss term ℎ , accounts for any energy 

(27)

3.4.1 Major Head Loss

For  fully  developed  flow  through  a  constant‐area  horizontal  pipe,  ℎ 0  and  𝛼 𝛼 ;  Equation (3) reduces to: 

  𝑝 𝑝

𝜌𝑔

∆𝑝

𝛾 ℎ   (4) 

The major head loss is then the pressure loss for fully developed flow through a horizontal pipe of  constant area. 

Since  head  loss  represents  the  energy  converted  by  frictional  effects  from  mechanical  to  thermal  energy, head loss for fully developed flow in a constant‐area duct depends only on the details of the  flow through the duct. Head loss is independent of pipe orientation [15]. 

For laminar flow through a pipe, the major head loss can be calculated using the analytical relation  given in Equation (5). 

  ℎ 64

𝑅𝑒 𝐿 𝐷

𝑉

2𝑔  (5) 

In turbulent flow the pressure drop cannot be evaluated analytically. Experimental results must be  used along with dimensional analysis to correlate the experimental data. In fully developed turbulent  flow, the pressure drop, ∆𝑝, caused by friction in a horizontal constant‐area pipe is known to depend  on pipe diameter, 𝐷; pipe length, 𝐿; pipe roughness, 𝑒; average flow velocity, 𝑉; fluid density, 𝜌; and  fluid viscosity, 𝜇 [15]. This may be written in functional form as Equation (6). 

  ∆𝑝 ∆𝑝 𝐷, 𝐿, 𝑒, 𝑉, 𝜌, 𝜇   (6) 

Using Equations (1) and (4) this can be rewritten in non‐dimensional form as Equation (7). 

 

𝑉 𝑔  𝑅𝑒,𝐿 𝐷,𝑒

𝐷   (7) 

The dimensionless parameter, 𝑒 𝐷, is called the relative roughness and is not present in the laminar  formulation, Equation (5), because fully developed laminar pipe flow is independent of it. Dimensional  analysis  establishes  the  functional  relationship,  but  the  actual  values  must  be  obtained  experimentally. 

Experiments show that the non‐dimensional head loss is directly proportional to 𝐿 𝐷, giving 

 

ℎ 12 𝑉

𝑔 𝐿

𝐷 𝑅𝑒,𝑒

𝐷   (8) 

The constant, 1 2, is introduced to the left side of Equation (8) so that the left side is the ratio of the  head loss to the kinetic energy per unit mass of the flow. The undetermined function, , is defined as  the Darcy friction factor, 𝑓, and is determined experimentally [15].  

  𝑓  𝑅𝑒,𝑒

𝐷   (9) 

Equation (8) can thus be rewritten as 

  ℎ 𝑓𝐿

𝐷 𝑉

2𝑔  (10) 

(28)

The functional dependence of the friction factor on the Reynolds number and relative roughness was  an  arduous  task  that  required  extensive  experiments  to  be  carried  out.  Such  experiments  were  conducted by Nikuradse in 1933 [17]. In 1944, Lewis Ferry Moody plotted the Darcy–Weisbach friction  factor against Reynolds number, 𝑅𝑒, for various values of relative roughness, 𝑒 𝐷, [18]. The resultant  graph is called the Moody diagram and can be viewed in appendix 1. 

To  determine  head  loss  for  fully  developed  flow  with  known  conditions,  the  Reynolds  number  is  evaluated first. Roughness, 𝑒, is obtained from available tabulated data such as those in Table 2. Then  the friction factor, 𝑓, can be read from the appropriate curve in the Moody diagram, at the known  values of 𝑅𝑒 and 𝑒 𝐷. Finally, the head loss can be found using Equation (10). 

Table 2: Roughness for New Pipes, data from [19] and [18]. 

Pipe material  Pipe roughness, 𝒆 (mm) 

Riveted steel  0.9 – 9.0 

Concrete  0.3 – 3.0 

Wood stave  0.18 – 0.9 

Cast iron  0.26 

Galvanized iron  0.15 

Commercial steel  0.045 

Drawn tubing  0.0015 

Plastic, glass  0.0 (smooth) 

The Moody Diagram has many interesting aspects which can be discussed at length, and the interested  reader  is  directed  towards  any  fluid  mechanics  text‐book,  such  as  [14]  and  [15],  for  greater  information. A summary of the most notable features of the Moody diagram are as follows, as the  Reynolds  number  is  increased,  the  friction  factor  decreases  if  the  flow  remains  laminar.  In  the  turbulent flow regime, the friction factor decreases gradually and finally levels out at a constant value  for large Reynolds numbers. The most important conclusion to be made is that the head loss always  increases with flow rate, and more rapidly when the flow is turbulent. 

To avoid having  to use a graphical  method for obtaining  the friction factor,  𝑓, for turbulent  flows,  various mathematical expressions have been fitted to the data. The most widely used formula for the  friction factor is from Colebrook [19], 

  1

𝑓 2.0 𝑙𝑜𝑔

𝑒 𝐷 3.7

2.51

𝑅𝑒 𝑓   (11) 

Equation  (11)  is  valid  for  the  entire  nonlaminar  range  of  the  Moody  chart.  The  Moody  chart  is  essentially  a  graphical  representation  of  this  equation,  which  is  an  empirical  fit  of  the  pipe  flow  pressure drop data [14]. It is implicit in 𝑓 and must be solved iteratively. 

(29)

head loss.  These losses are referred  to as minor losses. Similar to major head losses, a theoretical  analysis  of  such  losses  does  not  exist  and  they  are  represented  in  dimensionless  form  using  experimental data. Minor head losses are expressed by a loss coefficient, defined as: 

  𝐾 ℎ

𝑉 2𝑔

∆𝑝 12 𝜌𝑉

  (13) 

Which can be re‐written to give: 

  ℎ 𝐾𝑉

2𝑔  (14) 

The  value  of  𝐾  is  strongly  dependent  on  the  geometry  of  the  component  considered  and  fluid  properties, 𝐾  𝑔𝑒𝑜𝑚𝑒𝑡𝑟𝑦, 𝑅𝑒 . For most practical scenarios, the Reynolds number is large enough  so that inertial effects are dominant and viscous effects are negligible. Therefore, in most cases the  loss coefficient is a function of geometry only, 𝐾  𝑔𝑒𝑜𝑚𝑒𝑡𝑟𝑦  [14]. 

Minor losses may also be expressed in terms of an equivalent length, meaning the head loss through  a component is given in terms of the equivalent length of pipe that would produce the same head loss  as the component. 

  ℎ 𝐾𝑉

2𝑔 𝑓𝑙 𝐷

𝑉

2𝑔→ 𝑙 𝐾 𝐷

𝑓   (15)

3.4.2.1

Losses in Bends

Bends in pipes cause greater head loss than if the pipe were straight. The separated region of flow  near the inside of the bend and the swirling secondary flow caused by the imbalance of centripetal  forces from the pipe curvature are responsible for the losses. These effects and corresponding values  of 𝐾 for large Reynolds number flows through a bend are shown in Figure 27. The friction loss from  the length of the pipe bend must also be calculated and added to that given by the loss coefficient of  Figure 27 [14]. 

 

Figure 27: Character of the flow in a 90° bend and the associated loss coefficient, reproduced with permission 

(30)

3.4.2.2

Losses in Exit Flows

Another scenario of interest is the flow leaving a confined space, resulting in a jet of fluid. If the exit is  not a smooth, well‐contoured nozzle, but rather a flat plate as shown in Figure 28, the diameter of the  jet, 𝑑 , will be less than the diameter of the hole, 𝑑 . This phenomenon, called a vena contracta effect,  is the result of the inability of the fluid to turn the sharp corner, as indicated by the dotted lines in the  Figure 28 [14]. 

Figure 28: Vena contracta effect for a sharp‐edged orifice, reproduced with permission from [14]. 

The vena contracta effect is a function of the geometry of the outlet. Some typical configurations are  shown in Figure 29 along with typical values of the experimentally obtained contraction coefficient, 

𝐶 𝐴

𝐴 , where 𝐴  and 𝐴  are the areas of the jet at the vena contracta and the area of the hole  respectively [14]. 

(31)

Another non‐dimensional coefficient is more typically used when describing the behavior of nozzles  and orifices. This coefficient is known as the discharge coefficient, 𝐶 , and is the ratio of mass flow  rate at the discharge end of the nozzle to that of an ideal nozzle (no energy loss) which expands an  identical working fluid from the same initial conditions to the same exit pressures. 

  𝐶 𝑄

𝑄   (16) 

Some typical values for the discharge coefficient are shown in Figure 30. 

Figure 30: Discharge coefficients for various exit configurations [21]. 

The relation between the loss coefficient, 𝐾, and the discharge coefficient, 𝐶 , is such 

  𝐾 1

𝐶   (17) 

3.5 Centrifugal Pump

One of the most common pump types is the centrifugal pump. There are two main components to  this  type  of  pump:  an  impeller  attached  to  a  rotating  shaft,  and  a  stationary  casing  enclosing  the  impeller. The impeller is comprised of several curved blades, arranged in a regular pattern around the  shaft. The rotation of the impeller causes fluid to be sucked in through the “eye” of the casing and  flow  radially  outward.  Energy  is  added  to  the  fluid  by  the  rotating  blades,  and  both  pressure  and  absolute velocity are increased as the fluid flows from the eye to the edge of the blades [14]. 

(32)

3.5.1 Pump Characteristics

The  head  rise,  ℎ ,  gained  by  a  fluid  flowing  through  a  pump  can  be  expressed  using  the  energy  equation, (3). 

  ℎ 𝑝 𝑝

𝜌𝑔

𝑉 𝑉

2 𝑧 𝑧   (18) 

 

Figure 32: Head rise gained by a fluid flowing through a pump, reproduced with permission from [14].  

Typically, the differences in elevation between the pump inlet and outlet are negligible simplifying  equation (18) to: 

  ℎ 𝑝 𝑝

𝜌𝑔

𝑉 𝑉

2

𝑝 𝑝

𝛾

𝑉 𝑉

2   (19) 

Performance characteristics for a given pump geometry and operating speed are usually depicted as  plots of ℎ  versus flowrate, 𝑄, as shown in Figure 33. 

,

(33)

3.5.2 System Characteristics and Operating Point

A typical flow system is depicted in Figure 34. 

Figure 34: A typical flow system, reproduced with permission from [14].  

Application of the energy equation, (3), to this system gives the “system equation”. 

  ℎ 𝑧 𝑧 ℎ   (20) 

Where ℎ  is the head provided by the pump as described in section 3.5.1 and ℎ  is the total head loss  accounting for all major and minor frictional losses as covered in section 3.4. Expanding equation (20)  using equations (10) and (14) from sections 3.4.1 and 3.4.2 gives: 

  ℎ 𝑧 𝑧 𝑓 𝑙

𝐷 𝐾 𝑉

2𝑔  (21) 

Equation (21) demonstrates that ℎ  is proportional to velocity squared, 𝑉 , making it proportional to  flowrate squared, 𝑄 . 

  ℎ 𝑧 𝑧 𝐶𝑄   (22) 

This “system equation” thus demonstrates how the pump head is related to the system parameters,  or how the head gained by the fluid is related to the flowrate [14]. The plotted curve of equation (22)  is shown in Figure 35. 

, ,

h z z CQ  

z z  

𝑄 

(34)

There also exists a unique relationship between the pump head given to the fluid and the flowrate,  which is governed by the pump design. Selecting a pump for a particular application, requires using  both  the  system  curve,  as  determined  by  the  system  equation,  and  the  pump  performance  curve. 

When both curves are plotted on the same graph, as shown in Figure 36, their intersection (point A)  gives the operating point for the system. This point gives the head and flowrate that satisfies both the  system equation and the pump equation [14]. 

Figure 36: The operating point for a hydraulic system, reproduced with permission from [14].  

The theory covered thus far suffices for the purposes of this thesis. At this point, it is important to  state that the theory for internal incompressible flows covered in this section is for conventional pipe  systems which are circular in geometry. As will be seen further‐in, the geometry of the dishwasher  hydraulic  components  does  not  conform  to  that  of  a  typical  pipe  system.  Therefore,  the  non‐dimensional coefficients cannot be readily taken from tables within literature and assumed to be 

appropriate.    

,

𝑸 

(35)

4

Simscape

       

4.1 Background

Simscape is a set of block libraries and special simulation features for modeling physical systems in  the  Simulink®  environment.  It  employs  the  Physical  Network  approach  (acausal  approach),  which  differs from the standard Simulink modeling approach (casual approach) and is particularly suited to  simulating  systems  that  consist  of  real  physical  components.  Simulink  blocks  represent  basic  mathematical operations. When Simulink blocks are connected, the resulting diagram is equivalent to  the mathematical model, or representation, of the system under design. Simscape allows for creating  a  network  representation  of  the  system  under  design,  based  on  the  Physical  Network  approach. 

According  to  this  approach,  each  system  is  represented  as  consisting  of  functional  elements  that  interact with each other by exchanging energy through their ports [22]. 

These  connection  ports  are  nondirectional.  They  mimic  physical  connections  between  elements. 

Connecting Simscape blocks together is analogous to connecting real components, such as pumps,  valves, and so on. In other words, Simscape diagrams mimic the physical system layout. If physical  components can be connected, their models can be connected too. It is not necessary to specify flow  directions and information flow when connecting Simscape blocks, just as they are not specified when  connecting real physical components. The Physical Network approach, with its nondirectional physical  connections, automatically resolves all the traditional issues with variables, directionality, and so on  [22]. 

4.2 Variable Types

The Physical Network approach supports two types of variables, as described in [22]: 

 Through Variables that are measured with a gauge connected in series to an element. 

 Across Variables that are measured with a gauge connected in parallel to an element. 

These definitions are based on Kirchoff’s Current and Voltage law which, respectively, state that the  sum of electrical currents into and out from a single node must be equal, and that the sum of the  electrical potential differences around any closed circuit must also be zero. 

The  equivalent  of  the  Current  and  Voltage  quantities  in  Simscape  are  the  “through”  and  “across” 

variables. These are conjugate variables whose product is the energy flow between the components.  

4.3 Physical Domains

Simscape offers separate component libraries for different physical domains. Each physical domain  has its own set of conjugate variables along with constraints which determine the rules by which those  variables can operate. The domain provides the environment in which components can be connected  to each other. 

(36)

Since the topic of this thesis concerns hydraulics, the hydraulics domain of the Simscape library was  utilized. The conjugate variables of this domain can be ascertained by applying Kirchoff’s laws. 

Restating  the  voltage  law,  it  establishes  that  the  voltage  of  all  components’  ports  attached  to  an  electrical node must be the same. Extending this definition to the hydraulics domain, this means that  the  pressure  at  all  the  components’  ports  attached  to  that  node  must  be  the  same.  Pressure  is  therefore, the “across” variable of the hydraulics domain. 

Similarly, the current law establishes that the sum of currents flowing towards an electrical node is  equal to the sum of currents flowing away from that node. Extending this to the hydraulic domain, it  means that the amount of fluid flowing into a node must be equal to the amount of fluid flowing out  of that node. This makes the flow rate the “through” variable of the hydraulics domain. 

Table 3: Across and Through variables of the hydraulic domain. 

Physical Domain  Across Variable  Through Variable 

Hydraulic  Pressure  Flow rate 

These variables are defined in the domain declarations of Simscape. As an example, the declaration  of the hydraulics domain is shown in Listing 1. 

Listing 1: hydraulic domain declaration. 

domain hydraulic

% Hydraulic Domain

% Copyright 2005-2013 The MathWorks, Inc.

parameters

density = { 1000 , 'kg/m^3' }; % Fluid density

viscosity_kin = { 8.887e-7 , 'm^2/s' }; % Kinematic viscosity

bulk = { 0.8e9 , 'Pa' }; % Bulk modulus at atm. pressure and no gas

alpha = { 0.005 , '1' }; % Relative amount of trapped air range_error = { 2 , '1' }; % Pressure below absolute zero end

variables

p = { 0 , 'Pa' }; % Pressure end

variables(Balancing = true)

q = { 0 , 'm^3/s' }; % Flow rate end

end

(37)

The parameters block simply defines a set of default fluid properties to be used in case they are  not defined by the user in their model. 

4.4 Component Definition

Components are defined as belonging to a certain physical domain and inherit their variables from  their  parent  domain.  The  components  are  the  building  blocks  of  the  physical  network  and  are  connected to other components. They contain the necessary balance equations which determine the  behavior  of  those  connections.  The  Simscape  code  implementing  a  simple  resistor  can  be  seen  in  Listing 2. 

Listing 2: Component definition of a simple electrical resistor [24] 

component resistor nodes

p = foundation.electrical.electrical; % +:left n = foundation.electrical.electrical; % -:right end

variables

i = { 0, 'A' }; % Current v = { 0, 'V' }; % Voltage end

parameters

R = { 1, 'Ohm' }; % Resistance end

branches

i : p.i -> n.i;

end equations

v == p.v - n.v;

v == i*R;

end

end

The nodes

 

section declares the physical connection ports of the resistor. The variables section  contains the (in this case) two principle variables which are used in the equations. In the parenthesis  facing each variable is an initial value and the variable unit. The parameters

 

section is where the  electrical resistance is defined, which is used as a coefficient in the equations. The branch

 

section  defines the direction of the current of the component. Since the through variable in the electrical  domain is the current, the declaration in the branch section also ensures compliance with Kirchoff’s  Current Law. Lastly, the equations

 

section is where the familiar Ohm’s law is declared along with  the relation determining the across variable (voltage) of the component, with p.v and n.v

 

being  the across variable values at ports p and n.

Descriptions regarding the Simscape environment, solvers, library and the blocks which were used in  developing the model for the hydraulic system have been omitted from the main body of this text for  the sake of brevity. The interested reader can refer to appendix 2 and acquire the information they  seek.

(38)

5

Model creation

       

The initial phase of creating the model involved replicating the hydraulic system in the same manner  its components are connected to one another using the Simscape components described in appendix  2. 

5.1 Pump

For  the  pump,  the  “Centrifugal  Pump  Block”  was  used.  The  required  tabulated  data  (pressure  difference, flow rate) were obtained from the pump characteristic curves depicted in section 2.2.1. 

The equations of the 2nd order polynomial fits representing the curves were extracted and used to  generate vectors of pump pressure differentials for the different rotational speeds. These were then  stored as MATLAB variables, as shown in Figure 38, within the model workspace to be read by the  pump block as required. 

 

Figure 37: Accessing the model workspace from within the model window menu bar. 

(39)

Figure 38: The pump parameters stored in the model workspace. 

Therefore,  instead  of  directly  defining  the  vectors  in  the  block  settings,  the  names  of  the  relevant  MATLAB variables are instead input as shown in Figure 39. 

Figure 39: Pump block settings.   

The angular velocity of the pump must be supplied to it by a separate block through its “S” port. This  block is called the “Ideal Angular Velocity Source” located at 𝑆𝑖𝑚𝑠𝑐𝑎𝑝𝑒  𝐹𝑜𝑢𝑛𝑑𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 𝐿𝑖𝑏𝑟𝑎𝑟𝑦   𝑀𝑒𝑐ℎ𝑎𝑛𝑖𝑐𝑎𝑙  𝑀𝑒𝑐𝑎ℎ𝑛𝑖𝑐𝑎𝑙 𝑆𝑜𝑢𝑟𝑐𝑒𝑠. The desired angular velocity must itself be input to this model  through its physical signal port “S”. The setup is depicted in Figure 40. 

(40)

Figure 40: The pump as represented within the model.   

5.2 Flow Controller

The  flow  controller  was  represented  using  the  “Fixed  Orifice  Block”.  Two  blocks  in  a  parallel  configuration were used to represent the flows discharging through the Flow Controller’s two outlets,  shown in Figure 41. 

Figure 41: The flow controller as represented in the model. 

5.3 Delivery Tube

Due  to  the  geometrical  variance  present  throughout  the  delivery  tube  it  was  divided  into  several  smaller sections, each of which were represented using a hydraulic block. For the lengthy parts of the  tube  the  “Resistive  Pipe  LP  Block”,  while  for  the  bends  and  cross‐sectional  changes  the  “Local  Resistance Block” were used. This setup is shown in Figure 42. 

(41)

Figure 42: The delivery tube as represented in the model. 

5.4 Spray Arms

The spray arms are represented using a combination of “Local Resistance” and “Fixed Orifice” blocks. 

The orifice blocks were used to represent the nozzles while the resistance blocks were used for the  flow  entering  the  different  sides  of  the  arms.  The  orifice  blocks  were  connected  to  “Hydraulic  Reference Blocks” in order to model discharging to atmospheric conditions. 

 

Figure 43: The top spray arm as represented in the model. 

(42)

Figure 44: The upper spray arm as represented in the model. 

Figure 45: The lower spray arm as represented in the model. 

5.5 The Initial Hydraulic Circuit

The initial simple hydraulic circuit resulting from the connection of these different sections to each  other is depicted in Figure 46. 

     

(43)

Figure 46: The hydraulic circuit. 

The next phase was determining the loss coefficients and other loss parameters within the blocks,  such that the behavior of the model conformed to that of the actual dishwasher system. 

5.6 Evaluating the Loss Parameters

To  determine  the  loss  parameters  (pressure  loss  coefficients,  equivalent  length  of  resistances,  discharge coefficients) the pressure losses from different regions of the system were required. To this  end, simulation results from a CFD model of the dishwasher hydraulic system were used. This CFD  model  had  been  previously  developed  and  its  veracity  confirmed,  making  it  a  suitable  source  for  extracting the desired hydraulic data. 

The regions from which the pressure losses were extracted are depicted in Figure 47 to Figure 52. 

These were than used in tuning the coefficients of the corresponding blocks in the Simscape model. 

(a)  (b)

Figure 47: Extracted pressure losses in the flow controller. (a) Between flow controller entry and outlet to lower  spray arm, (b) Between flow controller entry and outlet to delivery tube. 

Delivery  tube

Pump

Flow  Controller

Sump

Lower spray  arm Upper spray 

arm

Top spray arm

To lower  spray arm

From pump From pump

To delivery 

tube

(44)

 

Figure 48: Extracted pressure loss in lower spray arm collar. 

 

 

 

 

To lower spray 

arm entry

From Flow  Controller outlet

From lower arm entry

To “Sun” arm  topside nozzle

From lower arm entry  To “Satellite” arm 

entry

“Satellite” arm entry To “Satellite” arm 

side 1

To “Satellite” arm 

side 2

(45)

 

 

 

 

 

Delivery tube entry

To after delivery tube entry bend

After delivery  tube entry bend To before lower  tube lower bend

Before tube  lower bend To after tube 

lower bend

After tube  lower bend To upper spray arm 

junction

upper spray 

To upper spray arm entry

(46)

Figure 50: Extracted pressure losses in delivery tube. 

upper spray  arm junction To before tube 

upper bend

Before tube upper bend To after tube upper bend

To divided cross‐section  before top spray arm entry

After tube upper bend

Divided cross‐section  before top spray arm entry

To top spray arm entry

To before upper 

spray arm bend

(47)

Figure 51: Extracted pressure losses in upper spray arm. 

 

Figure 52: Extracted pressure losses in top spray arm. 

Additionally,  the  nozzle  flow  rates  of  each  spray  arm  were  also  extracted  and  used  in  tuning  the  discharge coefficients of the model orifice blocks representing the nozzles. 

In  total,  18  steady‐state  CFD  simulations  covering  different  combinations  of  pump  speed  and  flow  controller positions served as the dataset for evaluating the loss parameters. For the full hydraulic  system, meaning both outlets of the flow controller being open, 51 parameters required evaluation. 

For the lower and upper parts only, the number of parameters was 15 and 37 respectively.  

5.7 The Simulink Parameter Estimation Tool

Identifying  the  coefficients  of  a  system  of  equations  with  parameter  constraints  by  comparing  its  response to that of a reference system is known as “Gray Box” modeling. Therefore, the approach for  evaluating the loss parameters of the hydraulic model constitutes this approach, with the reference  system being the CFD model. 

Since the number of parameters is high and the hydraulic system represents a system of equations  which are coupled to and constrained by each other, the parameters must be evaluated concurrently. 

Simulink features a “Parameter Estimation” tool which can be used for this purpose. This tool can be 

To upper spray arm side 1

After upper spray arm bend

To upper spray  arm side 2 After upper spray 

arm bend

From top spray  arm entry

To top spray arm  side 1

From top spray  arm entry

To top spray arm 

side 2

(48)

  Figure 53: Accessing the parameter estimation tool from the model window menu bar. 

This opens the “Parameter Estimation” GUI shown in Figure 54. 

(49)

  Figure 55: Select parameters window. 

Opening “Select parameters” in this window displays a list of selectable parameters within the model. 

Figure 56: Available parameters. 

For parameters to show up in this list they must be defined as MATLAB variables, similar to what was  described in section 5.1. Once selected, the parameters will appear in the previous window. 

(50)

 

Figure 57: Selected parameter(s) displayed in main window of “Select Parameters”. 

The extremums of each parameter can be defined in their “Maximum” and “Minimum” fields. For the  model parameters, the minimum was set to zero since loss parameters cannot be negative values. In  the case of the nozzles, the maximum limit was set to 1 in accord with the theory covered in section  3.4.2.2. For the other parameters (pressure loss coefficients and equivalent lengths of resistances) no  maximum limit was defined. The reasoning behind this is what was previously mentioned at the end  of chapter 3; the components within the dishwasher system do not conform to those of typical piping  systems, therefore it is not unreasonable to assume that the loss coefficients obtained for them will  not conform to the typical values and limits found within pipe flow theory. 

To estimate the parameters, the response of the model in its different parts needed to be monitored  so they could be compared with the extracted data from the CFD model. This was achieved through  the  application  of  Sensor  and  Simulink  Outport  blocks  which  are  described  in  appendix  2.  After  carrying out the required modifications, the model circuit became that shown in Figure 58. 

(51)

Figure 58: The modified model for parameter estimation. 

Now the data from the CFD simulations must be input to serve as the reference against which the  model response will be compared to. To do this, “New Experiment” is opened from the toolbar of the 

“Parameter Estimation” GUI. The resulting window is shown in Figure 59. 

Figure 59: The experiments window.   

Opening  “Select  Measured  Output  Signals”  displays  a  list  of  all  selectable  response  signals  of  the 

(52)

Figure 60: The list of output signals from the model. 

After selecting the desired output signals, they will appear in the previous window. Now the extracted  data from the CFD model must be defined for each corresponding signal. This is done through the 

“Edit signal data using variable editor” button as shown in Figure 61. 

(53)

e.g.  30  seconds,  then  view  the  simulation  time  data  and  use  those  for  the  time  column  of  the  time‐series matrix. An example is shown in Figure 62. 

Figure 62: Representing the reference data in time‐series format. 

The reference data can also be imported from CSV or Excel spreadsheet files should they exist. 

Once this is done for all the output signals the parameter estimation can be carried out. The process  is computationally intensive and therefore it is best to make use of parallel processing. The parameter  estimation by default uses serial computing. Parallel computing can be enabled in “More Options” 

accessible through the “Parameter Estimation” GUI and by checking the tick‐box next to “Use parallel  pool during estimation”. 

  Figure 63: Enabling parallel processing in the parameter estimation options. 

The other options such as the optimization method and algorithm were kept at their default settings. 

After having carried out the previous tasks, the “Parameter Estimation” GUI is updated to reflect the 

(54)

Figure 64: Parameter estimation GUI with parameters and experiments sections updated. 

Using the “Add Plots” menu on the toolbar the plots for the experiment (here the data from CFD) can  be plotted. The “Plot Model Response” button also plots the current model response so its difference  from  the  experiment  data  may  be  visually  observed.  This  plot  is  continuously  updated  during  the  estimation process to reflect the changes in model response. Each set of model output and experiment  data (the entries in Figure 61) are plotted separately within the GUI. An example of one such set of  data plotted is shown in Figure 65. 

References

Related documents

analysis since the impact of the parameter on the result increases with the surface factor. The results are shown in Figures 1-3. These results were insensitive to changes in

However other authors like Spijkerman (2015) believe that e-shopping will not change the number of trips customers make to physical stores even though for the

The change that had the most influence on the water surface elevation result was the increase of the parameter high calibration flow when using the MANSQ model.. The newly

Percussion Units Linköping Studies in Science and Technology. Licentiate

Parametric Study of a Mitral Valve Model for Blood Flow Simulation in the Left Ventricle of the

The fuzzy PI controller always has a better control performance than the basic driver model in VTAB regardless of testing cycles and vehicle masses as it has an

Since it was developed 2009, this simulation system has been used for education and training in major incident response for many categories of staff on many different

The focus is on the Victorian Environmental Water Holder (VEWH), that gives entitlements to the environmental water of the Yarra river, and on the Yarra River Protection