src/FDM/Balloon/BalloonSim.cpp

   1 /*****************************************************************************
   2
   3  Module:       BalloonSim.cpp
   4  Author:       Christian Mayer
   5  Date started: 01.09.99
   6  Called by:
   7
   8  -------- Copyright (C) 1999 Christian Mayer (fgfs@christianmayer.de) --------
   9
  10  This program is free software; you can redistribute it and/or modify it under
  11  the terms of the GNU General Public License as published by the Free Software
  12  Foundation; either version 2 of the License, or (at your option) any later
  13  version.
  14
  15  This program is distributed in the hope that it will be useful, but WITHOUT
  16  ANY WARRANTY; without even the implied warranty of MERCHANTABILITY or FITNESS
  17  FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU General Public License for more
  18  details.
  19
  20  You should have received a copy of the GNU General Public License along with
  21  this program; if not, write to the Free Software Foundation, Inc., 59 Temple
  22  Place - Suite 330, Boston, MA  02111-1307, USA.
  23
  24  Further information about the GNU General Public License can also be found on
  25  the world wide web at http://www.gnu.org.
  26
  27 FUNCTIONAL DESCRIPTION
  28 ------------------------------------------------------------------------------
  29 A hot air balloon simulator
  30
  31 HISTORY
  32 ------------------------------------------------------------------------------
  33 01.09.1999 Christian Mayer      Created
  34 03.10.1999 Christian Mayer      cleaned  the code  by moveing  WeatherDatabase
  35                                 calls inside the update()
  36 *****************************************************************************/
  37
  38 /****************************************************************************/
  39 /* INCLUDES                                                                 */
  40 /****************************************************************************/
  41 #include <stdio.h>
  42 // #include <conio.h>
  43 #include <math.h>
  44
  45 #include <simgear/constants.h>
  46
  47 #include <Aircraft/aircraft.hxx>
  48 #include <WeatherCM/FGLocalWeatherDatabase.h>
  49
  50 #include "BalloonSim.h"
  51
  52 #include <plib/sg.h>
  53
  54 /****************************************************************************/
  55 /********************************** CODE ************************************/
  56 /****************************************************************************/
  57
  58 /****************************************************************************/
  59 /*                                                                          */
  60 /*  Constructor:                                                            */
  61 /*  Set the balloon model to some values that seem reasonable as I haven't  */
  62 /*  got much original values                                                */
  63 /*                                                                          */
  64 /****************************************************************************/
  65 balloon::balloon()
  66 {
  67     dt = 0.1;
  68     ground_level = 3400.0;
  69
  70     sgSetVec3(gravity_vector, 0.0, 0.0, -9.81);
  71     sgSetVec3(velocity, 0.0, 0.0, 0.0);
  72     sgSetVec3(position, 0.0, 0.0, 0.0);
  73     sgSetVec3(hpr,      0.0, 0.0, 0.0);
  74
  75     /************************************************************************/
  76     /* My balloon  has a  radius of  8.8 metres  as that  gives a  envelope */
  77     /* volume of about 2854 m^3  which is  about 77000 ft^3,  a very common */
  78     /* size for hot air balloons                                            */
  79     /************************************************************************/
  80
  81     balloon_envelope_area = 4.0 * (8.8 * 8.8) * SGD_PI;
  82     balloon_envelope_volume = (4.0/3.0) * (8.8 * 8.8 * 8.8) * SGD_PI;
  83
  84     wind_facing_area_of_balloon = SGD_PI * (8.8 * 8.8);
  85     wind_facing_area_of_basket = 2.0;   //guessed: 2 m^2
  86
  87     cw_envelope=0.45;                   //a sphere in this case
  88     cw_basket=0.8;
  89
  90     weight_of_total_fuel = 40.0;        //big guess
  91     weight_of_envelope = 200.0;         //big guess
  92     weight_of_basket = 40.0;            //big guess
  93     weight_of_cargo = 750.0;            //big guess
  94
  95     fuel_left=1.0;
  96     max_flow_of_fuel_per_second=10.0*1.0/3600.0; //assuming 10% of one hour of total burn time
  97     current_burner_strength = 0.0;      //the throttle
  98
  99     lambda = 0.15;                      //for plasic
 100     l_of_the_envelope = 1.0/1000.0;     //the thickness of the envelope (in m): 1mm
 101
 102     T = 273.16 + 130.6;                 //Temperature in the envelope => still at ground level
 103 }
 104
 105 void balloon::update()
 106 {
 107     /************************************************************************/
 108     /* I'm  simplifying  the  balloon by  reducing the  simulation  to  two */
 109     /* points:                                                              */
 110     /* the center of the basket (CB) and the center of the envelope (CE)    */
 111     /*                                                                      */
 112     /*                                 ce                                   */
 113     /*                                 I                                    */
 114     /*                                 I                                    */
 115     /*                                 cg (=center of gravity)              */
 116     /*                                 I                                    */
 117     /*                                 cb                                   */
 118     /*                                                                      */
 119     /* On each center  are forces acting:  gravity and  wind resitance.  CE */
 120     /* additionally got the lift  (=> I need to calculate the weight of the */
 121     /* air inside, too)                                                     */
 122     /*                                                                      */
 123     /* The weight of the air  in the envelope is  dependant of the tempera- */
 124     /* ture. This temperature is decreasing over the time that is dependant */
 125     /* of the insulation  of the envelope  material (lambda),  the gas used */
 126     /* (air) and the wind speed. For a plane surface it's for air:          */
 127     /*                                                                      */
 128     /*    alpha = 4.8 + 3.4*v   with v < 5.0 m/s                            */
 129     /*                                                                      */
 130     /* The value k that takes all of that into account is defined as:       */
 131     /*                                                                      */
 132     /*    1 / k = 1 / alpha1 + 1 / alpha2 + l / lambda                      */
 133     /*                                                                      */
 134     /* with 'l' beeing the 'length' i.e. thickness of the insulator, alpha1 */
 135     /* the air inside and alpha2 the air outside of the envelope.  So our k */
 136     /* is:                                                                  */
 137     /*                                                                      */
 138     /*    k = 1 / [1/4.8 + 1/(4.8+3.4v) + l/lambda]                         */
 139     /*                                                                      */
 140     /* The energy lost by this process is defined as:                       */
 141     /*                                                                      */
 142     /*    dQ = k * A * t * dT                                               */
 143     /*                                                                      */
 144     /* with Q being  the energy,  k that value  defined above,  A the total */
 145     /* area of the envelope,  t the time (in hours)  and dT the temperature */
 146     /* difference between the inside and the outside.                       */
 147     /* To get the temperature of the air in the inside I need the formula:  */
 148     /*                                                                      */
 149     /*    dQ = cAir * m * dT                                                */
 150     /*                                                                      */
 151     /* with cAir being the specific heat capacity(?)  of air (= 1.00 kcal / */
 152     /* kg * degree),  m the mass of the air and  dT the temperature change. */
 153     /* As the envelope is open I'm  assuming that the  same air pressure is */
 154     /* inside and  outside of  it  (practical there  should  be  a slightly */
 155     /* higher air pressure  in the inside or the envelope  would collapse). */
 156     /* So it's easy to calculate the density of the air inside:             */
 157     /*                                                                      */
 158     /*    rho = p / R * T                                                   */
 159     /*                                                                      */
 160     /* with p being  the pressure,  R the gas constant(?)  which is for air */
 161     /* 287.14 N * m / kg * K and T the absolute temperature.                */
 162     /*                                                                      */
 163     /* The value returned by this function is the displacement of the CB    */
 164     /************************************************************************/
 165
 166     /************************************************************************/
 167     /* NOTE:  This is the simplified version:  I'm assuming that  the whole */
 168     /* balloon consists only of the envelope.I will improove the simulation */
 169     /* later, but currently was my main concern to get it going...          */
 170     /************************************************************************/
 171
 172 #ifndef FG_OLD_WEATHER
 173     sgVec3 v;
 174
 175     FGPhysicalProperty wdbpos = WeatherDatabase->get(position);
 176
 177     //get the current wind velocity and store it in v
 178     //Point3D temp = wdbpos.Wind;
 179     //sgSetVec3(v, temp.x(), temp.y(), temp.z());
 180     sgCopyVec3(v, wdbpos.Wind );
 181
 182     sgSubVec3(v, velocity);
 183     float speed = sgLengthVec3(v);
 184
 185     // calculate the density of the gas inside
 186     double rho = wdbpos.AirPressure / (287.14 * T);
 187
 188     // calculate the mass of the air
 189     double mAir = rho * balloon_envelope_volume;
 190
 191     // loss of energy by cooling down:
 192     float k = 1.0 / (1.0/4.8 + 1.0/(4.8+3.4*speed) + l_of_the_envelope/lambda);
 193     float Q = k * balloon_envelope_area * (dt/3600.0) * (wdbpos.Temperature - T);   //(dt/3600.0) = time since last call in hours
 194
 195 #else
 196    // I realy don't think there is a solution for this without WeatherCM
 197    // but this is a hack, and it's working -- EMH
 198    double mAir = 0;
 199    float Q = 0;
 200 #endif
 201
 202     // gain of energy by heating:
 203     if (fuel_left > 0.0)        //but only with some fuel left ;-)
 204     {
 205         float fuel_burning = current_burner_strength * max_flow_of_fuel_per_second * dt * weight_of_total_fuel; //in kg
 206
 207         //convert to cubemetres (I'm wrongly assuming 'normal' conditions; but that's correct for my special case)
 208         float cube_metres_burned = fuel_burning / 2.2;  //2.2 is the density for propane
 209
 210         fuel_left -= fuel_burning / weight_of_total_fuel;
 211
 212         // get energy through burning.
 213         Q += 22250.0 * cube_metres_burned;  //22250 for propan, 29500 would be butane and if you dare: 2580 would be hydrogen...
 214     }
 215
 216     // calculate the new temperature in the inside:
 217     T += Q / (1.00 * mAir);
 218
 219     //calculate the masses of the envelope and the basket
 220     float mEnvelope = mAir + weight_of_envelope;
 221     float mBasket   = weight_of_total_fuel*fuel_left + weight_of_basket + weight_of_cargo;
 222
 223     float mTotal = mEnvelope + mBasket;
 224
 225     //calulate the forces
 226     sgVec3 fTotal, fFriction, fLift;
 227
 228     sgScaleVec3(fTotal, gravity_vector, mTotal);
 229 #ifndef FG_OLD_WEATHER
 230     sgScaleVec3(fFriction, v, cw_envelope * wind_facing_area_of_balloon * WeatherDatabase->getAirDensity(position) * speed / 2.0);  //wind resistance
 231     sgScaleVec3(fLift, gravity_vector, -balloon_envelope_volume * wdbpos.AirPressure / (287.14 * wdbpos.Temperature));
 232 #endif
 233
 234     sgAddVec3(fTotal, fLift);
 235     sgAddVec3(fTotal, fFriction);
 236
 237     //claculate acceleration: a = F / m
 238     sgVec3 aTotal, vTotal, dTotal;
 239
 240     sgScaleVec3(aTotal, fTotal, 1.0 / mTotal);
 241
 242     //integrate the displacement: d = 0.5 * a * dt**2 + v * dt + d
 243     sgScaleVec3(vTotal, velocity, dt);
 244     sgScaleVec3(dTotal, aTotal, 0.5*dt*dt); sgAddVec3(dTotal, vTotal);
 245
 246     //integrate the velocity to 'velocity': v = a * dt + v
 247     sgScaleVec3(vTotal, aTotal, dt); sgAddVec3(velocity, vTotal);
 248
 249     /************************************************************************/
 250     /* VERY WRONG STUFF: it's just here to get some results to start with   */
 251     /************************************************************************/
 252
 253     // care for the ground
 254     if (position[2] < (ground_level+0.001) )
 255         position[2] = ground_level;
 256
 257     //return results
 258     sgAddVec3(position, dTotal);
 259
 260     //cout << "BallonSim: T: " << (T-273.16) << " alt: " << position[2] << " ground: " << ground_level << " throttle: " << current_burner_strength << "\n";
 261 }
 262
 263 void balloon::set_burner_strength(const float bs)
 264 {
 265     if ((bs>=0.0) && (bs<=1.0))
 266     current_burner_strength = bs;
 267 }
 268
 269 void balloon::getVelocity(sgVec3 v) const
 270 {
 271     sgCopyVec3(v, velocity);
 272 }
 273
 274 void balloon::setVelocity(const sgVec3 v)
 275 {
 276     sgCopyVec3(velocity, v);
 277 }
 278
 279 void balloon::getPosition(sgVec3 v) const
 280 {
 281     sgCopyVec3(v, position);
 282 }
 283
 284 void balloon::setPosition(const sgVec3 v)
 285 {
 286     sgCopyVec3(position, v);
 287 }
 288
 289 void balloon::getHPR(sgVec3 angles) const //the balloon isn't allways exactly vertical
 290 {
 291     sgCopyVec3(angles, hpr);
 292 }
 293
 294 void balloon::setHPR(const sgVec3 angles)  //the balloon isn't allways exactly vertical
 295 {
 296     sgCopyVec3(hpr, angles);
 297 }
 298
 299 void balloon::setGroundLevel(const float altitude)
 300 {
 301     ground_level = altitude;
 302 }
 303
 304 float balloon::getTemperature(void) const
 305 {
 306     return T;
 307 }
 308
 309 float balloon::getFuelLeft(void) const
 310 {
 311     return fuel_left;
 312 }
 313
 314 /*
 315 void main(void)
 316 {
 317     bool burner = true;
 318     balloon bal;
 319     bool exit = false;
 320     sgVec3 pos={0.0, 0.0, 0.0};
 321     char c;
 322     float acc_dt = 0.0;
 323     float alt;
 324
 325 bool hysteresis = false; // moving up
 326     for (;!exit;)
 327     {
 328         for (int i=0; i<100; i++)
 329         {
 330             bal.update(0.1); acc_dt += 0.1;
 331             bal.getPosition(pos);
 332             alt = pos[2];
 333
 334             if (alt > 3010)
 335             {
 336                 hysteresis = true;
 337                 burner = false;
 338             }
 339             if ((alt < 2990) && (hysteresis == true))
 340             {
 341                 hysteresis = false;
 342                 burner = true;
 343             }
 344             if ((bal.getTemperature()-273.16)>250.0)
 345                 burner = false; //emergency
 346         }
 347
 348         // toogle burner
 349         c = getch();
 350         if (c==' ')
 351             burner=!burner;
 352         //if (c=='s')
 353         //    show=!show;
 354
 355         //printf("Position: (%f/%f/%f), dP: (%f/%f/%f), burner: ", pos[0], pos[1], pos[2], dp[0], dp[1], dp[2]);
 356         printf("%f         \t%f         \t%f         \t%f\n", acc_dt/60.0, bal.getTemperature()-273.16, pos[2], bal.getFuelLeft());
 357         if (burner==true)
 358         {
 359             //printf("on\n");
 360             bal.set_burner_strength(1.0);
 361         }
 362         else
 363         {
 364             //printf("off\n");
 365             bal.set_burner_strength(0.0);
 366         }
 367
 368     }
 369 }
 370 */