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) * FG_PI;
  82     balloon_envelope_volume = (4.0/3.0) * (8.8 * 8.8 * 8.8) * FG_PI;
  83
  84     wind_facing_area_of_balloon = FG_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     sgVec3 v;
 173
 174     FGPhysicalProperty wdbpos = WeatherDatabase->get(position);
 175
 176     //get the current wind velocity and store it in v
 177     //Point3D temp = wdbpos.Wind;
 178     //sgSetVec3(v, temp.x(), temp.y(), temp.z());
 179     sgCopyVec3(v, wdbpos.Wind );
 180
 181     sgSubVec3(v, velocity);
 182     float speed = sgLengthVec3(v);
 183
 184     // calculate the density of the gas inside
 185     double rho = wdbpos.AirPressure / (287.14 * T);
 186
 187     // calculate the mass of the air
 188     double mAir = rho * balloon_envelope_volume;
 189
 190     // loss of energy by cooling down:
 191     float k = 1.0 / (1.0/4.8 + 1.0/(4.8+3.4*speed) + l_of_the_envelope/lambda);
 192     float Q = k * balloon_envelope_area * (dt/3600.0) * (wdbpos.Temperature - T);   //(dt/3600.0) = time since last call in hours
 193
 194     // gain of energy by heating:
 195     if (fuel_left > 0.0)        //but only with some fuel left ;-)
 196     {
 197         float fuel_burning = current_burner_strength * max_flow_of_fuel_per_second * dt * weight_of_total_fuel; //in kg
 198
 199         //convert to cubemetres (I'm wrongly assuming 'normal' conditions; but that's correct for my special case)
 200         float cube_metres_burned = fuel_burning / 2.2;  //2.2 is the density for propane
 201
 202         fuel_left -= fuel_burning / weight_of_total_fuel;
 203
 204         // get energy through burning.
 205         Q += 22250.0 * cube_metres_burned;  //22250 for propan, 29500 would be butane and if you dare: 2580 would be hydrogen...
 206     }
 207
 208     // calculate the new temperature in the inside:
 209     T += Q / (1.00 * mAir);
 210
 211     //calculate the masses of the envelope and the basket
 212     float mEnvelope = mAir + weight_of_envelope;
 213     float mBasket   = weight_of_total_fuel*fuel_left + weight_of_basket + weight_of_cargo;
 214
 215     float mTotal = mEnvelope + mBasket;
 216
 217     //calulate the forces
 218     sgVec3 fTotal, fFriction, fLift;
 219
 220     sgScaleVec3(fTotal, gravity_vector, mTotal);
 221     sgScaleVec3(fFriction, v, cw_envelope * wind_facing_area_of_balloon * WeatherDatabase->getAirDensity(position) * speed / 2.0);  //wind resistance
 222     sgScaleVec3(fLift, gravity_vector, -balloon_envelope_volume * wdbpos.AirPressure / (287.14 * wdbpos.Temperature));
 223
 224     sgAddVec3(fTotal, fLift);
 225     sgAddVec3(fTotal, fFriction);
 226
 227     //claculate acceleration: a = F / m
 228     sgVec3 aTotal, vTotal, dTotal;
 229
 230     sgScaleVec3(aTotal, fTotal, 1.0 / mTotal);
 231
 232     //integrate the displacement: d = 0.5 * a * dt**2 + v * dt + d
 233     sgScaleVec3(vTotal, velocity, dt);
 234     sgScaleVec3(dTotal, aTotal, 0.5*dt*dt); sgAddVec3(dTotal, vTotal);
 235
 236     //integrate the velocity to 'velocity': v = a * dt + v
 237     sgScaleVec3(vTotal, aTotal, dt); sgAddVec3(velocity, vTotal);
 238
 239     /************************************************************************/
 240     /* VERY WRONG STUFF: it's just here to get some results to start with   */
 241     /************************************************************************/
 242
 243     // care for the ground
 244     if (position[2] < (ground_level+0.001) )
 245         position[2] = ground_level;
 246
 247     //return results
 248     sgAddVec3(position, dTotal);
 249
 250     //cout << "BallonSim: T: " << (T-273.16) << " alt: " << position[2] << " ground: " << ground_level << " throttle: " << current_burner_strength << "\n";
 251 }
 252
 253 void balloon::set_burner_strength(const float bs)
 254 {
 255     if ((bs>=0.0) && (bs<=1.0))
 256     current_burner_strength = bs;
 257 }
 258
 259 void balloon::getVelocity(sgVec3 v) const
 260 {
 261     sgCopyVec3(v, velocity);
 262 }
 263
 264 void balloon::setVelocity(const sgVec3 v)
 265 {
 266     sgCopyVec3(velocity, v);
 267 }
 268
 269 void balloon::getPosition(sgVec3 v) const
 270 {
 271     sgCopyVec3(v, position);
 272 }
 273
 274 void balloon::setPosition(const sgVec3 v)
 275 {
 276     sgCopyVec3(position, v);
 277 }
 278
 279 void balloon::getHPR(sgVec3 angles) const //the balloon isn't allways exactly vertical
 280 {
 281     sgCopyVec3(angles, hpr);
 282 }
 283
 284 void balloon::setHPR(const sgVec3 angles)  //the balloon isn't allways exactly vertical
 285 {
 286     sgCopyVec3(hpr, angles);
 287 }
 288
 289 void balloon::setGroundLevel(const float altitude)
 290 {
 291     ground_level = altitude;
 292 }
 293
 294 float balloon::getTemperature(void) const
 295 {
 296     return T;
 297 }
 298
 299 float balloon::getFuelLeft(void) const
 300 {
 301     return fuel_left;
 302 }
 303
 304 /*
 305 void main(void)
 306 {
 307     bool burner = true;
 308     balloon bal;
 309     bool exit = false;
 310     sgVec3 pos={0.0, 0.0, 0.0};
 311     char c;
 312     float acc_dt = 0.0;
 313     float alt;
 314
 315 bool hysteresis = false; // moving up
 316     for (;!exit;)
 317     {
 318         for (int i=0; i<100; i++)
 319         {
 320             bal.update(0.1); acc_dt += 0.1;
 321             bal.getPosition(pos);
 322             alt = pos[2];
 323
 324             if (alt > 3010)
 325             {
 326                 hysteresis = true;
 327                 burner = false;
 328             }
 329             if ((alt < 2990) && (hysteresis == true))
 330             {
 331                 hysteresis = false;
 332                 burner = true;
 333             }
 334             if ((bal.getTemperature()-273.16)>250.0)
 335                 burner = false; //emergency
 336         }
 337
 338         // toogle burner
 339         c = getch();
 340         if (c==' ')
 341             burner=!burner;
 342         //if (c=='s')
 343         //    show=!show;
 344
 345         //printf("Position: (%f/%f/%f), dP: (%f/%f/%f), burner: ", pos[0], pos[1], pos[2], dp[0], dp[1], dp[2]);
 346         printf("%f         \t%f         \t%f         \t%f\n", acc_dt/60.0, bal.getTemperature()-273.16, pos[2], bal.getFuelLeft());
 347         if (burner==true)
 348         {
 349             //printf("on\n");
 350             bal.set_burner_strength(1.0);
 351         }
 352         else
 353         {
 354             //printf("off\n");
 355             bal.set_burner_strength(0.0);
 356         }
 357
 358     }
 359 }
 360 */