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
  21  along with this program; if not, write to the Free Software
  22  Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301, 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
  42 #ifdef HAVE_CONFIG_H
  43 #  include "config.h"
  44 #endif
  45
  46 #include <stdio.h>
  47 // #include <conio.h>
  48 #include <math.h>
  49
  50 #include <simgear/constants.h>
  51
  52 #include <Aircraft/aircraft.hxx>
  53
  54 #include "BalloonSim.h"
  55
  56 #include <plib/sg.h>
  57
  58 /****************************************************************************/
  59 /********************************** CODE ************************************/
  60 /****************************************************************************/
  61
  62 /****************************************************************************/
  63 /*                                                                          */
  64 /*  Constructor:                                                            */
  65 /*  Set the balloon model to some values that seem reasonable as I haven't  */
  66 /*  got much original values                                                */
  67 /*                                                                          */
  68 /****************************************************************************/
  69 balloon::balloon()
  70 {
  71     dt = 0.1;
  72     ground_level = 3400.0;
  73
  74     sgSetVec3(gravity_vector, 0.0, 0.0, -9.81);
  75     sgSetVec3(velocity, 0.0, 0.0, 0.0);
  76     sgSetVec3(position, 0.0, 0.0, 0.0);
  77     sgSetVec3(hpr,      0.0, 0.0, 0.0);
  78
  79     /************************************************************************/
  80     /* My balloon  has a  radius of  8.8 metres  as that  gives a  envelope */
  81     /* volume of about 2854 m^3  which is  about 77000 ft^3,  a very common */
  82     /* size for hot air balloons                                            */
  83     /************************************************************************/
  84
  85     balloon_envelope_area = 4.0 * (8.8 * 8.8) * SGD_PI;
  86     balloon_envelope_volume = (4.0/3.0) * (8.8 * 8.8 * 8.8) * SGD_PI;
  87
  88     wind_facing_area_of_balloon = SGD_PI * (8.8 * 8.8);
  89     wind_facing_area_of_basket = 2.0;   //guessed: 2 m^2
  90
  91     cw_envelope=0.45;                   //a sphere in this case
  92     cw_basket=0.8;
  93
  94     weight_of_total_fuel = 40.0;        //big guess
  95     weight_of_envelope = 200.0;         //big guess
  96     weight_of_basket = 40.0;            //big guess
  97     weight_of_cargo = 750.0;            //big guess
  98
  99     fuel_left=1.0;
 100     max_flow_of_fuel_per_second=10.0*1.0/3600.0; //assuming 10% of one hour of total burn time
 101     current_burner_strength = 0.0;      //the throttle
 102
 103     lambda = 0.15;                      //for plasic
 104     l_of_the_envelope = 1.0/1000.0;     //the thickness of the envelope (in m): 1mm
 105
 106     T = 273.16 + 130.6;                 //Temperature in the envelope => still at ground level
 107 }
 108
 109 void balloon::update()
 110 {
 111     /************************************************************************/
 112     /* I'm  simplifying  the  balloon by  reducing the  simulation  to  two */
 113     /* points:                                                              */
 114     /* the center of the basket (CB) and the center of the envelope (CE)    */
 115     /*                                                                      */
 116     /*                                 ce                                   */
 117     /*                                 I                                    */
 118     /*                                 I                                    */
 119     /*                                 cg (=center of gravity)              */
 120     /*                                 I                                    */
 121     /*                                 cb                                   */
 122     /*                                                                      */
 123     /* On each center  are forces acting:  gravity and  wind resitance.  CE */
 124     /* additionally got the lift  (=> I need to calculate the weight of the */
 125     /* air inside, too)                                                     */
 126     /*                                                                      */
 127     /* The weight of the air  in the envelope is  dependant of the tempera- */
 128     /* ture. This temperature is decreasing over the time that is dependant */
 129     /* of the insulation  of the envelope  material (lambda),  the gas used */
 130     /* (air) and the wind speed. For a plane surface it's for air:          */
 131     /*                                                                      */
 132     /*    alpha = 4.8 + 3.4*v   with v < 5.0 m/s                            */
 133     /*                                                                      */
 134     /* The value k that takes all of that into account is defined as:       */
 135     /*                                                                      */
 136     /*    1 / k = 1 / alpha1 + 1 / alpha2 + l / lambda                      */
 137     /*                                                                      */
 138     /* with 'l' beeing the 'length' i.e. thickness of the insulator, alpha1 */
 139     /* the air inside and alpha2 the air outside of the envelope.  So our k */
 140     /* is:                                                                  */
 141     /*                                                                      */
 142     /*    k = 1 / [1/4.8 + 1/(4.8+3.4v) + l/lambda]                         */
 143     /*                                                                      */
 144     /* The energy lost by this process is defined as:                       */
 145     /*                                                                      */
 146     /*    dQ = k * A * t * dT                                               */
 147     /*                                                                      */
 148     /* with Q being  the energy,  k that value  defined above,  A the total */
 149     /* area of the envelope,  t the time (in hours)  and dT the temperature */
 150     /* difference between the inside and the outside.                       */
 151     /* To get the temperature of the air in the inside I need the formula:  */
 152     /*                                                                      */
 153     /*    dQ = cAir * m * dT                                                */
 154     /*                                                                      */
 155     /* with cAir being the specific heat capacity(?)  of air (= 1.00 kcal / */
 156     /* kg * degree),  m the mass of the air and  dT the temperature change. */
 157     /* As the envelope is open I'm  assuming that the  same air pressure is */
 158     /* inside and  outside of  it  (practical there  should  be  a slightly */
 159     /* higher air pressure  in the inside or the envelope  would collapse). */
 160     /* So it's easy to calculate the density of the air inside:             */
 161     /*                                                                      */
 162     /*    rho = p / R * T                                                   */
 163     /*                                                                      */
 164     /* with p being  the pressure,  R the gas constant(?)  which is for air */
 165     /* 287.14 N * m / kg * K and T the absolute temperature.                */
 166     /*                                                                      */
 167     /* The value returned by this function is the displacement of the CB    */
 168     /************************************************************************/
 169
 170     /************************************************************************/
 171     /* NOTE:  This is the simplified version:  I'm assuming that  the whole */
 172     /* balloon consists only of the envelope.I will improove the simulation */
 173     /* later, but currently was my main concern to get it going...          */
 174     /************************************************************************/
 175
 176    // I realy don't think there is a solution for this without WeatherCM
 177    // but this is a hack, and it's working -- EMH
 178    double mAir = 1;
 179    float Q = 0;
 180
 181     // gain of energy by heating:
 182     if (fuel_left > 0.0)        //but only with some fuel left ;-)
 183     {
 184         float fuel_burning = current_burner_strength * max_flow_of_fuel_per_second * dt * weight_of_total_fuel; //in kg
 185
 186         //convert to cubemetres (I'm wrongly assuming 'normal' conditions; but that's correct for my special case)
 187         float cube_metres_burned = fuel_burning / 2.2;  //2.2 is the density for propane
 188
 189         fuel_left -= fuel_burning / weight_of_total_fuel;
 190
 191         // get energy through burning.
 192         Q += 22250.0 * cube_metres_burned;  //22250 for propan, 29500 would be butane and if you dare: 2580 would be hydrogen...
 193     }
 194
 195     // calculate the new temperature in the inside:
 196     T += Q / (1.00 * mAir);
 197
 198     //calculate the masses of the envelope and the basket
 199     float mEnvelope = mAir + weight_of_envelope;
 200     float mBasket   = weight_of_total_fuel*fuel_left + weight_of_basket + weight_of_cargo;
 201
 202     float mTotal = mEnvelope + mBasket;
 203
 204     //calulate the forces
 205     sgVec3 fTotal, fFriction, fLift;
 206
 207     sgScaleVec3(fTotal, gravity_vector, mTotal);
 208
 209     //sgAddVec3(fTotal, fLift);     //FIXME: uninitialized fLift
 210     //sgAddVec3(fTotal, fFriction); //FIXME: uninitialized fFriction
 211
 212     //claculate acceleration: a = F / m
 213     sgVec3 aTotal, vTotal, dTotal;
 214
 215     sgScaleVec3(aTotal, fTotal, 1.0 / mTotal);
 216
 217     //integrate the displacement: d = 0.5 * a * dt**2 + v * dt + d
 218     sgScaleVec3(vTotal, velocity, dt);
 219     sgScaleVec3(dTotal, aTotal, 0.5*dt*dt); sgAddVec3(dTotal, vTotal);
 220
 221     //integrate the velocity to 'velocity': v = a * dt + v
 222     sgScaleVec3(vTotal, aTotal, dt); sgAddVec3(velocity, vTotal);
 223
 224     /************************************************************************/
 225     /* VERY WRONG STUFF: it's just here to get some results to start with   */
 226     /************************************************************************/
 227
 228     // care for the ground
 229     if (position[2] < (ground_level+0.001) )
 230         position[2] = ground_level;
 231
 232     //return results
 233     sgAddVec3(position, dTotal);
 234
 235     //cout << "BallonSim: T: " << (T-273.16) << " alt: " << position[2] << " ground: " << ground_level << " throttle: " << current_burner_strength << "\n";
 236 }
 237
 238 void balloon::set_burner_strength(const float bs)
 239 {
 240     if ((bs>=0.0) && (bs<=1.0))
 241     current_burner_strength = bs;
 242 }
 243
 244 void balloon::getVelocity(sgVec3 v) const
 245 {
 246     sgCopyVec3(v, velocity);
 247 }
 248
 249 void balloon::setVelocity(const sgVec3 v)
 250 {
 251     sgCopyVec3(velocity, v);
 252 }
 253
 254 void balloon::getPosition(sgVec3 v) const
 255 {
 256     sgCopyVec3(v, position);
 257 }
 258
 259 void balloon::setPosition(const sgVec3 v)
 260 {
 261     sgCopyVec3(position, v);
 262 }
 263
 264 void balloon::getHPR(sgVec3 angles) const //the balloon isn't allways exactly vertical
 265 {
 266     sgCopyVec3(angles, hpr);
 267 }
 268
 269 void balloon::setHPR(const sgVec3 angles)  //the balloon isn't allways exactly vertical
 270 {
 271     sgCopyVec3(hpr, angles);
 272 }
 273
 274 void balloon::setGroundLevel(const float altitude)
 275 {
 276     ground_level = altitude;
 277 }
 278
 279 float balloon::getTemperature(void) const
 280 {
 281     return T;
 282 }
 283
 284 float balloon::getFuelLeft(void) const
 285 {
 286     return fuel_left;
 287 }
 288
 289 /*
 290 void main(void)
 291 {
 292     bool burner = true;
 293     balloon bal;
 294     bool exit = false;
 295     sgVec3 pos={0.0, 0.0, 0.0};
 296     char c;
 297     float acc_dt = 0.0;
 298     float alt;
 299
 300 bool hysteresis = false; // moving up
 301     for (;!exit;)
 302     {
 303         for (int i=0; i<100; i++)
 304         {
 305             bal.update(0.1); acc_dt += 0.1;
 306             bal.getPosition(pos);
 307             alt = pos[2];
 308
 309             if (alt > 3010)
 310             {
 311                 hysteresis = true;
 312                 burner = false;
 313             }
 314             if ((alt < 2990) && (hysteresis == true))
 315             {
 316                 hysteresis = false;
 317                 burner = true;
 318             }
 319             if ((bal.getTemperature()-273.16)>250.0)
 320                 burner = false; //emergency
 321         }
 322
 323         // toogle burner
 324         c = getch();
 325         if (c==' ')
 326             burner=!burner;
 327         //if (c=='s')
 328         //    show=!show;
 329
 330         //printf("Position: (%f/%f/%f), dP: (%f/%f/%f), burner: ", pos[0], pos[1], pos[2], dp[0], dp[1], dp[2]);
 331         printf("%f         \t%f         \t%f         \t%f\n", acc_dt/60.0, bal.getTemperature()-273.16, pos[2], bal.getFuelLeft());
 332         if (burner==true)
 333         {
 334             //printf("on\n");
 335             bal.set_burner_strength(1.0);
 336         }
 337         else
 338         {
 339             //printf("off\n");
 340             bal.set_burner_strength(0.0);
 341         }
 342
 343     }
 344 }
 345 */