מעבדת המחקר של הצי האמריקאי משתמשת בסימולציות ב- ®COMSOL Multiphysics לטובת מניעת קורוזיה

היא עולה מיליארדי דולרים בשנה, קורוזיה היא הבעיה של כולנו. מחקר יסודי של מדעי הקורוזיה במעבדת המחקר של הצי האמריקאי יאפשר למדענים לתכנן חומרים שמטרתם למנוע הופעת קורוזיה.

קורוזיה היא בעיה מולטיפיזיקלית מורכבת אשר נמצאת כרגע תחת חקירה של סידיק קידוואי, מהנדס מכונות, וחבריו לעבודה במעבדת המחקר של הצי האמריקאי בוושינגטון הבירה. “בטווח הארוך, הצלחת המחקר שלנו תוביל לקורלציות קורוזיה של מיקרו-מבנים שיאפשרו למתכנני חומרים לכלול או לבטל תכונות שונות בפיתוח של חומרים מונעי קורוזיה חדשים”, מסביר קידוואי. דוח מ- 2011 של האקדמיה הלאומית למדעים מטעם המועצה למחקר לאומי בארה”ב קובע כי “מחסור במידע בסיסי אודות קורוזיה משקף בצורה ישירה את עלויות הקורוזיה לחברה”. בהתבסס על המספרים שדווחו בדצמבר 2010, לא פחות מ- 600 מיליארד דולר, שהם 2-4 אחוז מהתל”ג של ארה”ב שולמו לטובת תיקון או מניעה של נזקי הקורוזיה. ענף התחבורה שכולל ים, אוויר ויבשה, מושפע במיוחד מקורוזיה כאשר עלויות תחזוקה לטובת שימור בטיחות הנוסעים ואריכות ימים של כלי תחבורה, הן גבוהות מאוד.

גרעינים קטנים עם השפעה גדולה
קורוזיית גימום מתרחשת במתכת כאשר תגובות אלקטרוכימיות והעברת מסה בתמיסות אלקטרוליטיות סמוכות, מסתיימות באובדן מקומי של חומרים. “הגומה ממשיכה לגדול ולבסוף החומר או הרכיב יקרסו תחת העומס”, אומר קידוואי, ומדגיש את ההשפעה שיכולה להיות לקורוזיה על החוזק או האמינות של חומר. קידוואי וחבריו לעבודה הגו גישה חדשנית מקיפה להבנה טובה יותר של קורוזיית גימום. “אנחנו ממדלים את הצמיחה של גומות קורוזיה במתכות באיזורים של מי-ים. המיקרו-מבנה של המתכת לא היווה את מוקד תשומת הלב במחקרים קודמים, וכתוצאה מכך האתגרים שנקשרים עם צמיחה בלתי שגרתית בשל מיקרו-מבנה לא נלקחו בחשבון. מטרתנו היא לבצע מודל מולטיפיזיקלי מצומד לחלוטין של צמיחת גומה תחת היישום של כוחות מכאניים על מנת לכמת את ההשפעה הכוללת על האחידות המבנית עם מיקרו-מבנה של חומר שנלקח בחשבון בתהליך.

סימולציה ב- ®COMSOL Multiphysics עוזרת לשפר מערכות לחידוש האווירה בספינות חלל מאוישות

מערכות תומכות חיים עבור ספינות חלל מאוישות חייבות לספק אוויר שניתן לנשום אותו ומים ראויים לשתייה לאסטרונאוטים. דרך הפרויקט של החייאה וחידוש האטמוספירה ופיקוח סביבתי, מהנדסים בנאסא מפתחים מכשירי בקרה אטמוספריים לטובת בטיחות הצוות על החללית.

האווירה בספינות חלל מאוישות חייבת להתחדש באופן קבוע במטרה להבטיח את בטיחות האסטרונאוטים ואת הצלחת משימת החלל. במשימות שנמשכות כמה חודשים המשמעות היא הפחתת הלחות באוויר באופן תמידי, אגירת לשימוש חוזר, ופליטת פחמן דו חמצני. רכיב אחד שקיים במערכת בקרת האטמוספירה על הסיפון הינו מתקן לחיסכון במים שג’ים נוקס, מהנדס חלל בנאסא, ממטב כחלק מהפרויקט של החייאה וחידוש אטמוספירה ופיקוח סביבתי.

הוא מוביל צוות במרכז מרשל לתעופה וחלל (האנטסוויל, אלבמה), שמטרתו להפוך את בניית המערכת לאפקטיבית בעלויות ויעילה ע”י הפחתת תצרוכת החשמל שלה ומיקסום החיסכון במים. מטרתם היא לחסוך בין 80 ל 90 אחוז מהמים באוויר. הם מקווים להציע למפתחי מערכות תעופה בנאסא גישה אינטגרטיבית לחידוש אווירה ולאיסוף מים, אשר תגדיל בצורה ניכרת את הזמן והדרך שמשימות חלל יכולות לקחת ולהגיע.

פירוק מים ופחמן דו חמצני דרך ספיחה יעילה

חידוש האווירה בתוך ספינת חלל מצריך פירוק מים, הסרת פחמן דו חמצני, והחזרת האוויר למים בטרם הוא מתגבש לצורה של נוזל. מערכת החיסכון במים שהצוות פיתח נקראת מטען סופג איזותרמי. היא מכילה שילדה עם ערוצים סגורים שנקראים מצעים דחוסים, שכל אחד מהם מונח עם טבלית ג’ל סיליקאלי על מנת לקדם את הצטברות המים או שחרורם. תהליך החיסכון במים מתרחש בחצי מעגלים בו זמניים, עם כמות מסוימת של אוויר שנכנס למצעים היבשים בזמן שחלק נשאר במצעים הרטובים.

במצע יבש, מים באוויר נספגים אקסותרמית לתוך הג’ל הסיליקאלי, מייבשים את הגז כדי לחסוך במים לפני שהאוויר מגיע למערכת הסרת הפחמן הדו חמצני. האוויר החופשי של הפחמן הדו חמצני זורם בחזרה למצע היבש. בינתיים, החום שנוצר מהספיחה במצע היבש מועבר למצע הרטוב דרך רשת אלומיניום, גורם למים להשתחרר מהג’ל הסיליקאלי ולחזור לאוויר. למעבר חום זה יש את הערך המוסף בהורדת הטמפרטורה במצע היבש, מה שמאפשר לספיחה להתבצע לזמן ארוך יותר. המים חוזרים לתוך התא והפחמן הדו חמצני משתחרר לחלל.

סימולציה של זרימת גז ומיטוב תנאי המצע
על ידי שימוש בתוכנת ®COMSOL Multiphysics, הצוות של נוקס מידל מטען סופג איזותרמי בעל ארבעה טורים בכדי לחשב את היעילות של המתקן. הגיאומטריה נוצרה בתוכנת Pro/ENGINEER® ויובאה בעזרת המודול LiveLink™ for Pro/ENGINEER®. “קומסול מאפשרת לנו לבצע את הסוג הזה של סימולציה מולטיפיזיקלית על גיאומטריות מסובכות”, נוקס מציין. “היינו צריכים לבנות סימולציה של אמצעי זרימה פורוזיבי במצעים ומעבר חום בכמה חומרים, גבולות לחץ כניסה, ולמצוא שיעורי ספיגה”. הם שמו לב כי מצעים יבשים מקבלים חום כשגז זורם כלפי מטה, בשל הספיחה האקסותרמית. באופן הפוך, המצעים הרטובים איבדו חום כשגז זורם כלפי מעלה.

חבר אחד בצוות, רוב קוקר, חישב את יעילות המטען ע”י שימוש במחקר פורץ דרך בו שואבים אוויר דרך מצע יבש. בהתחלה האוויר שעזב את המצע היה יבש לחלוטין. כל אדי המים הצטברו בג’ל הסיליקלי. כשיותר אוויר זרם פנימה, היה לו אותה לחות כמו האוויר שנכנס כיוון שטבליות הג’ל הסיליקאלי לא יכלו להחזיק עוד מים. צפייה בתהליך זה איפשרה לצוות לאסוף ערכי פרמטרים עבור מודל המטען הסופג האיזותרמי, והם השוו את פריצת הדרך עם תוצאות הניסוי. היכולות של ®COMSOL איפשרו להם לעקוב אחר ריכוז המים, שיעורי זרימה, ולחץ עם תנאי הגבול עבור זרימה פנימה והחוצה, ושינויי אוויר יבש ורטוב בכל חצי מעגל. בהתאם לתוצאות הסימולציה, המטען הסופג האיזותרמי הסיר 85 אחוז מהמים באוויר והחזיר אותם לאטמוספירה לטובת איסוף. המודל חזה בהצלחה את יעילת המטען.

הסיפור נלקח ממגזין 2014 ®COMSOL

חברת Vahanen הפינית משתמשת בסימולציה מולטיפיזיקלית ב- ®COMSOL Multiphysics בכדי למנוע נזקי קור למבנים

בתנאי אקלים קיצוניים, שינויי לחות וטמפרטורה עלולים לגרום נזק ליסודות מבנים. קבוצת Vahanen הפינית משתמשת בסימולציה מולטיפיזיקלית על מנת לצייד את צוותי הבניה בהערכות שעוזרות למנוע נזקי קור ולשמור על הבטיחות של מבנים.

על אף שלרוב לא שמים לב אליהן, מערכות חימום ובידוד תת-קרקעיות מונעות נזק קריטי ליסודות מבנה מבטון, ושומרות שלדיירים יהיה חם ובטוח. כיוון שבטון הוא חומר נקבובי, מים וחומרים מזהמים עלולים לחדור ליסודות. כאשר היסודות או האדמה שמתחת קופאות, זה יכול לגרום לנזק מבני כגון סדקים. חלק מהמבנים הישנים מוגנים מפני זה ע”י בידוד, בעוד אחרים מוגנים בעזרת צינורות חימום שעוברים מהבוילרים עד ליחידות החימום בתוך הבתים.

נזק מתמשך עלול להוביל לסכנות חמורות, כגון התמוטטות וקריסה של בניין. כדי להתמודד עם האתגרים של קור ולחות, קבוצת Vahanen מפינלנד, חברה המתמחה בשירותי בניין כמו הערכות איכות והמלצות בנייה, מנתחת את הפוטנציאל של נזקי קור בבניינים שעומדים לפני שיפוץ. עבודתם חיונית במיוחד במקרים בהם השיפוצים הכרחיים עקב נזקים קיימים, לדוגמא כאשר יש צורך בהחלפת מערכות חימום וצינורות.

מהי הדרך הטובה ביותר לבודד בניין?
פול סקי, מומחה בניין ב- Vahanen, משתמש ביכולות הסימולציה של ®COMSOL Multiphysics על מנת לבצע הערכת סיכונים – מטרתו להבין האם שיפוצים מסוימים ביסודות או במערכות חימום מצריכים הוספת בידוד חיצוני מפני קור. אם מוסיפים אותם שלא לצורך, הדבר עלול לבזבז משאבים יקרים של כסף, זמן ועבודה.
בפרוייקט אחד, מודל ®COMSOL של סקי הכיל את היסודות, שכבות של קרקע רכה ואדמה דחוסה, בידוד במספר סוגים, קירות בטון קלי משקל, וצינור ממערכת חימום שעובר מתחת לבניין ליד הקיר והיסודות. ראשית סקי סימלץ שינויי טמפרטורה בהתבסס על נתוני אקלים מקומי של הלסינקי, פינלנד. נתונים בטבלה ממשלתית של כפור מספקים שעות מעלות קיפאון כוללות, כמות שמייצגת את מספר הדרגות בהן ממוצע הטמפרטורה היומית הוא מתחת ל- 0 מעלות צלסיוס (לדוגמא עבור יום עם ממוצע טמפ’ של 5- צלסיוס, שעות מעלות הקיפאון הן 5 דרגות כפול 24 שעות ביממה = 120). סכום שנתי מסכם את שעות מעלות הקיפאון בכל יום במהלך שנה, בדרך כלל בסביבות 14,000 שעות מעלות קיפאון בהלסינקי.

מהנתונים הקיימים סקי הפיק כמות “קיפאון קריטית” לשימוש בחורפים קרים יותר מהנורמלי, בממוצע, כל חמישים שנה (בערך 40,000 שעות מעלות קיפאון). בהתחשב בחוזק ובאריכות הימים של מבנים, כל שיפוץ חייב להתמודד לא רק עם אקלים חורפי טיפוסי, אלא גם עם תנאים נדירים אך הקשים יותר. “צוותי תכנון ובנייה פנו ל- Vahanen על מנת לוודא כי תוכניות השיפוץ שלהם בטוחות, יחזיקו לאורך זמן, ועושות את השימוש היעיל ביותר בחומרים ומשאבים”, מסביר סקי, “ופנינו ל- ®COMSOL עבור המידע הזה”.
בדוגמא זו הוא היה צריך לקבוע האם שיפוצים שכוללים הסרה מוחלטת של צינורות חימום פגומים יסכנו את הבניין. האם הבידוד הקיים מספיק? בכדי לענות על השאלה הזו, הוא מידל מעבר חום בצינור, בבידוד וביסודות. “כלים ב- ®COMSOL Multiphysics קלים מאוד לשימוש בסוגים כאלה של מודלים מורכבים. האפשרויות הבלתי מוגבלות ש- ®COMSOL מציעה עבור תנאי שפה וגבול היוו עבורנו יתרון עצום”, מתאר פול סקי.

הסיפור נלקח ממגזין 2014 ®COMSOL

ניתוח תנודות של מערכת סונאר בסיוע תוכנת ®COMSOL Multiphysics

חרטום בולבוסי, הפקעת הבולטת שיושבת מתחת לקו המים בחזיתו של כלי שיט, הפך לאמצעי סטנדרטי באוניות גדולות. הוא מפחית בצורה משמעותית את התנגדות הגלים בהפלגה למרחקים ארוכים ובמהירות קרובה למקסימום היכולת, דבר המאפשר יציבות גבוהה יותר וניצול דלק יעיל. בשנים האחרונות מנסים לנצל את החרטום הבולבוסי לטובת איחסון סוגים שונים של מערכות סונאר, אך עולות שאלות לגבי היקפיהם של תנודות המבנה, אשר מפריעים לתפקוד מערך המתמר בתוך מערכת סונאר.
תנודת הלחץ שנגרמת משכבת הגבול הטורבולנטית, (שכבת נוזל דקה בה ישנם שיעורים גבוהים יותר של שיפוע המהירות ושל מאמץ הגזירה ביחס למקרה הלמינארי), נחשבת לאחד הגורמים המרכזיים לרעש עצמי של חיישנים על גבי כלי תחבורה או בתוכו. צוות של חברת INSEAN האיטלקית יצאו לחקור את המקרה.
רוב המחקרים הקיימים משתמשים בצורות פשוטות ובתנאים אידיאליים של זרימה, בלי לקחת בחשבון את תנועת המים החופשית בזרמים מורכבים. לכן מטרתם הראשונה הייתה להבין את הספקטרום הרחב של התדרים שחוזרים מתנודות הלחץ על דפנות האוניה, שנגרמים משכבת הגבול הטורבולנטית בחרטום הבולבוסי.

החברה בנתה מודל רחב היקף של חרטום בולבוסי כדי לבצע ניסויים ולאפיין תנודות לחץ על הדפנות. הדבר היה טריקי בשל כל מיני סיבות פיזיקליות שקשורות לצורת המבנה של האוניה, וכן כיוון שהיא הייתה חייבת לתפוס את רכיב התדר הגבוה יותר ע”י שימוש במתמרי לחץ מיניאטוריים. החוקרים החליפו חלק מהחרטום הבולבוסי בחומר ליניארי אלסטי, וקיבלו את התגובה המבנית שלו. בשלב זה פנו החוקרים לבניית סימולציה כדי לשכפל את תוצאות המחקרים האמיתיים.
לאחר שסיימו את השלב הזה, עברו לבניית מודל במימדים נרחבים, ולשם כך השתמשו בתוכנת ®COMSOL Multiphysics, אשר תיקח בחשבון את סיבוכיות החומר המורכב שנעשה בו שימוש בחרטום הבולבוסי. התוצאות המדויקות איפשרו לצוות לשנות את קנה המידה של תנודות הלחץ על הדפנות, ולהשיג מידע רחב היקף בעלות חישובית נמוכה. במידע זה נעשה שימוש כתשומות לתוכנת ®COMSOL Multiphysics , והוא הוכנס כמטען לחץ במודל הנומרי.

” LiveLink™ for Pro/ENGINEER® איפשר לנו לייבא מידע CAD עבור חלקים שונים של החרטום הבולבוסי לתוך תוכנת ®COMSOL Multiphysics. כיוון שמידע זה לא פותח לניתוח אלמנטים סופיים, היינו חייב לשפר את האיכות במספר מקומות, בייחוד עם התחשבות בעוביים שונים של דפנות החרטום. אנחנו ממש מעריכים את הגמישות בביצוע שינויים קטנים כאלה ישירות דרך ®COMSOL Multiphysics. סיבה נוספת בגללה אנחנו אוהבים את התוכנה הינה היכולת לנתח כל מספר של פיזיקות בחבילה אחת מאוחדת. במטרה לחזות את הרעש והתנודות שנגרמות ע”י זרימת המים בפגיעתו בדפנות החרטום, בחנו במהירויות שונות תוך שימוש במרחבי המבנה, הזרימה והאקוסטיקה. דבר זה היה חשוב מאוד כיוון שזה העניק לנו את ההזדמנות להכניס את המשוואות שלנו בצורה ישירה”.
הצוות לאחר מכן השתמש במודול LiveLink™ for MATLAB® של ®COMSOL Multiphysics על מנת להעביר את הצופן תוצרת בית שלהם אל MATLAB®.

סימולציות מולטיפיזיקליות עם ®COMSOL Multiphysics עוזרות לאתר תנועות זורמים תת קרקעיים

תפקידם של גיאופיזיקאים לאפיין תצורות גיאולוגיות ואירועים המתרחשים מתחת לאדמה, ע”י הבחנה וניתוח של גלים אקוסטיים שמגיעים אל פני כדור הארץ בפעילויות שקשורות לרעידות אדמה. על אף העובדה שהגלים האקוסטיים מסוגלים לנוע למרחקים ארוכים, אין עבורם מידע רב בנוגע למאפייני התצורה שלהם. אי אפשר לעשות בהם שימוש כדי לזהות באופן ישיר ולאתר את הנוזלים שזורמים דרכם, המכונים מי נקבובים.
מחקר חדשני בבית הספר למכרות של קולורדו מציע כי הפרעות אלקטרומגנטיות אשר מתרחשות כתוצאה מאירועים ססמיים, עשויות לספק את המידע החסר. גלים אלקטרומגנטיים לא נעים למרחקים ארוכים כמו גלים אקוסטיים, אך מודלים תיאורטיים וניסויי מעבדה המבוצעים בעזרת סימולציות מולטיפיזיקליות נומריות מראים כי גלים אלה יכולים לזהות ולאתר מי נקבובים. גילוי זה יוצר הסתכלות רחבה יותר על העולם התת קרקעי ביחס למה שידענו עד היום.
יכולת ססמואלקטרית זו מאפשרת פיקוח טוב יותר של רעידות אדמה קלות כתוצאה מפגמים טקטונים והרי געש פעילים. יכולת זו מובילה בנוסף לכלים טובים יותר של פיתוח בטיחותי של משאבי אנרגיה לא קונבנציונאליים דרך שבירה הידורלית, ולתהליכים יעילים יותר של איתור נפט במאגרי נפט ישנים.

הפרעות אלקטרומגנטיות מתחת לאדמה נובעות מהמחסור במטענים חשמליים על פני השטח של מינרלים. מחסור זה מפוצה ע”י מטען עודף שקיים במי הנקבובים. זרימת מי הנקבובים בעלי המטען העודף אחראית על צפיפות של זרם חשמלי ברמה של כמה מיליאמפרים לכל מטר רבוע. כיוון שהזרם משתנה בהתאם לסוגי התצורות של המים הזורמים, התקווה היא כי ניתן להסיק מסקנות מועילות בהתבסס על אותות חשמליים אלו, שניתן לאתר ע”י רשת אלקטרודות שממוקמות על פני השטח או בתוך חורי קידוח באדמה.

אחד החוקרים מספר: “מצאנו כי שבירה הידרולית משחררת הן אנרגיה ססמית והן אלקטרומגנטית, כך שפיתחנו תיאוריות לגבי כיצד עשויות להיראות הפעילויות האלקטריות שמקושרות לאירועים אלה. כדי לעשות זאת, השתמשנו בתוכנת ®COMSOL Multiphysics בכדי לבצע סימולציה של אירועי שבירה הידרולית וכדי לייצר ססמוגרמים ואלקטרוגרמים מלאכותיים. צימדנו את ®MATLAB ו COMSOL® כדי לבצע חזרות רבות של מודלים מלפנים ומאחור, תודות ל LiveLink™ for MATLAB®”.

“תוכנת ®COMSOL חסכה לנו זמן רב כיוון שכל הפיזיקות שהיו רצויות לנו כגון משוואות הידרומכאניות, מוגדרות בצורה טובה מאוד בתוכנה ולא נדרשנו לבזבז זמן על חישובים”. לאחר קבלת תוצאות הסימולציות, השלב הבא היה לבדוק כיצד התוצאות מתיישבות עם המציאות. הצוות יצר ניסוי מעבדה בו הוא שוב ושוב ביצע שבר של קוביית מלט נקבובית ע”י שאיבת מי מלח בלחץ אל תוך הקוביה. המטרה הייתה לראות האם אותות אלקטריים יכולים להיקלט בצורה פאסיבית ואז במהופך, על מנת להצביע במדויק על צורות השונות של דליפות הנוזל האמיתיות על פני הזמן. התוצאות שהתקבלו בניסויים היו תואמות אחד לאחד את התוצאות שהתקבלו בתוכנת ®COMSOL Multiphysics, מה שעשוי להוביל לפריצות דרך חדשות.

הסיפור נלקח ממגזין 2013 ®COMSOL