מבצעים אופטימיזציה לצורתן של חזיתות מורכבות של מבנים בעזרת ®COMSOL Multiphysics

ע”י שימוש בסימולציה מולטיפיזיקלית בכדי להבין את האינטראקציה בין משתנים סביבתיים, גיאומטריים ומבניים, מהנדסים ב Newtecnic מבטיחים כי חזיתות חדשניות של בניינים הן גם מרשימות וגם ניתנות לבנייה.

דינאמיים, טקסטוראליים וסימבוליים; בין אם הם מאתגרים באופן שאפתני את כוח המשיכה או צומחים בצורה אורגאנית מהנוף, מבנים אייקוניים כוללים לעיתים קרובות חזיתות מורכבות. מתוכננים לא רק לטובת הגנה, הם גם מסדירים משתנים כמו נוחות תרמית וחזותית. כמומחית בתחום הזה, Newtecnic מתכננת ומנתחת מערכות חזית לשימוש בפרויקטים ציבוריים בפרופיל גבוה ועובדת בצמוד עם זאהה חדיד אדריכלים, פירמה המזוהה עם צורות אדריכליות נועזות וגמישות.
מייסדי Newtecnic והמנהלים הנוכחיים, אנדרו ויסמין ווטס, ידועים בשל עבודתם על פרויקטים חשובים כולל ה- Federation Square האייקוני במלבורן, אוסטרליה, ויותר עכשווי, מרכז התרבות ע”ש היידר אלייב בבאקו, אזרבייג’ן

הנורמה של Newtecnic היא לבצע כל פרויקט על פי דרישותיו של הלקוח, וכל פרויקט מצריך חשיבה הרבה מעבר לתכנון קונספטואלי בלבד. אדריכלים מספקים את הזווית האומנותית ולעיתים גם תרשימים של תכנון המבנה. לאחר מכן המהנדסים של Newtecnic בונים את החזית בשכבות, תוך וידוא כי העיצוב שומר על היצירתיות שלו ובנוסף מבטיח את אחדות המבנה.

“הלקוחות שלנו מחפשים פתרונות תכנון יישומיים וכלכליים, אשר עונים על מטרות הביצוע הדרושות, עומדים בפני תופעות סביבתיות, וקלים לתחזוקה”, אומר כרמלו גלנטה, מנהל מחלקת המו”פ ב- Newtecnic. “היבט עיקרי בעבודה שלנו הינו תיאור ההתנהגות הפיזיקלית של מערכות החזית שאנחנו מתכננים”.

ממחקרים סולאריים המאפשרים אופטימיזציה של תכנון ההצללה במטרה להפחית את נטל הקירור ולמקסם את הנוחות החזותית, עד לדרך בה סוגרים קבועים לשכבות מגן של rainscreen משפיעים על בטיחות הבידוד, ישנם אתגרים רבים שיכולים להיפתר בעזרת סימולציה.

מעבר לתכנון קונספטואלי – בזכותה של סימולציה

תוכנת ®COMSOL Multiphysics הפכה לכלי מפתח עבור Newtecnic. גלנטה מסביר: “אנחנו למעשה יכולים לעשות הכל במסגרת של תוכנות סימולציות אחת. אני משתמש ב- ®COMSOL כדי לחקור את אפקט הגישור התלת מימדי – הדרך בה חומרים מוליכים מאוד חודרים את הבידוד – על כל ההתייעלות האנרגטית של המבנה, מעריך את הטמפ’ המקס’ של הרכיבים, ובוחר את המוצר או החומר המתאימים ביותר. אני יכול להעריך את לחצי שכבת המגן על המבנה עבור שלבי תכנון סכמתיים, ולחקור חזיתות מורכבות יותר בהן אוורורים מכאניים וטבעיים פועלים בו זמנית. אני גם יכול להעריך כיצד תצורות תכנון שונות ישפיעו על הביצוע ההיגרותרמי של מערכת החזית”.

ע”י שימוש בפונקציית ייבוא CAD הזמינה בתוכנת ®COMSOL, גלנטה פעמים רבות מייבא גיאומטריות מורכבות, לרוב מתוכנות Autodesk AutoCAD ו- Rhinoceros. השימוש בתוכנת Autodesk Revit גם גובר ב- Newtecnic, והוא מחשיב את המודול LiveLink for Revit החדש, תוסף של ®COMSOL המאפשר למשתמשים לממשק את הסימולציות שלהם עם סביבת העבודה של Revit, כנכס עתידי רב עוצמה. גלנטה משלב בנוסף את השימוש ב- ®COMSOL עם כלי תכנון פרמטריים כגון שפת התכנות Grasshopper, שמשתמשים בה לבנייה וניתוח של גיאומטריות מורכבות במונחים של אלגוריתמים גנרטיביים.
פרויקט נוכחי אחד ב- Newtecnic כולל תכנון של מערכת חזית של בניין פרטי בפרופיל גבוה הכולל סדרה של קונכיות בטון עם תמיכה עצמית באורך שנע בין 10 ל- 80 מטר וגובה שיכול להגיע ל- 30 מטר. קונכיות הבטון מכוסות במערכת חזית rainscreen העשויה מלוחות קרמיים מעוקלים כפליים במטרה לשכפל במדויק את גיאומטריית המבנה. כל לוח נתמך בפינותיו ע”י סוגרים קבועים מותאמים העשויים מפלדת אל-חלד. סוגרים אלו מחוברים למבנה הבטון בארבע משענות. כאשר הסוגרים חודרים את שכבת הבידוד ויש להם מוליכות תרמית הרבה יותר גבוהה מאשר למבנה הבטון, הם יוצרים גשרים תרמיים דרך מעטפת החזית, דבר המפחית בצורה משמעותית את הביצוע התרמי שלהם.

ע”י ביצוע פשוט של מחקר דו-מימדי ב- ®COMSOL, גלנטה בחן כיצד אפקט הגשר התרמי שנוצר ע”י הסוגרים השפיע על התפלגות הטמפ’ בחזית. תוצאות הסימולציה הוכנסו לסקריפט של תוכנת Grasshopper בכדי להעריך שלושה תחומי עניין: אלו שהושפעו ע”י סוגר אחד, אלו שהושפעו ע”י שני סוגרים או יותר, ואלו שלא הושפעו כלל. גלנטה אחרי כן יכול היה להכין גיאומטריה מדויקת עבור המערכת, כולל כל רכיבי הבנייה. “זהו יתרון גדול מאוד להיות מסוגל לשלב שני כלים. Grasshopper מאפשרת לי לחקור את הגיאומטריה בקנה מידה גדול מאוד – זה של כל המבנה – ואז אני חוזר ל- ®COMSOL עם הידע הזה ויוצר מודל תלת מימד מפורט מאוד בכדי לתפוס את הפיזיקה האמיתית של המערכת”.

ע”י שימוש בגישה זו, גלנטה היה מסוגל לבצע אנליזה ב- 3D כדי לחקור את אפקט הגשר התרמי בסוגר ובמבנה המקיף, ולחשב את מקדם מעבר החום הגלובאלי של החזית. “השימוש בסימולציה מולטיפיזיקלית איפשר לי לפתח הבנה טובה יותר של המצב האמיתי. אני יכול לשלב זרימה עם מעבר חום דרך הולכה, הסעה וקרינה, כלומר אני יכול להעריך ביסודיות את התגובות ההדדיות של תופעות פיזיקליות שונות ולדעת את ביצועיהם של מבנים וחומרים שונים”.

הסיפור נלקח ממגזין 2015 ®COMSOL

הופכים את הדלק האורגני למקור אנרגיה מתחדש ומשתלם כלכלית בעזרת ®COMSOL Multiphysics

חוקרים במעבדה הלאומית לאנרגיה מתחדשת (NREL – National Renewable Energy Laboratory) משתמשים בסימולציה מולטיפיזיקלית כדי להבין טוב יותר ולבצע אופטימיזציה לתהליך ההמרה של דלקים אורגניים המופקים מצמחים.

דלקים אורגניים יכולים פוטנציאלית להחליף דלקי מאובנים ביישומים רבים, ולהציע מקור אנרגיה חלופי לחימום בתים, יצירת חשמל, והנעת תעשיית התחבורה. ישנם יתרונות רבים ביצירת דלק אורגני מחומרים המבוססים צמחים, מה שמכונה בד”כ ביומסה. דלקים אלה ניתנים להתחדשות, בעלי בעירה נקייה, ומנוטרלי-פחמן, מייצרים לא יותר דו תחמוצת הפחמן ממה שמופרד ע”י מקור הצמח המקורי שלהם. ובכל זאת, הזמינות של דלק אורגני היא עדיין די מוגבלת בשימוש הנפוץ יותר שלה – בכלי רכב. נכון לשנת 2014, מנהל המידע של מחלקת האנרגיה של ארצות הברית מדווח כי רק 2% מתחנות הדלק הקמעונאיות מציעות את הדלק המבוסס אתנול E85.

תהליך הייצור עצמו מציב מחסום כלכלי חשוב לשימוש הנרחב בדלקים אורגניים. מחקר ב- NREL, הנתמך ע”י קונסורטיום הפירוליזה החישובית (Computational Pyrolysis Consortium), מוכוון להשגת הבנה טובה יותר של התהליכים הפיזיקליים שמאחורי ההמרה לדלק אורגני ע”י פיתוח מודלים חישוביים המכילים את הייצוג המדויק ביותר עד עתה של גיאומטריית חלקיקי ביומסה. מודל כזה יכול לשמש אח”כ לטובת שיפור פיתוח ואופרציה של ראקטור כפי שנדרש בייצור ההמוני של דלק אורגני. מחקר זה עשוי להפוך את השימוש בדלק אורגני למשתלם כלכלית ולתחרותי כנגד הדלקים הלא מתחדשים המסורתיים, חלקם יעלמו מן העולם בעשורים הקרובים.

ייצור דלק מצמחים
תהליכים תרמו-מכאניים כגון פירוליזה, אשר מוצגת באיור 1, משתמשת בחשיפה לטמפ’ גבוהות בכדי לפרק ולהמיר חלקיקי ביומסה לדלקים אורגניים נוזליים שתומכים בפעילויות יומיומיות רבות. שיפור של פירוליזה מהירה, דרך ההמרה התרמו-מכאנית הטרום מסחרית המשמשת לרוב בביומסה עצית, היא אחת ממטרות המחקר ב- NREL.
פיטר סיאסיילסקי, מדען מחקר ב- NREL, והקולגות שלו משתמשים בסימולציה מולטיפיזיקלית כדי לקבל תובנות על התהליכים היסודיים שמאחורי המרת ביומסה דרך פירוליזה, בתור התחלה ע”י חקירת מעבר חום ומסה. מעבר יעיל של חום ומסה דרך חלקיקי ביומסה ממזער היווצרות של פחם ומאיץ תגובות עדיפות ע”י הקלת החדירה של זרזי המרה והבריחה של מוצרים רצויים. המחקר של סיאסיילסקי לוקח בחשבון את ההשפעה של גודל, צורה ומיקרו-מבנה פנימי של חלקיקי ביומסה, אשר נקבעים ע”י זני העץ וע”י תהליך הטחינה שקודם לפירוליזה.

מודל מדויק של ביומסה
מחקרים חישוביים שעוצבו להבין ולטייב את תהליך ההמרה לדלק אורגני תמיד השתמשו בגיאומטריית חלקיקי ביומסה פשוטה שהתעלמה מהמבנה המיקרו הפנימי. המחקר של סיאסיילסקי מכוון להשגת תובנות במעבר החום והמסה בביומסה ע”י פיתוח מודל בתוכנת COMSOL Multiphysics® שלוקח בחשבון את המבנה המיקרו הפנימי. “כיוון שב- COMSOL® כבר מוטמעים כלי הגיאומטריה, הפיזיקה, הרישות והפותרן, באפשרותנו להשקיע זמן רב יותר בהפיכת גיאומטריית מודל הביומסה לממש מדויקת” מסביר סיאסיילסקי. במטרה ליצור מודלים תלת מימדיים של ביומסה לשימוש בסימולציות COMSOL®, נעשה שימוש במיזוג של שיטות הדמיה כדי לאפיין את המורפולוגיה החיצונית והתפלגות הגודל וכן את מבנה המיקרו הפנימי של כל סוג של ביומסה. דוגמאות להדמיות שהושגו עבור המחקר מוצגות באיור 2.
נוצרה גיאומטריה מוצקה ע”י שימוש במימדים הפנימיים והחיצוניים של חלקיקי הביומסה, שנקבעו מהתמונות, כתשומה לסדרה של אופרציות גיאומטריות בוליאניות ב- COMSOL®. הגיאומטריה השלמה מכילה שני אזורים, כפי שנראה באיור 3.

סימלוץ פירוליזה: מעבר חום ומסה
פירוק ביומסה דרך פירוליזה מהירה מתחיל ביישום של טמפרטורות גבוהות (כ- 500 מעלות צלסיוס) לכלי ריאקציה נטול חמצן למשך מספר שניות. ביישום התנאים הללו, ממשק מעבר החום המאוחד ב- COMSOL שימש לסימלוץ מעבר החום בין אזור הנוזל החיצוני שנראה באיור 3a, המכיל גז חנקן, ובין חלקיקי הביומסה. מעבר חום באזור הנוזלי בולט בשל תהליך הסעת חום, בעוד שבממשק ומבעד לחלקיק הביומסה, מעבר חום הוא ע”י הולכה בלבד.
הסימולציות בוצעו באשכולות מחשבים עם ביצועי-על ע”י שימוש באחד או שני צמתי חישוב שכל אחד מכיל 24 מעבדי Intel® Xeon® Ivy Bridge עם זיכרון RAM של 64 GB. התוצאות באיור 3b מראות את התפלגות הטמפ’ בחלקיק ביומסה של חומר גלם העשוי עץ חצי שניה בתוך סימולציה ארעית של מעבר חום מאוחד. עבור גודל, צורה ומיקרו-מבנה נתונים של חלקיק, אפשרי לקבוע את כמות הזמן הנדרשת לכל החלקיק, בייחוד המרכז, כדי להשיג את הטמפרטורות האופטימליות לפירוק.

בסימולציה אחרת, נחקרה הדיפוזיה של חומצה גופריתית, כימיקל המשמש לטיפול מוקדם של ביומסה לפני ההמרה שלו לדלק אורגני. ממשק Transport of Diluted Species שימש לסימולציות ארעיות של מעבר מסה בגיאומטריות החלקיק המוצקות והמיקרו-מבנה, כאשר הנוזל הסביבתי במקרה הזה היה מים. תוצאות מחקרי מעבר החום והמסה, קובעות כי מודל מוצק, בייחוד כדורי, עשוי שלא לספק דיוק מספק כדי להעריך ולטייב תהליכי המרת דלק אורגני ושהשימוש במודל מיקרו-מבנה הוא מוצדק.