"זרימה בתעלות ננו-מטריות" – עבודת מחקר מאת יואב גרין

Error: Contact form not found.

"זרימה בתעלות ננו-מטריות" – עבודת מחקר מאת יואב גרין, דוקטורנט בהנדסת מכונות בטכניון, בהנחיית פרופ. גלעד יוסיפון – שימוש ב- ®COMSOL Multiphysics בכל שלבי המחקר

יואב גרין מספר למה בחר בתוכנת ®COMSOL Multiphysics כזו שתסייע לו בהכנת עבודת המחקר בדוקטורט:

"אני נמצא כעת בשנה האחרונה לדוקטורט שלי. העבודה שלי התחלקה לניסויים ותיאוריה כאשר לכל פרויקט שעשיתי הוספתי אספקט נומרי כדי לוודא את נכונות התוצאות".

"העובדה שהשתמשתי ב- ®COMSOL עזרה לי לא פעם לפתח תובנות איך מערכות אמיתיות עובדות – כלומר מערכת לא מדומה שאנו משתמשים בתיאוריה לאחר הנחת מספר לא מבוטל של הנחות. באמצעות הסימולציות שיצרתי ב- ®COMSOL יכולתי גם כן להבין את ההשפעה של מספר פרמטרים חשובים במערכת".

"אפילו פעמיים התוכנה גרמה לי להבין שהייתה אצלי טעות בתפיסה לגבי מה שחשבתי שזה צריך להיות לעומת מה שבסוף היה נכון. לאחר שינוי פרדיגמה חשיבתית יכולתי ליישב תיאוריות מסוימיות לחישובים המדויקים ש- ®COMSOL עשתה עבורי".

רקע ומניע למחקר:
התחום של ננו-זרימה הינו חקר של מכניקת זורמים במערכות תת-מיקרוניות. לדוגמא, בשנים האחרונות הראו כי מערכות ננו-זרימה יעילות בניטור ביו-מולקולארי של חלקיק בודד של DNA החודר אל ננו-חריר. עוד יישומים אפשריים בהם ניתן להשתמש במערכות ננו-זרימה הינם מעגלים ורכיבים חשמליים מבוססי זרימה (כגון דיודות וקבלים), וכן בטריות. כל אותו זמן, התכונה הבולטת ביותר של ננו-תעלה הינו התכונה הפרמסלקטיבות – היכולת לסנן יונים לפי המטען חשמלי. תכונה זו משותפת לממברנות המשמשות לדיאליזה והתפלת מים.
במשך עשורים רבים רווחה ההנחה כי תופעות הסעה (דהיינו אפקטי זרימה) המתרחשות בתוך הממברנה עצמה ועל פני השטח שלה, הינן זניחות. מאמצים תיאורטיים שנעשו לאחרונה, שאושרו בניסויים, הראו כי הנחה זו אינה תמיד נכונה. הובן כי ההשערה הנ"ל תלויה רבות במתח החשמלי המופעל בתוך המערכת. במתחים גבוהים מתרחשות מספר תופעות הסעה שונות המונעות מחשמל אשר משנות את התנהגות המערכת. מנגנונים אלו תלויים מאוד בתופעות הגיאומטריות בתוך המערכת.
מטרות המחקר
העבודה שלנו מתרכזת בלהבין טוב יותר את התופעות ההידרודינמיות המתרחשות בממברנה ובמערכות של ננו-תעלות. השאלות עליהן אנחנו רוצים לענות הינן: כיצד הזרם החשמלי משתנה עם הופעתן של מערבולות הידרודינמיות? מתי המערבולות מופיעות? מהו טבען? בעוד שהגיאומטריה של ממברנות ננו-חריריות היא די מורכבת ומכילה תעלות רבות, עיצבנו מבנה ניסויי פשוט – מערך של ננו-תעלות בודדות בהן הגיאומטריה מוגדרת היטב.
חקרנו את התלות של התופעות בגיאומטריות של המערכת בשני משטרים שונים של מתחים פעילים: נמוך וגבוה, אשר מתאימים לתופעות הסעה זניחה ולא זניחה, בהתאמה. יחסי הגומלין בין תופעות ההסעה המתחרות יילמדו מתוך כוונה למצוא את המודל האופטימאלי עבור היישומים שהוזכרו קודם, כאשר כל יישום מצריך אופטימיזציות גיאומטריות שונות. המחקר שלנו הינו תיאורטי וניסויי. התיאוריות מאפשרות לנו לתכנן מערכות ניסוי טובות וחכמות יותר. למרות זאת, כפי שעוד מעט נראה, בשל חוסר הליניאריות של המערכת, אנחנו חייבים לבצע מספר הנחות על מנת להגיע למסקנות תיאורטיות. אנו משתמשים ב- ®COMSOL Multiphysics כדי לתת תוקף לכל המודלים וההשערות שלנו.

המודל הפיזיקלי:
הפיזיקות ששולטות במעבר יונים במצב קבוע דרך תווך פרמסלקטיבי הינן משוואות נרנסט-פלאנק-פואסון-סטוקס (במצב של חוסר מימד).

משוואות (1) ו (2) הן משוואת נרנסט-פלאנק עבור רצף השטפים היוניים במצב מתמיד. משוואה (3) היא משוואת פואסון עבור הפוטנציאל החשמלי. משוואות (4) ו- (5) הן משוואות סטוקס עבור זרימה בלתי דחיסה בגבול של ריינולדס הנמוך. משוואה (5) מכילה איבר של כוח גוף החשמלי. הפרמטרים Pe ו- d הם פרמטרים קטנים אשר תחת תנאים מסוימים מאפשרים הפרדה של המשוואות ההידרודינמיות למשוואת האלקטרוקינטיות.

המודל הנומרי:
על מנת למצוא את הפתרונות למשוואות (1) – (5), נעשה שימוש בממשקים הבאים בתוכנת ®COMSOL Multiphysics: מעבר של ריכוזים נמוכים (Transport of Diluted Species), זרימה זוחלת (Creep Flow) ואלקטרוסטטיקה. נעשה שימוש באלמנטים משולשים לאורך הגיאומטריה בכדי להבטיח התכנסות בסביבה של הממשק הפרמסלקטיבי, רישות מובחר של אלמנטים אשר אורכם המקסימלי הוגבל ל- ~d / 30 (פרטים מלאים ניתן למצוא בעבודה [1]).
בעבודה הראשונה שלנו [1] פתרנו את סט המשוואות המצומד במלואו, אך בשל המורכבות היינו מוגבלים ל- d = 0.01 גדול למדי. בעבודות המאוחרות יותר ע"י הפרדת ההידרודינמיקה התמקדנו בפתירת משוואות (1) – (3) ועל כן יכולנו להקטין את d [3,2]. איור 1 מתאר את הגיאומטריה ואת תנאי הגבול [3] בהם השתמשנו בחלק התיאורטי שלנו, אשר אימתנו מאוחר יותר את תוקפו ב- ®COMSOL Multiphysics

איור 1: שרטוט גרפי המתאר את הגיאומטריה הדו-מימדית של מערכת תלת שכבתית המכילה תווך פרמסלקטיבי ישר המחבר שתי מיקרו-תעלות אסימטריות מנוגדות. כמו-כן תנאי השפה מוגדרים.

תוצאות
פרופיל הריכוז הדו-מימדי שיצא חושב (איור 2) והושווה לתחזיות תיאורטיות לאורך קו האמצע (איור 3) אשר מציג אישור להנחות היסוד.

איור 2: תרשים התפלגות הריכוז הדו-מימדי המציג פולריזציה של ריכוז, דהיינו חוסר והעשרה באזורים 1 ו- 3 בהתאמה.

איור 3: הפרופילים של (a) הריכוז ו- (b) הפוטנציאל החשמלי לאורך השטח התחתון. הבלעה בחלק (a) מראה את הריכוז של האזור הפרמסלקטיבי אשר גבוה באופן ניכר מהמאגר עם ריכוז קבוע במקרה האידיאלי (תיאוריה) ושיפוע ריכוזי קל בסימולציה הנומרית.

איור 4 מציג את המוליכות החשמלית (הזרם מחולק במתח החשמלי המופעל) של המערכת שמוצגת באיור 1. באפשרותנו להראות בפעם הראשונה שההולכה אינה מושפעת אך ורק מהאזור הפרמסלקטיבי (אזור 2 באיור 2 והקו הורוד) אלא גם הגיאומטריות של המיקרו-תעלה ושל הממשק חשובות במשטרים המשתנים של הריכוז c0 ≪ N (קו שחור) ו- c0 ≫ N(קו כחול) [3]. לאשש את התיאוריה שלנו בעזרת סימולציה היה מכריע כדי להוכיח כי התיאוריה שלנו אינה היפותטית אלא שההשערות המובילות שלנו פיזיקליות והפתרון נכון.

איור 4: השוואה בין מגוון מודלים אסימפטוטיים של המוליכות, לבין הסימולציה הנומרית המצומדת המלאה. סטייה ברורה מהרוויה של ההולכה בריכוזים נמוכים מתקבלת כאשר התנגדות המיקרו-תעלה אינה זניחה.

מסקנות
פתרון אנליטי לבעיה האלקטרודיפוזית, תחת הנחת אלקטרוניטרליות, התקבלה ע"י שימוש בטכניקת הפרדת המשתנים בשתי המיקרו-תעלות האסימטריות המנוגדות. הודגם כי עבור התנגדות מיקרו-תעלה שאינה זניחה, המוליכות לא מציגה את הרוויה הצפויה בריכוזים נמוכים, אלא דווקא מראה ירידה מתמדת. כל התוצאות מאוששות ברמה הנומרית ע"י תוכנת ®COMSOL Multiphysics. התוצאות אמורות לסייע להשוואה טובה יותר בין התיאוריה לניסויים, כאשר כעת ירידת המתח היא על פני מערכת תלת-מימדית תלת-שכבתית מציאותית.
אנחנו מקווים כי המידע וההבנה שהשגנו יתרמו לתכנון העתידי של חיישנים ביו-מולקולריים חכמים ויעילים יותר, כמו גם הקטנת גודלם של מתקני התפלת מים כדי שיוכלו להיות ניידים. הדבר עשוי לספק פתרונות פשוטים וזולים למדינות העולם השלישי אשר סובל ממחסור במים.

מקורות

1. Green, Y. & Yossifon, G. Dynamical trapping of colloids at the stagnation points of electro-osmotic vortices of the second kind. Phys. Rev. E 87, 033005 (2013).
2. Green, Y. & Yossifon, G. Effects of three-dimensional geometric field focusing on concentration polarization in a heterogeneous permselective system. Phys. Rev. E 89, 013024 (2014).
3. Green, Y., Shloush, S. & Yossifon, G. Effect of geometry on concentration polarization in realistic heterogeneous permselective systems. Phys. Rev. E 89, 043015 (2014).

הפרויקט של יואב גרין הגיע למקום הראשון בתחרות ®COMSOL Multiphysics השנתית.
יואב זוכה מאיתנו במצלמת GoPro!
הנה מספר תמונות מההענקה החגיגית:

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®.
הסיפור נלקח ממגזין 2013 ®COMSOL

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

מבצעים אופטימיזציה לתהליך היציקה המתמשכת בעזרת סימולציה של ®COMSOL Multiphysics

חברת הפלדה השוויצרית SMS Concast מינפה את גישת הסימולציה המולטיפיזיקלית במיטוב תהליך היציקה המתמשכת בייצור פלדה. בעזרת מחקר שבוצע ב- ®COMSOL Multiphysics, צוות המו"פ ב- SMS Concast יכול היה להטמיע טכניקה חדשה שאיפשרה למפעל לייצור פלדה בטייוואן להפחית את פליטת ה- CO2 השנתית ביותר מ- 40,000 טונות.

אודות יציקה מתמשכת
יציקה מתמשכת הינה הליך בו רצועת פלדה מתמשכת מיוצרת על פני רצף אחד של יציקה אשר בסופו של תהליך נחתך לחתיכות ומגולגל. שלא כמו התהליך של יציקת מטילים, אשר מחייב את היציקה לש מטיל בודד בכל פעם, יציקה מתמשכת מאפשרת את ההפחתה של ייצור פסולת מתכתית, היא יותר יעילה מבחינת אנרגיה ביחס ליציקת מטילים, ומייצרת מוצרים באיכות גבוהה מאוד.
במהלך יציקת מטילים, הראש של קורה חייב להתקצץ לאחר כל תהליך יציקה, מה שיוצר פסולת מתכת. בעת ייצור של רצועת מתכת מתמשכת ארוכה, לעומת זאת, הקיצוץ הכרחי רק בשלבים הראשוניים והאחרונים של רצף היציקה (במהלכם מיוצרים מאות מטילים). כך מצטמצמת כמות הפסולת.
בתהליך היציקה המתמשכת, פלדה מותכת נשפכת ממצקת אל קערה ממנה היא נשאבת דרך תבנית נחושת ע"י סדרה של גלגלים, כפי שרואים בתרשים הנ"ל. לאחר ההתמצקות, רצועות המתכת נחתכות לחתיכות באורך 3 עד 15 מטר ומונחות לקירור. ביציקה מתמשכת, ניתן ליצור את צורתה של הרצועה באופן קרוב למוצר הסופי, ביחס למה שמיוצר בתהליך של יציקת מטילים, עובדה שמפחיתה רבות את העלויות הכרוכות בתהליכים נוספים על הרצועות. בתמונה הבאה רצועות מתכת צרות וארוכות יוצאות ממכונת היציקה אל שולחן הפריקה, היכן שהרצועות נחתכות. מבצעים אופטימיזציה לתהליך היציקה המתמשכת בעזרת סימולציה
ניקולאס גרונדי, ראש מחלקת תהליך היציקה המתמשכת ומטלורגיה ב- SMS Concast, גילה כי סימולציה עשויה להיות כלי חיוני בהבנה ואופטימיזציה של תהליך היציקה המתמשכת. גרונדי מסביר כיצד השתמש ב- ®COMSOL Multiphysics במהלך המחקר שלו: "אנחנו כל הזמן בוחנים את הגבולות שלנו, והדרך היחידה להבין משהו שלא ביצענו מעולם היא ע"י סימולציה שלו".
במחקרו, גרונדי וצוותו השתמשו בסימולציה כדי לנתח כל שלב בתהליך. אחת המטרות העיקריות של מחקרם הייתה ללמוד יותר אודות תהליך ההתמצקות והדפורמציות המכניות שעשויות להתרחש הן בקירור מהיר והן בקירור איטי של חתיכות מתכת עבות. הצוות גילה כי ע"י צמצום ההפרדה של האלמנטים המסוגסגים במרכזה של הרצועה, סילוק של כל החומרים שאינם מתכתיים, ושיפור המיקרו-מבנה של הפלדה שהתמצקה, הם יכולים לשפר את איכותו של המוצר הסופי. הם השיגו את המטרות הללו ע"י הטמעה של תהליך ערבוב, במהלכו הפלדה המותכת מתערבלת ע"י שימוש בבוחשנים אלקטרומגנטיים, וע"י אופטימיזציית צורתה של הקערה אליה נשפכת הפלדה המותכת.
בתמונה הבאה, נוכל לראות את הסימולציה של ®COMSOL Multiphysics בה השתמש הצוות כדי להבטיח כי הפלדה הנוזלית הזורמת בקערה מתוכננת כהלכה, על מנת להשיג את הפלדה בעלת האיכות הגבוהה ביותר.
בנוסף לניתוח ההשפעה של שימוש בבוחשנים אלקטרומגנטיים, גרונדי סימלץ גם טעינה חמה. זהו טרנד חדש בייצור פלדה, בו רצועות פלדה נטענים לטחנה המסתובבת כשהם עדיין חמים, במקום להותיר אותם להתקרר ואז לחמם אותם מחדש בכבשן. ע"י שימוש במודל של ®COMSOL Multiphysics הצוות חקר את תהליך החלפת החום שמתרחש במהלך ההתמצקות הראשונה של הפלדה המותכת. הצוות השתמש בתוצאות כדי לתכנן תבנית חדשה המעצבת גושי מתכת צרים וארוכים עם פינות גדולות וארוכות שנשארות חמות אחרי היציקה, כאשר התוצאה היא התפלגות טמפרטורה שווה יותר בשטח הפנים של גושי המתכת. טכניקה זו יושמה ב- Tung Ho Steel בטייוואן, ואפשרה להם לזנוח לחלוטין את השימוש בכבשן.
ההפחתה השנתית בפליטת מזהמים ע"י החברה שווה לאגזוזים של 20,000 רכבים (40,000 טונות של פחמן דו חמצני!).

הסיפור נלקח ממגזין 2014 ®COMSOL

הצד המתוק של הסימולציה – מאחורי הקלעים של Nestle

חוקרים במרכז לטכנולוגיית המוצר ביורק, אנגליה, משתמשים בסימולציה בכדי להביא את ייצור השוקולד של Nestle לכדי שלמות.

ב- Nestle, המחקר, התכנון והייצור שמושקעים ביצירת חטיף שוקולד אחד מושלם, הוא תהליך מהפנט, לא לגמרי שונה מהעולם המופלא של מפעל השוקולד של ווילי וונקה. אומנם אי אפשר לראות בני אומפה-לומפה שעוסקים בייצור הממתק, אך מחשבה רבה וגם שימוש בסימולציה מושקעים בכדי להפוך את התהליך למושלם.
מהנדסים במרכז לטכנולוגיית המוצר של Nestle ביורק, אנגליה (PTC YORK), עובדים, בין שאר הדברים, על המחקר והפיתוח של שלושה מוצרים שונים: מכונה לייצור חטיפי שוקולד, פלטה לאפיית ופל, ומשטח מיוחד שתפקידו גם לבשל וגם לברור דגנים בעת ובעונה אחת. ב- PTC YORK, מרכז המחקר והפיתוח של מוצרי המתיקה ב- Nestle, מהנדסים מסתמכים על סימולציה מולטיפיזיקלית במטרה לבצע אופטימיזציה ולייעל את תהליך הייצור.
מו"פ שוקולד
חטיפי שוקולד כמו קיט-קט, Aero, Crunch, וחטיפי שוקולד חלב מוצקים, מיוצרים ע"י שימוש בדפוזיטור שוקולד הממלא תבנית בשוקולד מותך. שוקולד חודר לדפוזיטור דרך זרוע בחלק העליון ויוצא לתוך תבנית דרך כל אחד מקצות הזרבובית (איור 1). "המשמעות של הבטחת כמות שוקולד זהה בכל חטיף היא שקצב הזרימה והלחץ של השוקולד היוצא מכל זרבובית חייבים להיות אותו הדבר", אומר וויליאם פיקלס, מהנדס תהליכים ב- Nestle. "לא זו בלבד שאנחנו מוכרחים להקפיד שכל חטיף שוקולד הוא באותו משקל בשל שיקולי יעילות כלכלית וסטנדרטיזציה, אנחנו גם מחוייבים להבטחה כי המידע הקאלורי הרשום על האריזה הוא מדויק. זה מאפשר לנו לספק מוצרים עם ערכי תזונה מדויקים התואמים את הדיאטות המאוזנות של צרכנינו".

במטרה להשיג את הסטנדרטיזציה הזו, האחידות בזרימה ובלחץ בין כל קצה של זרבובית חייבים להיות מדויקים עד בתוך שוליים צרים. בכדי להשיג את העקביות הזו, Nestle משלבת שימוש בכלים של מידול וסימולציה. דפוזיטור השוקולד שרואים באיור 1 נבנה בתוכנת SOLIDWORKS והגיאומטריה יובאה לתוכנת הסימולציות של ®COMSOL Multiphysics לצורך אנליזה. סימולציה שימשה כדי לבצע אופטימיזציה של זרימת הנוזל, בחינת לחצים מכניים, וניתוח המאפיינים התרמיים של גיאומטריה ספציפית.
"לכל יצרן שוקולד יש את המתכון המיוחד שלו המייצר שוקולד עם מאפיינים ייחודיים", אומר פיקלס. "יכולנו למדל בצורה מלאה את ההתנהגות הלא ניוטונית של השוקולד של Nestle, ע"י הכנת סימולציה בה עקומה ניסויית המקשרת את קצב ההטייה ללחץ ההטייה של הנוזל יובאה לתוך התוכנה. בדרך זו היינו בטוחים שאנחנו ממדלים את השוקולד עם אותם מאפייני נוזל כמו המוצר האמיתי".

ע"י שימוש בסימולציה, הצוות זיהה אזורים של קצבי זרימה גבוהים ונמוכים וקבע את הבדלי הזרימה בין כל אחת מזרבוביות הדפוזיטור. בדיקות נומריות בערוצי הזרימה ובקצות הזרבוביות שימשו לניתוח התנאים במקומות ספציפיים בגיאומטריה. "ע"י ביצוע אופטימיזציה לצורת הדפוזיטור, הצלחנו להשיג קצב זרימה בכל אחת מהזרבוביות שהוא קונסיסטנטי ברמה של עשירית האחוז מהערך הרצוי". התוצאות הללו של הסימולציה מוצגות באיור 2.
איור 2
סימולציה מצילה את הקראנץ'
מה היה חטיף הקיט-קט אלמלא הרעש המפורסם של הוופל האפוי בתוכו? כאשר אופים וופל, חימום בלתי מאוזן עלול לגרום לריכוזי לחות שונים בתוך הוופל, מה שיהרוס את המרקם הקראנצ'י, או אפילו יגרום לחטיף להישבר מעצמו. הליך אפיית הוופל ב- Nestle עושה שימוש בשתי פלטות לאפייה אשר דוחסות את הבלילה שביניהן (איור 3). בזמן האפייה, הפלטות עוברות מעל שורה של כ-40 להבות. "אנחנו משתמשים בסימולציה כדי למטב את מבנה פלטות האפייה ע"י הסתכלות על זרימת האוויר החם מתחת ובסביבת הפלטות בכדי להבטיח שיש לנו טמפ' שווה על פני משטחי הפלטות" מתאר פיקלס. "מטרתנו במחקר זה היא לתקן את מיקומיו וכוחו של המבער בכדי ליצור את הוופל הטוב ביותר, ובו זמנית להפחית את כמות הדלק שאנחנו משתמשים". הדבר עולה בקנה אחד עם מדיניות חברת Nestle של חיפוש מתמיד אחר שיפור היעילות בכל תהליכי הייצור של החברה.
הלהבות שמתחת לפלטות האפייה מודלו כסילונים של אוויר חם, כאשר החום מתקדם בזכות קונבקציה (תהליך של זרימת חום). איור 4 מציג את פרופיל הלהבה מתחת לפלטת האפייה ואת זרימת האוויר בסביבת הפלטה. "היה ביכולתנו לתת תוקף למודל כנגד פלטות אפייה שהשתמשו בהן בניסויים, ומצאנו כי תוצאות הסימולציה שלנו היו תאימות גבוהה מאוד". התוצאות מראות בנוסף כיצד נקודות חמות מופיעות בשל עלייה בהולכת החום בברגים המחברים את הפלטות יחדיו (איור 5). "השלב הבא יהיה לבצע אופטימיזציה למבנה הזה כדי להפיץ את החום בצורה כמה שיותר מאוזנת לאורך חלקה העליון של הפלטה ולמזער פיקים של טמפרטורות" אומר פיקלס. איור 5 איור 4 מוצרים טובים ובטוחים יותר עם סימולציה מולטיפיזיקלית
ב- Nestle, סימולציה לוקחת נתח גדול בתהליך התכנון, מייצור שוקולד ווופלים ודגנים וכל מה שבאמצע. "כיוון שמוצרי Nestle הולכים להיצרך ע"י הצרכנים שלנו, אנחנו חייבים להיות מסוגלים להבטיח שהתכנונים שלנו תופסים בעולם האמיתי. יש לנו ביטחון בתוצאות שהושגו בסימולציות, ואנחנו יודעים שניתן לבטוח בהם שיסייעו לנו לייצר את העיצובים הטובים והבטוחים ביותר. זה בתמורה מאפשר לנו לספק באופן קבוע מוצרים טעימים ובריאים יותר".

הסיפור נלקח ממגזין 2015 ®COMSOL

מרחפים על גלי קול עם ריחוף אקוסטי! ®COMSOL Multiphysics בשירות הרפואה

לקול יש כוח מעורר כבוד. תחת התנאים הנכונים, הוא מסוגל לבצע מניפולציה ולשנות את מצב הצבירה. התעשייה הפרמצבטית פונה לריחוף אקוסטי כדי לענות על הצורך התמידי במערכות למסירת תרופות בעלות איכות גבוהה, במיוחד כאשר מתרחבת טכנולוגיית הטיפול בחולים והופכת מותאמת אישית יותר.

במעבדה הלאומית ארגון, חלק ממשרד האנרגיה האמריקאי, קמלש סות'ר וכריס בנמור עומלים רבות על הטמעת טכנולוגיה אקוסטית שתשנה את הייצור של תרופות. הצוות פונה לסימולציה מולטיפיזיקלית ב- ®COMSOL Multiphysics בכדי לשפר את המרחף האקוסטי שלהם – מתקן המייצר גלי קול כדי להרים ולשנות חומר (מצב צבירה).

תרופות המיוצרות בצורה אקוסטית

ע"י עירבוב כימיקלים בעודם מסתובבים וצפים באוויר, ארגון עובדים על סיוע בייצור יעיל יותר והעברה של מוצרי תרופות. בסביבה מבוקרת, המרחף מספק חלל נטול כלי קיבול וחסר חומרים מזהמים לטובת יצירת כימיקלים אמורפיים בטיהור גבוה. לפי הצוות של ארגון, "תרופות אמורפיות רבות מעורבבות עם פולימר במטרה להשאירן יציבות לאורך זמן". בנקודת האמצע של כל צומת של הגלים העומדים במרחף האקוסטי של סות'ר, מולקולות מתגבשות לטיפות ויוצרות כדורים קטנים. הטיפות צפות מילימטרים ספורים בנפרד ומסתובבות בעדינות, ונתלים בין שני מתמרים פייזואלקטריים קטנים.
גובה ותדר הגבוהים במקצת מהטווח שניתן לשמוע אותו, 160 db ו- 220 KHz, מייצרים גלים אקוסטיים עומדים עם כיסים של אזורי לחץ גבוה. המתמרים ממירים אנרגיה חשמלית ללחץ אקוסטי. השיטה שנקבעה במקום ע"י סות'ר ובנמור היא טכניקה עוצמתית לפיתוח תרופות. קל יותר לגוף האנושי לספוג ולעבד כימיקלים אמורפיים שכן הם יותר מסיסים וספיגים מאשר בצורתם הקריסטלית.

יכולת ההרמה של כוח אקוסטופורטי

תכנון הגיאומטריה בצורה הנכונה כדי לשלוט בתזוזה של החלקיקים הוא קריטי לתפקוד המתקן המרחף. בניסוי זה, מספר כוחות מאוזנים פועלים יחדיו כדי ליצור תופעה שתאפשר לחלקיקים לצוף בדרך מבוקרת. יש לקחת בחשבון בהקשר של הטיפות את: הכוח האקוסטופורטי, אינטראקציית חלקיק-חלקיק, סחיבה, כוח משיכה ומתיחות של פני השטח. תבניות ספציפיות של קצף בפרופיל גאוסיאני העשוי פוליסטירן תוכננו להסיר כל גל אקוסטי בלתי רצוי הנוצר ע"י המתמרים, ומתפקדות כמסננות לאורך הקצה של כל אחד, יוצרות גל עומד מוגדר היטב המשתקף בצורה שווה, עם התערבות קלה. פרמטרים אלו גורמים לחלקיקים להסתדר בצורה אנכית, ואז מתגבשים במהירות לכדי טיפות. הטיפות נשארות בפוזיציה האנכית הרצויה הזו כיוון שהן נעות כל הזמן בכיוון אופקי.

כיצד סימולציה אקוסטית משתווה לניסויים
הצוות יצר סימולציה ב- ®COMSOL Multiphysics על מנת לאמת את ניסויי הרנטגן המבוססי סינכרוטרון ב- APS (Advanced Photon Source), מתקן האוחז באיחסון המבריק ביותר של קרני רנטגן המיוצרים במעגל, בכל חצי הכדור המערבי. הם השתמשו במודול האקוסטיקה ובמודול מעקב חלקיקים, תוספות ב- ®COMSOL. בתחילה הם התחשבו בתדר ובמאפייני החומר של המתמרים הפייזואלקטריים ובכל תופעה תרמית העשויה להשפיע על המתקן המרחף. אחרי כן הם השתמשו בשיטה של ניסוי וטעייה כדי למצוא גיאומטריית קצף שתאפשר להם לשלוט בצורת ההתגבשות של טיפה בודדת.
בנוסף, הם בחנו כיצד שינויים בצמיגות ובמתיחות פני השטח עשויים להשפיע על הצורה שלהם. ההתערבות יוצרת מבני טיפה אשר סות'ר מיפה עם סימולציית אינטראקציית מבנה-נוזל. הוא התחשב בכל ההשפעות הרלוונטיות ע"י שימוש במודול CFD ושיטה לקביעת רמות, דרך נומרית להמשך המעקב אחר ממשקים בין אמצעים שונים במהלך הסימולציה. שימוש בשיטה הזו בשליטה על הצורה של טיפות במעברים שונים של שלבים אקוסטיים סייע לסות'ר להשיג צורה כדורית ולשלוט בדרך בה הטיפות מושפעות הדדית.

כאשר החוקרים הריצו את הניסוי שמאמת את התכנון, הם גילו כי תוצאות הסימולציה היו עקביות עם התנהגות הטיפות בתמונות במהירות גבוהה שהם צילמו ב- APS. תוצאות הסימולציה המציגות את התפלגות השדה האקוסטי היו אף הן תואמות לתוצאות הניסוי. כפי שסות'ר מסביר, "עם ההתערבות המבנית של גלי לחץ, אנחנו מקבלים גל לחץ עומד עם כיסי לחץ חיוביים ושליליים. בתוך הכיסים הללו, הקול מגיע בערך לרמה של ריחוף טיפת המים. אז אם משפריצים מים, הטיפות נדחפות למרכז הריחוף בשל כוחות האיזון המעורבים".
החוקרים בארגון גיבשו את התכנון שלהם בעזרת סימולציה מולטיפיזיקלית. ככל שהמדענים יוסיפו לחדד את התכנונים של המתקנים האקוסטיים המרחפים, אפשרויות החדשנות הן אינסופיות. מפתחי תרופות יוכלו לשלוט בריכוזים, בגודל הטיפה, ובכמות של כל כימיקל ברפואה. התגליות של ארגון מיושמות באופן נרחב בקהילת הרפואה העולמית. הדבר נכון בייחוד היכן שמשאבים חדשים ומכונות משמעותם התקדמות גדולה בשינוי החיים של המטופלים.

הסיפור נלקח ממגזין 2014 ®COMSOL

יוצרים תובנות אודות חומרים פייזואלקטריים עבור זרימה אקוסטית בעזרת סימולציות נומריות ב- ®COMSOL Multiphysics

סימולציות נומריות מסייעות לחוקרים להבין את התגובות ההדדיות בין גלים אקוסטיים על פני השטח לבין זרימה מיקרופלואידית.

התקנים מיקרופלואידיים הינם מפתח ליישומים רבים כגון חיישני מעבדה-על-שבב לאבחונים רפואיים וחיישני זרימה בעלות נמוכה, אך גודלם הקטן הופך את הנושאים של שאיבה אפקטיבית וערבוב נוזלים לאתגרים. ההתנהגות המכאנית בגיאומטריות בגודל של כמה מאות מיקרונים בודדים ופחות מזה עשויה להשתנות משמעותית ביחס להתנהגות ברמת המאקרו. זאת כיוון שבקנה מידה נמוך היחס בין אזור פני השטח של הנוזל לנפח שלו הוא הרבה יותר גבוה, וגורמים כגון מתח פנים, מעבר חום וצמיגות משחקים תפקיד חשוב יותר.
חוקרים במכללת SUNY לננו-מדע והנדסה (CNSE) באולבני, ניו-יורק, חוקרים את השימוש בגלים אקוסטיים על פני השטח (SAWs – surface acoustic waves) בהכללת זרימת נוזל כאפשרות להנעת נוזל. כיוון שקול נע במהירויות שונות בסובסטרטים ובנוזלים, נוצר פיזור בגל המשוגר אל תוך הנוזל בזווית. היחלשות עוצמת הלחץ של הגל גורמת לזרימה אקוסטית. במטרה לעצב התקנים כאלה בצורה יעילה, הבנת המאפיינים האקוסטיים בחומר פייזואלקטרי שנעשה בו שימוש בייצור SAWs הינו שלב ראשון קריטי.
בהקשר הזה, סימולציה נומרית יכולה להיות כלי מאוד עוצמתי לטובת קביעה, לדוגמא, של השפעת מתכות אלקטרודות שונות וגיאומטריות על התפשטות גל אקוסטי. התובנות המושגות יכולות לסייע בעדכון החלטות תכנון.
גרהאם פוטר, חוקר בוגר ב- CNSE, לומד את השימוש במגוון חומרים פייזואלקטריים עבור יישומים המשתמשים בזרימה אקוסטית. CNSE היא חלק משותפות אוניברסיטאית-תעשייתית ייחודית עם SEMATECH, קונסורציום מחקר בינלאומי בתעשיית המוליכים למחצה, שמטרתה לתקוף את האתגרים הקריטיים הקיימים בייצור בטכנולוגיה מתקדמת.
צוותו של פוטר מתכנן התקנים שבנויים עם סובסטרטים פייזואלקטריים כגון ˚128Y-cut lithium niobate (LiNbO3) . "זווית החיתוך נקבעת עם התייחסות לציר הקריסטלוגרפי. כיוון ספציפי זה היה בשימוש מסורתית במסנני bandpass בשל ההימצאות של גל ריילי, סוג של SAW, עם צימוד אלקטרומכני חזק המתפזר בכיוון אחד לאורך פני השטח", הוא מסביר."בשל סיבה זו, מחקרים רבים בנושא זרימה אקוסטית בהם נעשה שימוש בחומר זה, הוגבלו להתקנים ליניאריים בעלי כיוון אחד. אנחנו מעוניינים בבניית ארכיטקטורות התקן מחזוריות או מיקודיות. עקב סיבה זו, ובשל האנאיזוטרופיות של הגביש, נזקקנו להבנה טובה יותר של מאפייני ההתפשטות של הגלים על פני כל השטח", פוטר המשיך.
במבנה שלו, מערכי אלקטרודות מוזהבות, הידועות כמתמרים משולבים (IDTs – interdigitated transducers), מורכבים על סובסטרט פייזואלקטרי. זרם חלופי מופעל באלקטרודות וגורם לפני השטח לרעוד בהרמוניות בשל האפקט הפייזואלקטרי הנגדי, ונוצרים SAW. "ע"י שינוי הכיוון של התקני ניסוי אלו על פני השטח, תדר התהודה ותגובת הזרם האקוסטי יכולים להיקבע כפונקציה של כיוון התפשטות", פוטר מסביר.

תאימות גבוהה מאוד בין הסימולציה לניסוי
סימולציות התבצעו עבור נטיות חומר רבות בעזרת ®COMSOL Multiphysics, ונבדקו כנגד התקנים שנבנו ב- CNSE. "מצאנו הסכמה גבוהה בין הסימולציות שלנו והמדידות הניסוייות. הדבר עודד את השימוש הנרחב ב- ®COMSOL Multiphysics בתהליך התכנון שלנו וממש האיץ את ההבנה שלנו אודות הבעיה", אומר פוטר.
"לדוגמא, רצינו לאשר שגלי שטח עם תזוזות אנכיות גדולות יותר יהיו בעלי מהירויות זרימה גבוהות יותר. בפועל, היה באפשרותנו להתאים את תוצאות הסימולציות למהירויות זרימה שנמדדו בניסויים. פיסות מידע כמו זו עוזרות לשפוך אור על היבטים של הבעיה ומובילות בסופו של דבר להחלטות תכנון מוחשיות".

פוטר השתמש בממשק ההתקנים הפייזואלקטריים של ®COMSOL Multiphysics לאנליזה במרחב התדר עבור המחקר הספציפי הזה. מהסימולציות שלו הוא יכול היה לקבוע את תדר התהודה ומהירות הפאזה של ה- SAWs, התחשבויות תכנון חשובות באופטימיזציה של גיאומטריית ההתקן עבור זרימה אקוסטית. "הצוות שלנו מעוניין באופטימיזציה של אפקט הזרימה דרך אמצעים רבים, וכיוון שעבודה זו היא מולטידציפלינרית מטבעה, היכולות המולטיפיזיקליות של ®COMSOL שימושיות מאוד. אנו מתכננים להמשיך להשתמש ב- ®COMSOL במחקר שלנו כדי לחקור השפעות של מספר פרמטרים בו זמנית על ביצועי ההתקן שלנו, זאת במטרה לצמצם את הזמן שמתבזבז על יצירת אב-טיפוס".

הסיפור נלקח ממגזין 2014 ®COMSOL