car-batteries

מדוע בטריות הרכב מתפקדות בצורה דלה במזג אוויר חורפי?

הנעת הרכב בבוקרו של יום חורפי עשויה להיות חוויה לא נעימה כלל אם לא היינו פרואקטיביים בלילה שלפני. כאשר אין באפשרותנו להדליק את המנוע, לרוב האשמה נופלת על הבטריה. מדוע הבטריה יותר רגישה משאר התהליכים ברכב? התשובה טמונה ביכולתה של הבטריה להמיר אנרגיה כימית לאנרגיה חשמלית, במינימום יצירה של חום, והכמות הנמוכה באופן יחסי של אנרגיה תרמית אשר זמינה בטמפרטורות נמוכות.

למעשה הבעיה הזו לא מוגבלת רק לבטריות – מנוע הבעירה הפנימי אף הוא נתקל בבעיות בטמפרטורות נמוכות באופן קיצוני. שמן המנוע הופך לצמיגי יותר, תגובות הבעירה הופכות איטיות, ותהליך העיבוי עשוי לקפוא בחלקים קריטיים של מערכת הדלק.
אז מהי הסיבה להבדלי התפקוד של המנוע והבטריה בין טמפרטורה נורמלית לנמוכה מאוד? את התשובה ניתן למצוא באופן שבו אנרגיה כימית מומרת לאנרגיה מכאנית:

• מנוע הבעירה הפנימי ממיר לחום אנרגיה כימית המאוחסנת בדלק, אשר לאחר מכן מומרת לאנרגיה מכאנית.
• המנוע של רכב חשמלי ממיר את האנרגיה הכימית בבטריה לאנרגיה חשמלית, אשר הופכת אחרי זה לאנרגיה מכאנית ע"י המנוע החשמלי. הוא מייצר כמות נמוכה מאוד של חום ביחס למנוע הבעירה.

תהליך המעבר מאנרגיה תרמית לאנרגיה מכאנית במנוע הבעירה הפנימי יוצר חום רב כבר במכה הראשונה ומחמם במהירות את המנוע, והמכונית יכולה לנסוע באופן מיידי. לעומת זאת, ייצור החום האיטי המתרחש בטמפרטורות קיצוניות ברכבים חשמליים אינו מספק את אותו התהליך.
כדאי לדעת כי יעילות ההמרה של אנרגיה כימית למכאנית היא גבוהה הרבה יותר ברכבים חשמליים, כיוון שההפסדים בבטריה ובמנוע החשמלי הם נמוכים באופן יחסי.
נעזוב רגע בצד את הסוגיות של יעילות וייצור חום, ולפני שנדון בנושא הבטריה, בואו נשווה בין התהליכים שעלולים לגרום לקשיים במזג אוויר קר, ברכבים חשמליים ורגילים.

השוואת תהליכי הרכב

בואו נתחיל במנוע החשמלי ובמנוע הבעירה הפנימי. אנחנו יכולים להניח כי מנוע חשמלי פחות מושפע מטמפרטורות נמוכות בהשוואה למנוע בעירה פנימי. הוא מכיל פחות חלקים זזים, וכיוון שהחלקים הזזים מופרדים אחד מהשני בעיקר ע"י מרווחי אוויר, מנוע זה יצריך פחות שמן ויהיה פחות רגיש לטמפרטורות נמוכות.

תיבת ההילוכים ברכב חשמלי היא בנוסף פחות מסובכת מזו הקיימת ברכב עם בעירה פנימית, כיוון שמנוע חשמלי מסוגל לתפקד על פני טווח רחב של עומסים עם מומנט מצוין. בנוסף, לרכב חשמלי עשויים להיות מספר מנועים (למשל אחד מקדימה ואחד מאחורה), וכך להיפטר מכמות נכבדה של התמסורת הנדרשת להפעלה של ארבעה גלגלים. זה מרמז על כך שמכונית חשמלית לא דורשת תיבת הילוכים מסובכת שחייבת להיות משומנת. כתוצאה מכך, הרכב החשמלי אמור להיות רגיש פחות לטמפרטורות גם בשל סיבה זו.
ולבסוף, רכב חשמלי לא דורש מערכת דלק סבוכה עם משאבות, שסתומים, הזרקות, מונים ועוד. עובדה זו גם אמורה להפוך אותו לפחות רגיש לטמפרטורות נמוכות ביחס לרכבים רגילים, עם פחות רכיבים שמעוכבים בגלל הצטברות של קרח.
כצפוי, זוהי הבטריה שמתפקדת רע בטמפרטורות נמוכות. למעשה, ההשפעה של טמפרטורות נמוכות על התפקוד של בטריות משתקפת ביישומים רבים, מציוד צבאי ויישומי חלל ועד לטלפונים סלולריים ומערכות אזעקה ביתיות. הרכיב הזה הוא מן הסתם פחות קריטי במנוע בעירה פנימי, אשר סך הכל זקוק לזרם עוצמתי קצר בכדי להפעיל את המנוע. זאת בהשוואה לרכב חשמלי שזקוק לאספקת זרם קבועה.
אז בואו אם כך ניתן מבט נוקב יותר על ביצועיה של הבטריה וכיצד היא משופעת מטמפרטורה.

מאפייניה תלויי הטמפרטורה של הבטריה

בטריה מורכבת משתי אלקטרודות נקבוביות, חיובית ושלילית. החומר מוליך החשמל רווי בחלקיקים של חומר אלקטרוליטי. הרווח בין החלקיקים הללו יוצר את נקבוביות האלקטרודות.
שני המוליכים מופרדים באמצעות אלקטרוליט. בנוסף, שתי האלקטרודות הנקבוביות כוללות אלקטרוליט נקבובי ברווח שבין חלקיקי החומר המוליך המוצק. התמונה הבאה מציגה את תהליך הפריקה של הבטריה. החלקיקים הוגדלו משמעותית בתמונה.
ההפסדים בבטריה במצבי טעינה שונים מוצגים בגרף הבא, אשר מראה את עקומי פוטנציאל הזרם עבור האלקטרודה החיובית (אדום) והשלילית (כחול), עם נקודת פעולה המיוצגת ע"י i1 ו- -i1 בהתאמה. אנחנו יכולים להניח כי הפוטנציאל החיובי והשלילי של האלקטרודות נמדד בעזרת האלקטרודה שנמצאת במרכז האלקטרוליט. זאת על מנת לקבל את שני הפוטנציאלים האינדיבידואלים וכדי לכלול את ההפסדים האוהמיים משני הצדדים של האלקטרודה האמצעית.
פוטנציאל התא פוחת בהשוואה למתח החשמלי של התא הפתוח בשל הפסדי שפעול (בעקבות קינטיקה של תגובות אלקטרוכימיות), הפסדי מעבר מסה, והפסדים אוהמיים. נשים לב כי הזרם הקתודי באלקטרודה החיובית מוגדר כשלילי, בעוד שהזרם האנודי באלקטרודה השלילית מוגדר כחיובי. זאת כיוון שהקוטביות של האלקטרוליט בתוך הבטריה היא הפוכה לזו של המעגל החשמלי החיצוני.

מתח פתוח של התא

ההפרש בפוטנציאל האלקטרודי בצפיפות זרם אפסית נקרא מתח פתוח של התא (open cell voltage) במצב טעינה נתון, כפי שראינו בתמונה הקודמת. המתח הפתוח של בטריה כפונקציה של טמפרטורה במצב טעינה נתון מוצג בביטוי המתמטי הבא:

כאשר E הוא מתח התא, http://www.comsol.com/latex?l=%7b\Delta%20S%7d הוא השינוי האנטרופי של תגובת הבטריה, http://www.comsol.com/latex?l=zהוא מספר האלקטרונים שעברו, ו F הוא קבוע פאראדיי. משמעות הדבר שעבור בטריה עם תגובת פריקה נטו עם שינוי אנטרופי חיובי, מתח התא עולה עם הטמפרטורה. עבור בטריה עם שינוי אנטרופי שלילי, מתח התא יורד כאשר הטמפרטורה עולה.

ברוב סוללות הליתיום-יון שמשתמשים בהן ברכבים החשמליים המודרניים ישנו שינוי אנטרופי מעט שלילי או מאוד קטן, שמעיד על כך שהמתח הפתוח של התא עולה במעט כשהטמפרטורה יורדת. זה כשלעצמו עשוי לשפר את הביצוע בטמפרטורות נמוכות. למרות זאת, השינוי במתח הזה כפונקציה של טמפרטורה הוא יחסית קטן בהשוואה לפרמטרים אחרים, בסביבות 0-0.4 mV/K – שזה פחות מ- 30 mV על פני הטווח שבין טמפרטורות מאוד קרות (35- מעלות צלסיוס) לטמפ' החדר. אנחנו יכולים אם כך לשלול את האופציה כי התרמודינמיקה של תגובת הפריקה נטו של הבטריה היא הסיבה לביצועים רעים בטמפ' נמוכות.

המאפיינים הפיזיקליים של האלקטרוליט והאלקטרודות

למאפיינים הפיזיקליים של האלקטרוליט ישנה השפעה רבה על ביצועיה של הבטריה. טמפרטורה משפיעה על המוליכות ועל מקדמי הדיפוזיה באלקטרוליט, לכן משפיעה גם על הולכה ומקדם דיפוזיה אפקטיביים באלקטרוליט הנקבובי.
המוליכות של האלקטרוליט יכולה לעלות בסדר גודל אחד או יותר מטמפ' מאוד קרות ועד לטמפ' החדר. אם נבנה תרשים של הלוגריתמים של המוליכות האלקטרוליטית כפונקציה של 1/T, נקבל יחס ליניארי, כפי שרואים בתמונה הבאה. הגרף מציג את המוליכות הנמוכה בטמפ' נמוכה ואת העלייה האקספוננציאלית כשמגיעים לטמפ' גבוהות.

עקב כך ההפסדים האוהמיים באלקטרוליט עולים כשהטמפרטורות יורדות, והתוצאה היא מתח תא נמוך יותר בזרם נתון בטמפ' נמוכות יותר. בנוסף, המוליכות הדלה של האלקטרוליט מביאה לתוצאה של התפלגות צפיפות זרם פחות מאוחדת באלקטרודות הפורוזיביות, אשר בתמורה מורידה את הקיבולת של הבטריה. הקיבולת נמדדת ככמות אמפר לשעה שאפשר לקחת מהבטריה לפני שהמתח יורד במהירות. בטמפרטורות נמוכות, ישנה קיבולת, אך המוליכות הנמוכה והתפלגות צפיפות הזרם הלא מאוחדת הופכים את הקיבולת לבלתי זמינה לשימוש עד אשר הבטריה מתחממת.
זאת ועוד, מקדמי הדיפוזיה של הריכוזים הכימיים באלקטרוליט, שהם חיוניים להזנה של התגובות האלקטרוכימיות, מונמכים לאותו שיעור של המוליכות האלקטרוכימית. מקדמי דיפוזיה נמוכים מגבירים את הפוטנציאל העודף של הריכוז, אשר מנמיך את מתח התא. מקדם דיפוזיה נמוך מוריד גם את קיבולת הבטריה, כיוון שחלק גדול יותר של החלקיקים באלקטרודות אינם נגישים בשל הגבלות של מעבר המסה.
נשים לב כי המוליכות ומקדם הדיפוזיה של האלקטרוליט קשורים שניהם לניידות. ההסבר הפיזיקלי לניידות הנמוכה הוא שיש פחות אנרגיה תרמית זמינה באלקטרוליט, דבר המקשה על יונים ועל מולקולות להתגבר על האינטראקציות ועל החיכוך המשותפים שלהם. הניידות באלקטרוליטים כפונקציה של טמפרטורה מתוארת במשוואת ארניוס, בה אנרגיית השפעול מייצגת את האנרגיה הדרושה למולקולות על מנת לגבור על האינטראקציות עם המולקולות השכנות ולנוע באלקטרוליט.
החומר האלקטרודי המוצק הוא לרוב בעל מוליכות שהיא גדולה בכמה סדרי גודל מזו של האלקטרוליט הנקבובי. שינוי המוליכות עם טמפרטורה בחומר המוצק הוא לרוב זניח במונחי ביצועי בטריה. למרות זאת, בבטריות מסוימות, טעינה מחדש עשויה להיות בעייתית בטמפ' קרות, כיוון שזה עלול להוביל למבנה דנדריט שיהרוס את הבטריה.

קינטיקה של אלקטרודה

התרומה הגדולה לביצועים הדלים של הבטריות בטמפרטורות נמוכות היא הקינטיקה האיטית של התגובות האנודיות והקתודיות, שמובילה לעודף פוטנציאל שפעול. ההסבר הפיזיקלי לקינטיקה האיטית של האלקטרודות הוא שנהיה יותר קשה להתגבר על אנרגיית השפעול בשל הכמויות הנמוכות של אנרגיה תרמית זמינה במערכת בטמפ' נמוכות.

הגרף הבא מציג את ההשפעה הכוללת על ביצועי הבטריה כשלוקחים בחשבון עלייה בהפסדי שפעול, בהפסדים האוהמיים, ובהפסדי מעבר המסה. אנחנו יכולים לראות כיצד העלייה בעודף הפוטנציאל הכולל גורמת לתוצאה של מתח תא נמוך בהינתן זרם ומצב טעינה מסוימים.

קירור המערכת

מערכות מודרניות של בטריות ברכבים חשמליים מצויידות במערכות מתקדמות של צלעות קירור. מערכות אלו מסוגלות לקרר את הבטריה כאשר היא פועלת בעומסים גבוהים, ולחמם אותה כאשר היא מחוברת לחשמל במהלך לילות קרים.

מערכת הקירור שומרת את הבטריה בטווח טמפרטורות אופטימאלי (התמונה הקודמת). נשים לב כי הגרף מתייחס לטמפ' ההפעלה של הבטריה, לא לטמפ' שבסביבה. מערכת הקירור מורידה בנוסף את הסיכון לבריחה תרמית בבטריות ליתיום-יון.
חימום הבטריה בטמפ' נמוכות אומר בנוסף כי היעילות והטווח של המנוע החשמלי מצטמצמים כיוון שחלק מההספק החשמלי המתחדש חייב להפוך לחום על מנת להשאיר את הבטריה בטווח הפעולה האופטימלי. נוסף על כך, חלק מהאנרגיה עשויה להיות מנוצלת לחימום תא הנהג, דבר שגם הוא מפחית את יעילות הרכב וטווח הנסיעה שלו.
התמונה האחרונה מראה את תוצאות המודל של בטריית ליתיום-יון עבור יישומים ממונעים, המצויידים בערוצי קירור וחימום. מודלים מהסוג הזה הם בעלי שימוש נרחב בתכנון של מערכות לקירור תרמי בבטריות.

מחשבות סיכום

אי היכולת של רכבים חשמליים לחמם את הבטריות שלהם במהירות ובספונטניות לאחר לילות חורפיים קרים במיוחד, נעוצה ביעילות הרבה של המנועים החשמליים והעבודה כי הם לא נדרשים לייצור של אנרגיה תרמית בכדי לעבור למצב של עבודה מכאנית. לכן על הרכב החשמלי להיות תמיד מחובר לחשמל על מנת שטמפ' הבטריה תישאר בגבולות הטמפ' הנכונים.

מאמר זה נלקח מהבלוג של COMSOL®

תוצאותיו של מודל של בחינת ביצועים עולות בקנה אחד עם חוקי פרנל

האם אי פעם תהיתם מדוע שייטים מרכיבים משקפי שמש מקוטבות (Polarized)? זאת כיוון שקרני השמש המשתקפות מהמים בעיקר מקוטבות בכיוון אחד, ומשקפי שמש מקוטבות יחסמו את רכיב האור החוזר, ובדרך זו מפחיתים את הסינוור. כדי להבין למה זה, אנחנו יכולים להשתמש בתוכנת ®COMSOL Multiphysics. דוגמא זו פותרת את משוואות מקסוול בעזרת המודול RF והמודול Wave Optics כדי לסמלץ תקרית של אור בזווית על גבי אמצעי דיאלקטרי, והפתרון מציג התאמה עם הפתרונות האנליטיים.

כאשר אור פוגע באמצעי דיאלקטרי

אור השמש הוא בעיקרו אור לא קוהרנטי. הוא מורכב מאורכים רבים של גלים ופולריזציות שונות. למרות זאת, אנחנו יכולים להניח כי השדות האלקטרומגנטיים ליניאריים, כך שכל פולריזציה של אור אפשר להתייחס אליה כסכום של שתי פולריזציות אנכיות – אחת שיש לה את השדה החשמלי המקוטב מקביל למישור של השטח, והשניה שיש לה את השדה המגנטי המקוטב מקביל למישור של השטח.
כאשר אלומת אור (גל אלקטרומגנטי) המתפזרת בשטח פתוח פוגעת באמצעי דיאלקטרי, חלק מהאור יעבור וחלק יחזור. חלקי האור שיחזרו ואלו שיעברו תלויים בזווית של התקרית, במקדם הדיאלקטרי, ובפולריזציה. אפשר לתאר את התופעה גם על ידי חוקי פרנל, שהם פתרון אנליטי למשוואות מקסוול.
במקום לפתור את חוקי פרנל, אנחנו יכולים לבנות מודל ב- ®COMSOL כדי להכין סימולציה של גל אינסופי של תקרית אור על גבי אמצעי דיאלקטרי. ע"י שימוש במודול RF או במודול Wave Optics, אנחנו יכולים לבנות תא יחידה המתאר אזור קטן בסביבת הממשק הדיאלקטרי. אנחנו פותרים את משוואות מקסוול המלאות בתא היחידה, עם תנאי שפה מחזוריים ופורטים כדי לקצר את מרחב המידול.

חוקי פרנל והתוצאות של מודל ®COMSOL עולים בקנה אחד

בואו נסתכל על התוצאות של מודל בחינת הביצועים אשר פותר עבור שתי פולריזציות אנכיות של אור ומחשב את מקדמי ההעברה והחזרה בהתאמה לזווית התקרית.
השוואת תוצאות מודל ®COMSOL עם הפתרון האנליטי של מקדמי החזרה וההעברה, עבור תקרית השדה החשמלי (שמאל) ותקרית השדה המגנטי (ימין).
כפי שניתן לראות בתרשימים, התוצאות של המודל תואמות את הפתרון האנליטי. אנחנו גם יכולים לראות כי פולריזציות שונות של אור יחזרו בצורה שונה ממשק אווירי-דיאלקטרי, וזה עונה לנו על השאלה מדוע משקפי שמש מקוטבות פופולאריות בקרב שייטים!

מאמר זה נלקח מהבלוג של COMSOL®

הפיזיקה שמאחורי הגשות הבייסבול – אפקט מגנוס, שדרת המערבולות של פון קרמן ועוד

מגישים מקצוענים בבייסבול מסוגלים לגרום לכדור לנוע שמאלה, ימינה, למטה, ואפילו למעלה (בערך) על מנת שיחלוף על פני החובט של הקבוצה היריבה. הפיזיקה שמאחורי התהליך יכולה להיות מוסברת ע"י אפקט מגנוס.
הכל בסיבוב!

לאחר שעוזבת את ידו של המגיש, הגשת הבייסבול מושפעת משלושה כוחות: כוח המשיכה, כוח הגרר וכוח מגנוס. כוח המשיכה מושך את הכדור כלפי מטה, כוח הגרר מאט את הכדור, וכוח מגנוס…ובכן, זה תלוי בהגשה. בעוד הכדור מסתובב במסלול היעף שלו, שינויי לחץ חלים עליו ואפקט מגנוס יוצר כוח אנכי לתנועת הכדור בכיוון הסיבוב.
בבייסבול, למגיש יש יותר שליטה על הסיבוב של הכדור מאשר בכל ענף ספורט אחר. המגיש יכול לסובב את הכדור כדי להוסיף לו סחרור עילי (topspin), סחרור אחורי (backspin) או סחרור צידי (sidespin) תלוי בהגשה שהם רוצים לייצר. דרגת הקושי בייצור כל הגשה משתנה בהתבסס על הסיבוב. שולי הטעות קטנים ככל שהקושי עולה. מפרקים למרכיבים בסיסיים את ההגשות

כדורים מהירים (fastballs):

כדורים מהירים הם הקלים ביותר להגשה כיוון שהם מושפעים במידה קטנה מאוד מאפקט מגנוס. כדור מהיר עם ארבע אצבעות היא ההגשה העיקרית של המגיש, ונזרקת הכי הרבה פעמים. ישנה נטייה טבעית להוספת סחרור אחורי לכדור בעת השחרור. הסחרור האחורי מכוון את כוח מגנוס כלפי מעלה, דבר הגורם לכדור ליפול לאט יותר מהגשות אחרות, יוצר את האשליה שהכדור עולה. כדורים מהירים אחרים, כגון שתי אצבעות וכדור חותך, נזרקים עם סיבוב, אך נעים יותר מדי מהר מכדי שאפקט מגנוס ישנה את הפוזיציה שלהם בצורה דרסטית.

כדורים מסובבים (breaking balls):

כדורים מסובבים הן ההגשות שנסמכות הכי הרבה על יעילותו של כוח מגנוס. Curveball, תנועת זריקה סיבובית המשנה את מסלול תעופתו של הכדור, היא ההגשה המסובבת החשובה ביותר, וכמעט לכל המגישים המתחילים ב- MLB (ליגת הבייסבול האמריקנית המקצוענית) חייבת להיות הגשה אחת כזו בארסנל שלהם. בזמן שהמגיש משחרר את הכדור, הוא משנה את תנועת פרק כף היד על פני הכדור בצורה כזו שהוא מחדיר עוצמה רבה של סיבוב בכדור. פעולה זו גורמת לכדור לחתוך מטה ושמאלה באלכסון (עבור מגיש עם יד ימין). אם נזרק בצורה טובה, ה Curveball עשוי להיות יעיל בצורה מדהימה, ולגרום לחובטים להיראות מטופשים, אם להכריח אותם להסתובב על האדמה בהגשות, או אפילו לגרום להם להתכופף ולהתחמק מההגשה שמסתיימת בסטרייק זון.
סליידר היא הגשה הנזרקת עם סיבוב אופקי, גורמת לכדור לנוע הצידה (מימין לשמאל אצל חובט עם יד ימין). הגשת screwball נזרקת עם סיבוב זהה ל curveball, פרט לכך שהיא נחתכת מטה וימינה במקום שמאלה (לחובט עם יד ימין). יש עוד סוגים של כדורים מסובבים בהם מגישים משתמשים, אך הם לרוב וריאציות של ההגשות שתוארו כאן.

Knuckleball:

ה Knuckleball היא ההגשה המלכותית, ולמעשה אפקט מגנוס הוא האויב שלה. באופן אידיאלי Knuckleball נזרק כאשר הכדור מסתובב רק פעם אחת בדרכו אל התופס. המחסור בסיבוב יוצר את שדרת הערבולים של פון קרמן מאחורי הכדור, אשר יוצרים תנודות קלות בתנועתו של הכדור, מספיק בכדי להכשיל את החובט. למעשה בהגשה מעולה של Knuckleball, אפילו המגיש לא יכול לדעת היכן ההגשה תסתיים. אם ההגשה נזרקת עם יותר מדי סיבוב, יהיה קל לחבוט אותה כיוון שאפקט מגנוס יוצר אחידות בתנועת הכדור ומסלול תעופה ישר. כאשר מגישים בצורה נכונה, הכדור רוקד מצד לצד.

המפתח להגשות בייסבול יעילות

הדרך הנכונה ליצור הגשות אפקטיביות היא לשלב יחדיו את הסוגים השונים של ההגשות בכדי שהחובט יאבד את שיווי המשקל שלו ויאלץ לנחש. על המגיש גם להסוות את ההגשות כשהן נזרקות, כדי שלא יהיה לחובט רמז לגבי המיקום אליו הכדור הולך.

למאמר המקורי בשפה האנגלית באתר של ®COMSOL Multiphysics לחצו כאן

סכנה נוספת בקורוזיה!

והי עובדה ידועה כבר שנים רבות כי הסכנה בקורוזיה נעוצה בכך שהיא מסכנת את המבנים עליהם היא משפיעה. הדבר רלוונטי במיוחד בתעשייה הימית בה כשלים חומריים מובילים לדליפות ובעיות דומות. כעת, סכנה חדשה אורבת בפתח.
קורוזיה גלוונית, קורוזיית נקיקים וסוגים אחרים של קורוזיה הם אלקטרוכימיים מטבעם ומעוררים זרמים קטנים אשר זורמים בין האזורים שעברו תהליך קורוזיה, דרך החומר והאלקטרוליט הסובב אותו. בכדי להיאבק בתופעה, ניתן לכפות זרם חשמלי נגדי בתהליך שנקרא הגנה קתודית. במקרים רבים, זה מוביל אפילו לזרם גדול יותר שעובר בחומר ובאלקטרוליט הסובב אותו.

כאן הבעיות מתחילות. זרמים חשמליים מעוררים פוטנציאלים חשמליים, ואת זה אפשר למדוד. אם צוללת, לדוגמא, מייצרת זרם חשמלי בגוף הכלי ובפרופלור, אז ישנו פוטנציאל חשמלי די גדול שאפשר להשתמש בו בכדי לגלות את הצוללת ואפילו להפעיל מוקש. זה הרבה יותר מסובך עבור הפרופלור המסתובב של הצוללת, אשר מווסת את הסיגנל.
מה לעשות? פתרון אחד הוא להפסיק את תהליך ההגנה הקתודית כאשר הצוללת נמצאת באזור עם סכנה אפשרית. אך זה לא יעבוד כאשר לתהליך הקורוזיה בפני עצמו יש פוטנציאל חשמלי שאותו ניתן לגלות.
דיויד שייפר מאוניברסיטת דואיסבורג-אסן בגרמניה, מבצע סימולציות של הפוטנציאל החשמלי מתחת למים של צוללות, בשם המרכז הטכני לספינות ולנשקים ימיים. ע"י שימוש ב- ®COMSOL Multiphysics הוא וצוותו יכלו לבנות סימולציה של האותות ולמצוא כי ניתן להפעיל הגנה קתודית בעוצמה מסוימת של זרם חשמלי, ולהשיג תוצאה של אות פחות בולט מאשר זה שמתרחש בקורוזיה.
קראו בהרחבה על המחקר המעניין בסיפור המשתמש "צוללות: הגנה מפני קורוזיה או חשיפת האויב?" במגזין ®COMSOL Multiphysics עמוד 67

חקירה מתחת לפני האדמה עם אנליזה פורואלסטית*! המודל של מגדל פיזה

המגדל הנטוי של פיזה נחשב לאחד מסימני הנוף המפורסמים ביותר בעולם, למרות שסביר להניח כי מהנדסים גיאוטכניים רואים אותו יותר ככשל בניה. בכדי למנוע את אותו גורל לנטייה מתמדת, יהיה נכון לבצע אנליזה בכדי לחזות את השקיעה האפשרית הנובעת מדפורמציה פורואלסטית.
האדמה שנמצאת מתחת ובסביבתו של מבנה משפיעה ישירות על אמינותו. כאשר החלה הבנייה של מגדל פיזה אי שם בשנת 1173, השתמשו עבור התשתית בחומרים של אדמה רכה, חול וטין. לא מתכון הקרקע הטוב ביותר בלשון המעטה עבור מונומנט המתנסה לגובה של שמונה קומות, ומשהו שבוודאות היה מעלה דגלים אדומים אם היה נבנה בעת המודרנית. כפי שאנחנו יודעים כיום, הקרקע מתחת למבנה לא מסוגלת לתמוך במלואה בכל כובד המשקל, והיא החלה לשקוע בצד אחד. תופעה שאפשר לשייך לתחום של poromechanics.
אז מה זה בעצם פורואלסטיות ופורומכניקה?
פורומכניקה היא המחקר של תווכים פורוזיביים, אשר מלאים בנוזל. החומר הפורוזיבי מורכב מרשת של חרירים, או חללים ריקים, פזורים לכל אורך המוצק או המטריצה. דרך אחת לראות זאת היא ההשוואה הגסה לספוג מלא במים, ממש כמו הלבנים העשויים קרמיקה נקבובית, אשר אתם יכולים לראות בתמונה הבאה, פרט לעובדה שהם היו מוספגים בנוזל.
כאשר משתנה אלסטית צורתה של המטריצה עקב עומסים חיצוניים או לחץ של נוזל, המונח הנכון לכנות זאת הוא "חומר פורואלסטי". כתוצאה מכך, יחס הנפחים בחללים הנקבוביים משתנה. ככל שהנוזל בתוך הנקבוביות יהיה יותר בלתי דחיס, כך תגבר קשיחותו של המבנה הפורוזיבי. יתרה מזאת, סחיטת המטריצה תגרור שינויים בלחץ הנקבובי, אשר בתמורה יגרמו לתנועה של נוזל. Biot Poroelasticity הוא התחום המשמש לתיאור הצימוד הפיזיקלי הנ"ל של הידרודינמיקה (זרימת נוזל) בנקבוביות ודפורמציה אלסטית של המטריצה הפורוזיבית.
כאשר נוזל נשאב החוצה ממאגר, הוא מוריד את הלחץ הנקבובי. כתוצאה מכך, המאמץ שפועל על השכבה הגיאולוגית (הקרקע) משתנה, דבר שמוביל לשקיעה. אנחנו רואים איפה, כי אותו מאגר מספק דוגמא חיה לפורואלסטיות. נוכל להשתמש ב- Subsurface Flow Module, תוסף של ®COMSOL Multiphysics, בכדי לבנות סימולציה של התופעה.

להמשך קריאת המאמר בשפה האנגלית מאתר הבית של ®COMSOL, כולל הסבר על המודל הבנוי של Biot Poroelasticity שנמצא בגלריית המודלים, לחצו כאן.

* חומר פורואלסטי – תיאור של חומר אשר המטריצה המוצקה שלו אלסטית והנוזלית צמיגית

מאמר זה נלקח מהבלוג של COMSOL®

מסמלצים את תופעת ה- Crosstalk של אנטנות במטוס!

בעולם בו מערכות התקשורת בכלי טיס הופכות מורכבות יותר ויותר, לעיתים קרובות ניתן למצוא מספר אנטנות הממוקמות באותו המטוס. הדבר יוצר תופעה הנקראת "ערב דיבור", Crosstalk באנגלית, הפרעה באותות אשר זולגים מקו אחד למשנהו, דבר שעלול להפריע לתפקוד של כלי הטיס. במודל אשר יוצג בפירוט במאמר זה, נראה כיצד לבנות בתוכנת COMSOL Multiphysics® 5.1 סימולציה של ההתערבות בין שתי אנטנות זהות – אחת משדרת והשניה מקבלת – במרכב של מטוס, במטרה לנתח את ההשפעה של תופעת ה- Crosstalk. תעופה יעילה לאנטנות יש תפקיד משמעותי בעולם התעופה. הטייסים מסתמכים עליהן במטרה להבטיח כי כלי הטיס שומר על הפוזיציה ועל היישור הבטוחים והנכונים. הדבר חשוב ביותר במיוחד במצבים בהם הראות לקויה, כמו בלילה ובתנאי מזג אוויר לא נוחים. על כן, כדי להבטיח טיסה בטוחה, אנטנות אלו מוכרחות להיות בעלות אמינות גבוהה. מיקומן של מספר אנטנות במרכב בודד של מטוס עשוי להיות בעייתי, שכן עלולה להתרחש התופעה של "Crosstalk" – "ערב דיבור". תופעה זו מתרחשת כאשר אותות אלקטרומגנטיים מאנטנה אחת מתערבבים עם האותות של אנטנה אחרת ויוצרים הפרעות. כאשר הפרעה מתרחשת בין אנטנה משדרת המשדרת לאנטנות על הקרקע ולמתקנים קולטים המקבלים אותות מאנטנות על הקרקע, הדבר עלול להשפיע על התפקוד של כל כלי הטיס. ע"י סימולציה של Crosstalk אנטנות במרכב של מטוס, ניתן לקבוע היכן למקם את האנטנות המשדרות והמקבלות בכדי להבטיח תקשורת יעילה ובטוחה. לצורך כך, בואו נעיף מבט על מדריך חדש אשר שוחרר עם ®COMSOL Multiphysics גרסא 5.1. סימלוץ Crosstalk במרכב של מטוס מודל המטוס עשוי מגוף מתכתי ושתי אנטנות, בחלק העליון של המרכב ובחלק התחתון. השטחים העשויים מתכת ממודלים עם מוליך חשמלי מושלם (PEC – PERFECT ELECTRIC CONDUCTOR). את המטוס מקיף מרחב כדורי של אוויר, אשר סגור ע"י שכבות תואמות מושלמות (PMLs – PERFECTLY MATCHED LAYERS), אשר מחקות מקום פנוי אינסופי. ה- PMLs מבטיחות כי אין כלל השתקפות מהגבול של המרחב האווירי. האנטנות עשויות מרצועות מתכת בבלוק דיאלקטרי. הן הוקטנו עם תכנון של קו מעוקל, אשר מקטין את העכבה החשמלית הנכנסת שלהן שתהיה נמוכה מהעכבה החשמלית המיוחסת של 50 אוהם. טכניקת עיצוב אנטנת מוט יחיד מתקפלת על מישור קרקע גדול משמשת להתאמת עכבה חשמלית נמוכה התחלתית. בסימלוץ האנטנות מוקם גם lumped port ברווח שבין הקו המעוקל ומרכב המטוס. פרמטרים S חושבו מה- lumped ports הללו כדי להראות את התכונות התואמות של האנטנות כמו גם את רמת ההפרעה שלהן האחת עם השניה כאשר ממוקמות בקונפיגורציות שונות. הסימולציה מציגה אזורים מוצלים ומוארים של מרכב המטוס. אזורים מוצלים הם תחומים בהם מבנה המטוס, כמו הכנפיים, הסנפירים, והמדפים, מעכבים את יכולת השידור של האנטנה המשדרת. מהצד השני, החלקים המוארים אינם מופרעים ע"י אף ציוד. המשמעות היא שהאזורים המוצלים הינם מיקום טוב יותר לאנטנה הקולטת, כיוון שתהיה פחות הפרעה מהאנטנה המשדרת, בעוד שהאזורים המוארים פחות אידיאליים. האיורים הבאים מציגים את עוצמת השדה החשמלי של האנטנה המשדרת ואת ההשפעה שלה על האנטנה הקולטת בשלוש תצורות שונות. הנוכחות של אזורים מוארים ומוצלים עוזרת בקביעת המיקום הטוב ביותר של האנטנות במרכב המטוס. בסט חלופי של תמונות, המוצגות מטה, התנהגות השדה החשמלי מוצגת על סקלאת הדציבלים כאשר האנטנה הקולטת נבחנת בשלושה מיקומים שונים החל באחורי ועד לקדמת מרכב המטוס. מתמונות אלו אנו יכולים להסיק שהאזורים המוצלים הם הכי טובים כאשר האנטנה ממוקמת בצד האחורי של המטוס. עובדה זו מאושרת כאשר משווים את שלושת פרמטרי ה- S המחושבים בשלושת הקונפיגורציות השונות הללו. ע"י מידול של Crosstalk אנטנות עם ®COMSOL Multiphysics גרסא 5.1 ומודול RF, באפשרותכם לבצע אופטימיזציה למיקום של האנטנות על מרכב המטוס לטובת תכנון כללי מעולה המבטיח טיסה בטוחה.

גישת המולטיפיזיקליות הופכת את היוצרות ומשנה סדרי עולם

אחד האתגרים הגדולים והמשמעותיים ביותר עימם מתמודדים מפתחים ומתכננים של מוצרים ותהליכים ברחבי העולם, מדיי יום, הינו ההשפעות שיש לתופעות פיזיקליות שונות ומגוונות על הפיתוח. כל מוצר או תהליך שעומדים לצאת לשוק מחזיקים אחריהם מערך שלם של תכנונים, שרטוטים, בדיקות והערכות, על מנת לייצר אותם בצורה המושלמת.
בעבר השיטה היחידה שעמדה לרשותם של מהנדסי הפיתוח הייתה להניח מולם את דרישות המוצר הספציפיות, לשרטט את התרשים המשוער, ולפתח אב טיפוס. עליו היו נבדקים אילוצים פיזיקליים מגוונים, בהתאם לסוג המוצר, לרבות מעבר חום, אלקטרומגנטיות, שדות חשמליים, רדיואקטיביות ועוד. כל סטיה הכי קטנה מהרצוי, פיזיקה שמשפיעה בצורה לא רצויה על המוצר, הדבר הכי פעוט היה מחזיר את המתכננים אל שולחן השרטוטים, שם היו מבצעים את השינויים הנדרשים, משקיעים שעות, ימים, שבועות, חודשים או שנים, ומפתחים אבי טיפוס רבים, עד שהיה מתקבל המוצר המושלם.
מיותר לציין שהתהליך היה גוזל משאבי זמן וכסף אדירים, אך לא היה פתרון אחר. תומאס אדיסון אמר פעם "לא נכשלתי, רק מצאתי 10000 דרכים שאינן עובדות". כיום כשהטכנולוגיה כל כך מפותחת, ברור לכולם שגישה זו פרימיטיבית ואנכרוניסטית.

אז מהו הפיתרון האידיאלי לשנות האלפיים? בשתי מילים – הגישה המולטיפיזיקלית! או מעט יותר בהרחבה – תוכנת ®COMSOL Multiphysicsהמתקדמת, אשר פועלת בשיטת האלמנטים הסופיים, מיועדת לבניית סימולציות מולטיפיזקליות, מכילה את כל התופעות הפיזיקליות הקיימות, משוואות והגדרות מתמטיות והנדסיות, ומתפקדת כמעבדה וירטואלית עם תאימות מלאה לניסויי שטח.
אז מה זה בכלל מולטיפיזיקליות?

גישת המולטיפיזיקליות קשורה ל- סימולציות נומריות הכרוכות במודלים פיזיקליים מצומדים, קרי שפועלות בהן מספר תופעות פיזיקליות באופן סימולטני, בין אם תופעות אשר קשורות אחת לשניה, מתנגשות או משתלבות האחת באחרת, או משפיעות כל אחת באופן עצמאי על המודל. לדוגמא השילוב בין קינטיקה כימית ומכניקת הזורמים, או השילוב בין אלנטים סופיים ודינמיקה מולקולארית. מולטיפיזיקליות לרוב עוסקת בפתרון מערכות מצומדות של משוואות דיפרנציאליות חלקיות.

סימולציות פיזיקליות רבות קשורות במערכות מצומדות, כגון שדות מגנטיים וחשמליים עבור אלקטרומגנטיות, מאמץ ומהירות בסאונד, או החלקים האמיתיים והמדומים של פונקציית הגל במכניקת הקוונטים. מקרה נוסף הינו קירוב השדה הממוצע עבור המבנה האלקטרוני של האטומים, היכן שפונקציות השדה החשמלי וגל האלקטרון מצתמדים.

פריצת דרך זו של גישת המולטיפיזיקליות, כאשר היא מיושמת בצורה כה מדויקת, מקצועית ומתקדמת כפי שהיא בתוכנת ®COMSOL Multiphysics, חוסכת מאות שעות של תכנונים, פיתוחי אבי טיפוס, שרטוטים, זמני מעבדה, כוח אדם וכסף רב.
מפתחי המוצרים פשוט מייבאים את השרטוט הרצוי להם לתוך ממשק העבודה של התוכנה, מבצעים באופן וירטואלי את כל השינויים הדרושים להם, בוחרים את התופעות הפיזיקליות שיפעלו על המודל, את המשתנים והפונקציות הרלוונטיים, ומפעילים סימולציה מהימנה שמציגה דוח אנליזה נומרית מפורט אודות התוצאות. ישנה מגבלה אחת ויחידה בתהליך מולטידיסיפלינרי מדהים זה – הדימיון של המשתמש. מעבר לזה אפילו השמים הם כבר לא הגבול. חברת נומריקל הינה המשווקת הבלעדית של תוכנת  ®COMSOL Multiphysics בישראל.
לקבלת פרטים נוספים, הרשמה לסדנת היכרות של התוכנה בחינם ועוד, השאירו פרטים בטופס ההרשמה ונשוב אליכם בהקדם.

התוכנה שתאגד עבורכם את כל המשוואות של הפיזיקאים הגדולים בהיסטוריה

חברות רבות מתכננות ומפתחות מוצרים. כל המשוואות המתמטיות עומדות לנגד עיניהן, התופעות הפיזיקליות הרבות אותם חקרו הפיזיקאים הגדולים פרוסות לפניהן. הן מחפשות כלי יעיל, נוח ומשוכלל שיודע לאחד יחדיו את כל המשוואות, ההגדרות והתופעות, ולצמד אותן על מנת לקבל את התוצאות הרצויות להן.

רק כלי אחד יודע לעשות את העבודה על הצד הטוב ביותר עם כל צימוד של תופעות פיזיקליות – ®COMSOL Multiphysics! תוכנת האלמנטים הסופיים המובילה עוסקת בבניית סימולציות של מודלים מכל הסוגים תוך בדיקת השפעתן של תופעות פיזיקליות על המודל כולל צימוד רלוונטי ורצוי.
למעשה גישת המולטיפיזיקליות של תוכנת ®COMSOL הינה יכולת השילוב של מספר תופעות פיזיקליות במהלך תיאור של תהליך או מערכת. פיזיקות עשויות להיות בלתי מצומדות, בעלות צימוד רופף, או מצומדות בחוזקה, הווה אומר מנהלות אינטראקציות רבות האחת עם השניה.
נניח שאתם מעוניינים לייצר מוצר בו פועלת תופעה של מעבר חום וכן תופעות אלקטרומגנטיות שונות. רק ע"י תוכנת ®COMSOL Multiphysics תוכלו להשתמש בו זמנית במשוואות הרלוונטיות לכל תופעה, ליצור איזה צימוד של תופעות פיזיקליות שמתאים לכם, ולבנות סימולציה מהימנה עם תוצאות תואמות מציאות – מעבדה ניסויית וירטואלית אמינה, מדויקת ואפקטיבית שבעתיים מכל אופציה אחרת.
הפיזיקאים שחיו לפני 150 ו 200 שנים פיתחו תיאוריות, משוואות והגדרות עבור אינספור התופעות הפיזיקליות הקיימות בעולם. בשנות ה 2000 תוכנת ®COMSOL Multiphysics היא הכלי האידיאלי ללקיחת המשוואות הללו, צימודן על פי דרישות התכנון, ובחינת השפעת כל תופעה פיזיקלית על המודל בדרך של סימולציה מדויקת.

CAE – Computer-Aided Engineering: הנדסה בעזרת מחשב

הנדסה בעזרת מחשב, או הנדסה מבוססת מחשב, הינה השימוש הנרחב בתוכנת מחשב במטרה לסייע במשימות ניתוח הנדסיות. הנושא כולל את התחומים אנליזת אלמנטים סופיים – FEA Finite Element Analysis, דינמיקה חישובית של זורמים – CFD Computational Fluid Dynamics, דינמיקה של גופים מרובים Multibody Dynamics, ואופטימיזציה.

כלי תוכנה אשר פותחו במטרה לתמוך בפעילויות מהסוגים הללו נחשבים ככלים של CAE – Computer-Aided Engineering – הנדסה בעזרת מחשב. משתמשים בכלי CAE למשל בניתוח האיתנות והביצועים של רכיבים והרכבים. המונח כולל סימולציה, ולידציה (תיקוף), ואופטימיזציה של מוצרים וכלי ייצור. מערכות CAE מתעתדות להיות, וכבר הופכות לספקיות עיקריות של מידע המסייע לצוותי תכנון בקבלת החלטות. הנדסה בעזרת מחשב מנוצלת בתחומים רבים כמו תעשיות הרכב, התעופה, החלל ובניית אוניות.

בהקשר של תקשורת נתונים, מערכות CAE נחשבות אינדיבידואלית כצומת בודד ברשת תקשורת כוללת, וכל צומת עשוי לתקשר עם צמתים אחרים ברשת.

מערכות CAE מספקות תמיכה לעסקים. הדבר מושג ע"י השימוש בארכיטקטורות התייחסות (Reference Architectures) ויכולתן למקם תצפיות מידע על תהליך העסק. ארכיטקטורת התייחסות היא הבסיס למודלי מידע, בייחוד מודלים של מוצרים ותהליכי ייצור.
תחומים ושלבים בהם משתמשים ב- CAE

• אנליזות חוזק על רכיבים והרכבים ע"י שימוש באנליזת אלמנטים סופיים – Finite Element Analysis.
• אנליזה תרמית ואנליזת זרימה – דינמיקה חישובית של זורמים – CFD – Computational Fluid Dynamics.
• דינמיקת גופים מרובים – Multibody Dynamics, וקינמטיקה.
• כלי אנליזה לתהליכי סימולציה עבור פעולות כגון יציקה, עיצוב בתבנית, עיבוד בלחיצה.
• אופטימיזציה של מוצר או תהליך.
• אנליזות בטיחות למניעת תאונות הנגרמות בשל דליפה גרעינית בכור גרעיני, ע"י שימוש בקוד תרמי-הידראולי מעשי.

באופן כללי ישנם שלושה שלבים בכל משימת הנדסה בעזרת מחשב:

• קדם תהליך – הגדרת המודל והפקטורים הסביבתיים שיהיו מיושמים בו.
• פותרן אנליזה – האלמנט שאחראי על כל תהליך הפתרון של האנליזה הנבדקת (בדרך כלל מבוצע במחשבי-על).
• ניתוח התוצאות לאחר התהליך (ע"י שימוש בכלים ויזואליים).

תהליך זה הוא איטרטיבי, לרוב פעמים רבות, או בצורה ידנית או ע"י שימוש בתוכנת אופטימיזציה מסחרית.

CAE בתעשיית הרכב
כלים של CAE נמצאים בשימוש נרחב בתעשיית הרכב. למען האמת, השימוש של מפתחי ויצרני הרכב ברחבי העולם בתוכנות CAE אפשרו להם לצמצם את עלויות הפיתוח של מוצרים ואת הזמן בתהליך, בעוד שהם משפרים את הבטיחות, הנוחות והקיימות של כלי הרכב שהם מייצרים. יכולת החיזוי של כלי CAEהתקדמה עד לנקודה בה רוב וריפיקציות התכנון נעשות כיום בעזרת סימולציות מחשב במקום בדיקות של אבי-טיפוס ממשיים.

למדו איך לפתור בקלות תופעות מעבר חום בעזרת תוכנת סימולציות מולטיפיזיקליות מתקדמת

הבקרה אחר מעבר חום מרכיב אל סביבתו היא קריטית לתפעולם של תהליכים תעשייתיים רבים. לדוגמא, קירור רכיבים אלקטרוניים נדרש על מנת לשמר תפעול בטוח ולהרחיב את זמן החיים של הפעולה, בזמן שפעמים רבות נדרש למנוע את עליית הטמפרטורה בחומרים בכדי לפתח תכונות של מיקרו-מבנים שמספקים מאפיינים קבועים.
בעיית מעבר החום יכולה להיות מנותחת ע"י שימוש ב- ®COMSOL Multiphysics והתייחסות שלה לתנאים עם או בלי טרנספורמציה הדרגתית. כאשר לא מתבצעת טרנספורמציה הדרגתית בכלי נוזל הקירור, היקף בזבוז החום הוא פונקציה של הובלה וזרימת חום אל נוזל הזרימה. תנאי הזרימה וגיאומטריית הרכיב עשויים להביא להתרוממות של מערבולת זרימה אשר משפיעה על פיזור חום על פני השטח.
אנליזת מעבר חום תחת תנאים כאשר מתרחשת טרנספורמציה הדרגתית בנוזל הקירור היא מורכבת יותר וחייבים להתחשב בטווח האפקטים הקרובים לקיר אשר עולים מסוגים שונים של הרתחות. תהליכי הרתיחה הקרובים לקיר אשר משפיעים מאוד על מעבר חום מהצד אל האמצע פועלים בקנה מידה שהוא בהרבה יותר קטן מגודלו של הרכיב.
על מנת להתאים את קני המידה השונים הללו, הפיזיקות התלת מימדיות המורכבות שליד הקיר מנותחות ב- ®COMSOL Multiphysics תוך שימוש בסט של משוואות אשר נפתרות רק על קירות הרכיב. תחת תנאים אלו, אנליזה נומרית מדויקת של מעבר החום יכולה להתקבל עבור שיעורי מעבר החום השונים בתוך השלב של הנוזל או הגז והאפקט של תצורת הגז בהתנהגות הזרימה.
בפועל, כבישה במהלך טיפול בחום כוללת זרימת נוזל כפויה וכמו כן זרימת נוזל שמוצגת ע"י הטרנספורמציה ההדרגתית מנוזל לגז. כדי לספק אנליזה שלמה של תבנית הזרימה בתוך מיכל כבישה ותוצאות תפוצת החום בדגימה, האפקט של שני רכיבי נוזל הזרימה חייב להיות משולב.
תופעות פיזיקליות רבות, שונות ומגוונות, בנושא של מעבר חום מנותחות בצורה מדויקת ותואמת את המציאות בתוכנת ®COMSOL Multiphysics בעזרת סימולציות נומריות וכלים מולטיפיזיקליים מתקדמים. כך חוסכות חברות רבות ברחבי העולם משאבים אדירים של זמן וכסף, ומקבלות תוצאות בצורה וירטואלית, ללא הצורך בייצור אבי טיפוס רבים.