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

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.

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.

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