"פיתוח חומרים והתקנים תרמו-אלקטריים ומידול בשיטת האלמנטים הסופיים באמצעות ®COMSOL Multiphysics"

– עבודת מחקר של הסטודנט עדן חזן במסגרת התואר השני בחוג להנדסת חומרים – אוניברסיטת בן גוריון, בהנחיית ד"ר יניב גלבשטיין

פיתוח חומרים והתקנים תרמו-אלקטריים ומידול בשיטת האלמנטים הסופיים באמצעות ®COMSOL Multiphysics

עבודת מחקר של הסטודנט עדן חזן במסגרת התואר השני בחוג להנדסת חומרים – אוניברסיטת בן גוריון, בהנחייתו של ד"ר יניב גלבשטיין:

עדן חזן מספר על המחקר ועל השימוש היעיל והחיוני בתוכנת ®COMSOL Multiphysics:

"במסגרת העבודה פותח צמד תרמואלקטרי אשר מציג ביצועים תרמואלקטריים מהגבוהים שפורסמו בעולם".

"על מנת להגיע לביצועים שכאלה בוצעה אופטימיזצייה לצמד זה שהתאפשרה אודות למודל שפותח בתוכנת ®Comsol Multiphysics".

"כל המודלים המפורסמים אינם לוקחים בחשבון את תלות התכונות הפיזיקליות של החומרים בטמפ', מתייחסים רק לדגמים הומוגניים ואינם לוקחים בחשבון את השפעת הסביבה על הביצועים".

במודל שפיתחנו ב- ® COMSOL Multiphysicsהצלחנו להתגבר על מגבלות אלה:

1. לראשונה הוצג מודל בו תלות התכונות הפיזיקליות בטמפרטורה נלקחת בחשבון.
2. המודל מסוגל להתמודד עם אלמנטים מדורגים הנקראים בספרות המקצועית FGM-Functionally Graded Materials.
3. ב- ® COMSOL Multiphysicsניתן לפתור בעיות פיזיקליות בתנאי סביבה שונים כמו בידוד תרמי, הסעה מאולצת ועוד.

מקורות חשמל מתחדשים וברי-קיימא הינם נושא למחקר מתמשך בשנים האחרונות, על מנת לצמצם את התלות בדלקי מאובנים (פחם, נפט, גז טבעי), ולטובת שמירה על סביבה טובה יותר. תרמואלקטריות, השיטה בה מומר חום לחשמל בצורה ישירה, מציגה יתרונות מעניינים רבים יחד עם חסרון אחד בולט של יעילות המרה נמוכה, בהשוואה לחלק מהטכנולוגיות המתחרות. שילוב של גנראטורים תרמואלקטריים לטובת ניצול החום המבוזבז שנוצר במפעלים תעשייתיים, מנועים של מכוניות ועוד, והפיכתו לחשמל שימושי, מצריך מאמצים משותפים הן בפיתוח של חומרים תרמואלקטריים חדשים ויעילים, והן בטכניקות סימולציה מתקדמות.

במחקר הנוכחי פותח אלמנט תרמואלקטרי מדורג מתקדם מסוג n המבוסס על המטריצה החומרית (PbSn0.05Te)0.92(PbS)0.08המציגה מנגנון מטלורגי של היפרדות פאזות. לטובת הערכת הפוטנציאל התרמואלקטרי של חומר זה, בשילוב עם החומר שדווח בעברGe0.87Pb0.13Te מסוג p אשר מראה ערכי גורם טיב תרמו-אלקטרי (מדד ליעילות של חומר תרמו-אלקטרי. ערכים מקובלים בספרות הינם 1) יוצאי דופן עם ערך של 2.2, פותח וקיבל תוקף בניסויי מודל תרמו-אלקטרי בשיטת האלמנטים הסופיים, אשר לוקח בחשבון מאפייני חומרים תרמואלקטריים תלויי טמפרטורה, התנגדויות מגע, תרומת חום Thomson וחום Joule עבור כל מאזני החום במודל.

עדן חזן מספר על המחקר ועל השימוש היעיל והחיוני בתוכנת ®COMSOL Multiphysics:
התוצאות חוזות, עבור הצימוד התרמואלקטרי שנחקר, יעילות תרמואלקטרית מרשימה מאוד של 14%, שזה גבוה ביותר מ- 20% מהערכים הקודמים שדווחו בעבודה תחת משטר טמפרטורה קרה וחמה של 50 ו- 500 מעלות צלסיוס בהתאמה, מה שמעיד על פוטנציאל גבוה יותר מאי פעם לשילוב מעשי ביישומים ממונעים.
מידול בשיטת האלמנטים הסופיים של הביצועים התרמואלקטריים הצפויים של הצימוד התרמואלקטרי שנחקר, התבסס על תכונות חומרים תלויי טמפרטורה, טמפרטורות חמות וקרות אופייניות של חום שיורי ביישומים ממונעים, ופרמטרים גיאומטריים אופטימאליים של האלמנטים התרמואלקטריים אשר חוברו בגשרי נחושת (תכונות הנחושת נלקחו מתוך ספרי החומרים בתוכנה).
משוואת מעבר החום, ע"י שימוש בממשק פיזיקת מעבר חום בתוכנת ®COMSOL Multiphysics , יושמה לשם חישוב פרופילי התפלגות הטמפרטורה לאורך כל אחד מהסגמנטים של האלמנט המדורג מסוג n והאלמנט ההומוגני מסוג ,p כפי שנראה במשוואה הבאה:

כאשר A שטח החתך, I הזרם החשמלי, α הוא מקדם Seebeck , κ המוליכות התרמית ו-ρ ההתנגדות החשמלית הסגולית של כל אחד מהאלמנטים בצמד.
כדי לפתור משוואה ממעלה שנייה שאינה ליניארית כמו זו, יש לפתח מודל תרמואלקטרי מדויק, ועל כן פנו החוקרים לכלי החישוב העוצמתי והאמין של ®COMSOL Multiphysics.

תנאי הגבול שיושמו עבור הצימוד התרמואלקטרי בסימולציה, רשומים במשוואות הבאות:

כאשר ממדלים אלמנט תרמואלקטרי מדורג, חשוב מאוד לכלול חום PELTIER, שנוצר מההיווצרות של החיבור החדש בין הסגמנטים העליון והתחתון של החומר מסוג .n על מנת לקחת בחשבון את תרומתו של אפקט חום זה, המודל הנוכחי כולל אזור ביניים אינפיניטסימאלי בין הסגמנטים העליון והתחתון של החומר מסוג n, אשר הוגדר בתוכנה כיצרן חום, כפי שרואים במשוואה הבאה:

משוואות מאזן החום בצד החם ובצד הקר של הצמד התרמו-אלקטרי, ניתנות במשוואות הבאות, בהתאמה:

בשתי המשוואות המתוארות, האיבר הראשון מייצג את חום PELTIER שמתפתח בכל אחד מהצמתים, שני האיברים האמצעיים מייצגים את מעבר החום שעובר בקטעים, והאיבר האחרון מייצג את חום ג'אול שמתפתח לאורך מגעי הנחושת.
תחת תנאים אלו, הספק החשמל הכולל, P , שהתפתח בנגד העומס, RL מתואר במשוואה הבאה:

עבור כל החישובים, אחוז השגיאה נמצא כנמוך מ- 0.1%, דבר המצביע על אמינות ודיוק גבוהים של הפרמטרים המצומדים שחושבו. יתרה מזאת, במטרה להימנע מזמני חישוב ארוכים, המודל נפתר תוך לקיחה בחשבון תנאי גבול שאינם כרוכים בשינוי חום, אף על פי שתוכנת ®COMSOL Multiphysics מאפשרת שינויים אלה.
ערכי ההספק החשמלי המופק והניצולת התרמואלקטרית, של הצמד התרמואלקטרי שנחקר, אשר עברו סימולציה, תוך התחשבות במאפייני החומרים תלויי הטמפרטורה ותרומות המגעים, ביחד וכל אחד לחוד, בהשוואה למודל בסיסי המתחשב בערכים ממוצעים, שהוא הנפוץ ביותר בספרות, מוצגים באיור הבא:

לסיכום, שימוש בתוכנה ®COMSOL Multiphysics יחד עם פיתוח חומרים תרמו אלקטריים משופרים אפשרו לראשונה קבלת ביצועים חשמליים ותרמו אלקטריים מהגבוהים המדווחים בספרות המקצועית יחד עם אמינות ודיוק בערכים שהתקבלו. יחד עם זאת, ממשק התוכנה מאפשר את בחינת הביצועים כתלות בפרמטרים רבים כמו תנאי סביבה, גיאומטריה ועוד.

סימולציה ב- ®COMSOL Multiphysics מסייעת בהערכת התנהגות צינורות פלדה ומציאת פגמים מבחינה אלקטרומגנטית

חברת סלזגיטר מנסמן פורשונג משתמשת בסימולציה על מנת לאמוד את התנהגותם של צינורות פלדה במהלך בדיקה אלקטרומגנטית, ובכדי לשפר את הליך הערכת פגמים חבויים.

כאשר נוצר סדק בצינור פלדה כבד, השאלה המרכזית היא מה רמת הדליפה. בטיחות קודמת לכל, אך גם על הפרק עומדים דדליינים רבים ואלפי יורואים שמושקעים בפרוייקטים. זהו אתגר גדול במיוחד עבור יצרני רכיבים מאוד גדולים, בייחוד אלו הפועלים תחת לחצים גדולים וטמפרטורות גבוהות.
פרוצדורות בדיקת איכות מבוצעות בתהליכי ייצור הפלדה, ואחת משיטות הבדיקה הלא הרסניות הנפוצות ביותר בהן נעשה שימוש הינה פיקוח על דליפת שטף מגנטי, אשר כולל מיגנוט חלק של צינור פלדה. שיטת הפיקוח הנדונה מכילה כלי רתמה בצורת פרסה עם סליל שמלופף על כל קצה. זרם של 3 kHz מופיע לסירוגין בסלילים אשר מחולל שדה מגנטי צר, וכל דליפה בין שני הסלילים נמדדת ומעידה כי חוסר ההמשכיות בחומר יכולה להיות זרימה.
אוליבר נמיץ ותיל שמיט, חוקרים בסלזגיטר מנסמן פורשונג, אשר מפתחת שיטות בדיקה עבור קבוצת סלזגיטר, רואים את פוטנציאל השימוש בסימולציות FEM (שיטת האלמנטים הסופיים) במטרה לקבל תמונה ברורה של מאפייני הזרימה. "מדובר על צינורות שעשויים להיות בקוטר של 500-600 מילימטר, קירות בעובי 50 מילימטר ואורך 12 מטר. מטרת העל הינה לבנות סימולציה ולבדוק כמה השוני בין גיאומטריות זורמים וגדלים משפיע על האות הנמדד, כך שנוכל להעריך נכונה את צורתו וגודלו של הזורם".

מערכת לפיקוח בעזרת מודל

מודל הסימולציה נוצר בעזרת מודול ה DC/AC של ®COMSOL Multiphysics ומציג מלבן פלדה בגובה 10 מילימטר ורוחב 115 מילימטר. נמיץ ושמיט צפו כי זמני החישוב יהיו ארוכים ולכן הם קודם בנו מודל דו מימדי בו הזרם שעובר בסלילים הוא אנכי למישור הגיאומטרי. הצורה הגיאומטרית והמיקום של הזורם המלאכותי, יכולים לקבל פרמטרים ע"י שרטוט של ®MATLAB.

כיוון שמערכת הדו מימד מסוגלת להתחשב רק בזורמים סימטריים מאוד, השלב הבא היה לבנות מודל תלת מימד. רישות צפוף מאוד שיתחשב באפקט קליפה בגבולות, יביא בסופו של דבר לתוצאות של קרוב ל 20 מיליון דרגות חופש וזמני חישוב ארוכים מאוד. בכדי להתעלם מזה החוקרים השתמשו בסימטריה כדי להקטין את גודלו של המודל ברבע ואז הוסיפו רישות סחף בגבולות. החישוב בוצע עם 4.7 מיליון דרגות חופש, אך על אף התאמה זו היה אפשרי בלבד לחקור חריצים סימטריים.

בשלב זה החליטו החוקרים לפנות לתנאי סף אימפדנסי על מנת לאפשר את אפקט הקליפה. בעזרת זה, נפחו של המוליך לא חייב להיות ממודל. הערכה בלבד עשויה להיות תקפה אם עובי הפלדה הוא יותר מפי ארבע מעומק העור. בהתחשב בכך שהפלדה היא פי 21 עבה יותר מעומק העור, גישה זו תקפה.
רק פני השטח של אובייקט הפלדה היה חייב להיות מרושת והחוקרים הורידו את המודל ל 1.7 מיליון דרגות חופש. זה כלל את כל הגיאומטריה התלת מימדית והיה אפשרי להגדיר חריצים שרירותיים. כדי לתת תוקף למודל, מידע ממידע הסימולציה הושווה עם מידע נמדד מצינורות בדיקה אשר הכילו חריצים בעומקים שונים. התוצאות הראו איכות קורלציה גבוהה של האותות.

הסיפור נלקח ממגזין 2012 ®COMSOL

טכניקת הפעלה לרובוטים מיניאטוריים פותחה בעזרת סימולציה מולטיפיזיקלית ב- ®COMSOL Multiphysics

חוקרים בוועדה הצרפתית לאנרגיה אטומית ואנרגיות חלופיות הופכים מניפולטורים רובוטיים מיניאטוריים לקלים יותר לבניה ולהפעלה. הצוות מקווה להציע אקטואטור זול יותר מזה שנמצא כרגע בשימוש במכשירי ניתוחים. יום אחד, אולי הדבר ייצור מהפכה בשיטות שנראות על שולחן הניתוחים.

ניתוח בעל פולשנות מינימאלית תלוי בכלים קטנים וגמישים בעל הפעלה אמינה וביצועים עקביים. מתקנים רובוטיים נכנסו לחדר הניתוח כאסיסטנטים בתהליכים המצריכים שעות של עמידה בחלק של הניתוח. הבעיה היא שמתקני ניתוח רובוטיים רבים הם יקרים מאוד, מגושמים ומתישים להפעלה. כריסטין רוטינט, חוקרת במעבדת השילוב הטכנולוגי מערכתי של הוועדה הצרפתית לאנרגיה אטומית ואנרגיות חלופיות, מבקשת למצוא אלטרנטיבה.

שיפור חווית הניתוח דרך הפעלה בשלב-שינוי
מטרתה של רוטינט לספק למנתחים כלים רובוטיים ורסטיליים שיוכלו להרשות לעצמם, אשר יפחיתו את הכאב שגוררים אחריהם ניתוחים ארוכים. על המכשיר להיות אינו יקר, מיניאטורי, מספק כוחות גדולים עם תזוזות רבות באופן יחסי, בעל צריכת חשמל סבירה, ועומד בדרישות הרפואיות. לדוגמא, וולטאז'ים גבוהים אינם בטוחים, ושדות מגנטיים לא יכולים להופיע בסביבת ציוד כמו מכונות MRI.

רוטינט חקרה אקטואטורים מיניאטוריים בשלב-שינוי, שיוצרים תזוזה וכוח מהתפשטות הנפח שמתרחשת כאשר חומר עובר ממצב צבירה מוצק לנוזל. היא חיפשה חומר עם שיעור התפשטות גבוה וטולרנס מאמץ, ושלב שינוי שמתרחש בטמפרטורה שבין טמפרטורת הגוף של המטופל והגבול המותר. רוטינט בחנה מיקרו-אקטואטור שפותח ע"י חברת Goldschmidtboing. המכשיר עובד על פראפין, פחמימן שעוותי אשר מתרחב כ- 10-20 אחוז מנפחו כאשר מתחמם והופך ממוצק לנוזל. הוא שולב עם חלקיקים שחורים כפחם, מה שיצר תערובת מוליכה שתתמוך בחום ג'אול כאשר עובר בה זרם חשמלי.
המיקרו-אקטואטור של Goldschmidtboing מכיל תא שממולא בפראפין מוליך בריכוז שחור כפחם של שני אחוזים, מכוסה בקרום סיליקון ובצ'יפ אטימה ממתכת אשר ייצר זרם, מופרדים ע"י שכבת בידוד חשמלית. התפשטות הפראפין גורמת לקרום הסיליקון לסטות החוצה, מניעה את התנועה של האקטואטור. רוטינט והצוות שלה העריכו את ההתנהגות המכאנית והיבטי השליטה של התערובת באקטואטור המיניאטורי, בעוד שהקולגה שלהם פנאגיוטיס לאזארו בנה מודל חיזוי ב- ®COMSOL Multiphysics על מנת לבצע אופטימיזציה לתכנון. בכדי לסמלץ את התנהגות התערובת במתקן, רוטינט ולאזארו כיילו את המודל שלהם בהתבסס על מחקר המיקרו-אקטואטור של Goldschmidtboing.

חיזוי התנהגות האקטואטור ע"י שימוש בסימולציה מולטיפיזיקלית
הסימולציה של לאזארו כללה פרמטרים גיאומטריים, תרמיים, מכאניים וחשמליים. "COMSOL® איפשרה צימוד ישיר של הפיזיקות המעורבות" הוא מסביר. "זוהי בעיה מולטיפיזיקלית עם מוליכות חשמלית שאינה ליניארית, צפיפות וקיבולת חום ספציפית, וצמיגות משתנה, כל אלו משפיעים על הסטייה". ®COMSOL איפשרה לו לחקור בדיוק כיצד כל פרמטר משפיע על התזוזה.
"השתמשנו ב- ®COMSOL ככלי חיזוי. אנחנו יכולים בקלות להשתמש בפרמטרים, לשנות את גובה האקטואטור, את עובי הקרום, ואת תערובת השעווה. יותר מכך, מקדם ההתנגדות גובר ככל שהטמפרטורה עולה, כיוון שחלקיקי הפחמן מתפזרים כאשר הפראפין מתפשט". לאזארו העריך את ההתנהגות הזו ע"י מידול התפלגות המוליכות החשמלית.

הפנים החדשות של הכלים הרובוטיים בניתוחים
לאזארו בנה בהצלחה מודל מולטיפיזיקלי ריאליסטי של אקטואטור בשלב-שינוי, המסמלץ התנהגות מכאנית והיבטי שליטה. הוא משתמש בסימולציה שלו לטובת התכנון והאופטימיזציה של האקטואטור המיניאטורי שמפתחת הוועדה הצרפתית לאנרגיה אטומית ואנרגיות חלופיות, בכדי לייצר את העומסים הגבוהים וטווח התזוזה שהוא ורוטינט חזו. תהיה לו צריכת חשמל נמוכה, הוא יעמוד בדרישות הרפואיות, והוא יפחית את העלויות והנטל של המנתחים. אב הטיפוס – שאמור להסתיים ב- 2014 – ייבדק ביסודיות בטרם ישולב לתוך כלי ניתוח רובוטי. בקרוב נוכל לראות רובוט ניתוחי זול וקל לתפעול, בחדר הניתוחים.

הסיפור נלקח ממגזין 2014 ®COMSOL

גלוקומטר לבדיקת רמות גלוקוז בדם לחולי סכרת פותח בעזרת קומסול מולטיפיזיקס

בדיקה עצמית של רמות גלוקוז בדם היא חיונית לחולי סכרת, אשר באופן קבוע ברחבי העולם מבצעים את הרוטינה של הנחת טיפת דם על סטיק מפלסטיק, והכנסתו לתוך מכשיר שמודד את רמת הגלוקוז, ומכונה גלוקומטר. המכשיר אמנם קטן וצנוע, אך הוא למעשה חיישן מתוכנן היטב. הוא חייב לעמוד במטרות הדיוק של הבדיקה החשובה, להיות קל לשימוש ולייצור, בעלות נמוכה, ולעמוד בסטנדרטים מחמירים של רגולציה רפואית.

חברת LifeScan סקוטלנד בע"מ מקבוצת ג'ונסון&ג'ונסון מתכננת ומייצרת ערכות בדיקת גלוקוז בדם לשוק הגלובאלי, ונחשבת למרכז העולמי למצוינות עבור אלו שעובדים בתחום הסכרת. במשך שלוש שנים חוקרי LifeScan סקוטלנד השתמשו בתוכנת קומסול מולטיפיזיקס על מנת לאפיין תרשימים של חיישנים ביולוגיים חדשים וקיימים.

בעבר, חוקרים ב LifeScan הסתמכו על שיטות אנליטיות בעיצוב המוצר. הם פתרו משוואות דיפרנציאליות חלקיות ע"י פישוט הנחות גיאומטריות, ראגנטים (חומרים המשמשים לריאקציה כימית), ותנאי גבול. מאוחר יותר המודלים התרחבו וכללו זנים כימיים מרובים, אינטראקציות כימיות ואלקטרוכימיה מלאה

למרות שגישה זו של החוקרים הניבה פתרונות שמיצו את רוב המשתנים, זה לא האופטימום במוצרים שחייבים להיות ברמה הכי גבוהה של פיתוח, כיוון שהנחת הנחות מופשטות מתעלמת מאינטראקציות כימיות מפורטות קריטיות.
"מטרתנו היא לפתח סטיקים לבדיקה שיניבו תוצאות במהירות יותר גבוהה, לצמצם עלויות ייצור, ולהגביר את הדיוק כדי לעמוד בדרישות הרגולציה העתידיות", אומר סטפן מקניטוש, מדען בכיר ב LifeScan סקוטלנד. "גיאומטריות מורכבות ומוחלטות נדרשות על מנת לתאר מערכות כאלה, ובמקרים הנ"ל, מודלים מספריים שימושיים יותר ממבנים אנליטיים".
המשוואות מתגלות עם הזמן כמורכבות מאוד, ופועלים בהם משתנים רבים של תגובות כימיות שיש לקחת בחשבון בתהליכי הסימולציה. הפיזיקה מסובכת ולרוב משלבת כוחות רבים שיש לבדוק בסימולציה יעילה, וישנן דיפוזיות חומרים (פעפוע: פיזור של חומר במורד מפל ריכוזים) שחייבים להתחשב בהן. האתגר הוא שמקדמי הפיזור משתנים בדרכים עדינות ומורכבות בהתאם למאפיינים הספציפיים של כל דגימת דם.

לכן החוקרים חייבים להתחשב בגורמים כגון ריכוז המוצר, היחסים האופייניים של תגובות אנזימיות סובסטרטיות, צפיפות, ריכוז זנים מחומצנים, וטמפרטורה. דבר כזה הוא בלתי אפשרי לביצוע מדויק, בשיטות האנליטיות הקלאסיות.

תוכנת קומסול מולטיפיזיקס עזרה למקינטוש לפתח מודלים חזקים מאוד לעבודה, ע"י מספר מודולים שהרחיבו את יכולותיה של חברת LifeScan. המודולים בהם משתמשים מקינטוש וצוות הסימולציה והמידול לעיתים קרובות הינם: "מעבר חום" על מנת ללמוד את תפרוסת הטמפרטורה, ו "בטריות&תאי דלק" על מנת לסייע בפיתוח של ריאקציות אלקטרוכימיות מפורטות. מודולים אלה מוצמדים בקלות ליכולות אחרות שיש לקומסול מולטיפיזיקס: "תעבורת זנים מדוללים" על מנת ללמוד על פיזור חומרים המוני, ו"ממשקים PDE", כדי לחקור תנאי גבול מוגדרי לקוח.
בשל הצלחת העבודה, השימוש בקומסול מולטיפיזיקס מתרחב למעבדת אינברנס, ואדם קרגס, מהנדס אלגוריתם בכיר, מוביל את בניית תשתיות טכנולוגיות המידע הנדרשות. מקינטוש מציין כי קומסול מולטיפיזיקס עזרה באופטימיזציית עלויות נמוכות של מכשיר, מבחינה כימית וגיאומטרית. תפוקות כמו הקורלציה בין ריכוז החומר שאת תכונותיו מודדים במעבדה, לבין הסימן הנוכחי, בפרקי זמן שונים ובמתווים חלופיים, יחד עם שיפועי ריכוז מפורטים אותם התוכנה הפיקה, הגבירו את ההבנה של תכונות האותות וההשפעה של שינויי עיצוב.
מקינטוש מציין כי תוצאות הסימולציה בקומסול מולטיפיזיקס הן בהתאמה טובה מאוד לעבודות הניסוי בהן נעשה שימוש באבי טיפוס ובמערכות קיימות.
הסיפור נלקח ממגזין 2013 ®COMSOL

®COMSOL Multiphysics מסייעת בטיפול MRI יעיל יותר לאיתור גידולים סרטניים

בפרויקט שממש פורץ את הגבולות של מה שנחשב לאפשרי, צוות מטעם ה Cross Cancer Institute בקנדה משלב את האיכות יוצאת הדופן של דימות תהודה מגנטית (MRI) עם עוצמתו של מאיץ החלקיקים הליניארי על מנת לאפשר רדיותרפיה מדויקת להפליא.

אין זו אמת נעימה, אך רדיותרפיה לגילוי סרטן היא טיפול שמלווה בהרבה חוסר ודאות לגבי איתור מדויק של גידולים. מצד שני, סריקת MRI עשויה לסייע בזיהוי טוב של מיקום הגידול, אך היא אינה יכולה לבוא יחד עם רדיותרפיה, כיוון שהאחרונה מלווה במאיץ חלקיקים ליניארי, ושתי הטכניקות מתנגשות. סורקי MRI מוכרחים לקבל אותות עמומים מאוד של גלי רדיו מהמטופל על מנת לייצר תמונה.

מאיץ חלקיקים מייצר כמות גדולה של גלי רדיו, דבר שמפריע לתהליך ה MRI. מאיץ החלקיקים תפקידו לשלוח אלקטרונים למטרה כדי לייצר קרני רנטגן שיהרגו את הסרטן, אך אותם אלקטרונים נחסמים ע"י השדות המגנטיים שמייצר ה MRI. אם שתי המערכות הללו יכלו לעבוד יחדיו, הן היו מייצרות טיפול אידיאלי שיכל לזהות כל גידול במהלך הטיפול. עד לפי כמה שנים הדבר נחשב לבלתי אפשרי, עד אשר צוות מ Cross Cancer Institute באדמונטון, קנדה, הוכיחו כי זה אפשרי מאוד.
אתגר אחר אתגר
פרופסור גינו פלון מאוני' אלברטה באדמונטון קנדה הקים בשנת 2005 כוח משימה לפתרון הבעיה. מאז הצוות הצליח להפיל מחסומים שעד עתה נחשבו לכאלה שלא ניתן להתגבר עליהם. ב 2008 הצוות בנה אב טיפוס שפועל במלואו ומעוצב לאזור הראש. פלון מציין כי היה עליהם להתחשב בתכונות מערכת ה MRI, מאיץ החלקיקים הליניארי, השילוב האופטימאלי ביניהם, והחדר בו ההתקנה החדשה תתפוס מקום. סימולציה לקחה חלק עיקרי בהתקדמות לעבר שימוש רפואי בעולם האמיתי, רדיותרפיה מוכוונת MRI, והצוות השתמש ב- ®COMSOL Multiphysics.
מגנים על מאיץ החלקיקים הליניארי
"השימוש ב- ®COMSOL Multiphysics איפשר לנו לאמת את טולראנטיות מאיץ החלקיקים כלפי השדה המגנטי, ולצמצם את המגן (שנועד להתמודד עם השדות המגנטיים שמייצר מכשיר ה MRI) לרדיוס של 30 ס"מ ועובי של 6 ס"מ. המגן החדש הוא יותר מפי שלוש קל יותר מהמקורי, הרבה יותר פרקטי מנקודת מבט של תכנון הנדסי. בנוסף המגן החדש הפחית בצורה דרמטית את היעדר ההומוגניות בשדה ה MRI ביותר מפי שלוש, שזה חיוני ליצירת חוסר עיוות בתמונת ה MRI".

הסיפור נלקח ממגזין 2013 ®COMSOL

אופטימיזציה עם יישומי סימולציה ב- Application Builder לטכניקות הדפסה תלת-מימדית

לקיחת קונספט של טכנולוגיה חדשה משלב המחקר הראשוני ועד לפתרון המתאים לשימוש תעשייתי, מצריכה בדיקות קפדניות וולידציות. הדפסה תלת מימדית לדוגמא, הופיעה לראשונה בשנות ה- 80 המוקדמות עם רמת מוכנות טכנולוגית (Technology Readiness Level – שיטת מדידה של רמה טכנולוגית לשימוש תעשייתי אשר הוצעה ע"י NASA בשנות ה- 70) של TRL 1, וזה לקח מספר עשורים עד שהשיטה נודעה בשווקים התעשייתיים כשיטת ייצור חדשה ומדהימה שמתעתדת לשנות את העולם
סימולציה של תהליך Shaped Metal Deposition
ארגונים כמו Manufacturing Technology Centre בקובנטרי, אנגליה, מסייעים בגישור הפער בין הקונספט לתעשייה ע"י אספקת המשאבים הנדרשים להבאת תוכנית מהשלב של מחקר ראשוני (TRL 1 – TRL 3ׂ) עד לשימוש מסחרי (TRL 7 – TRL 9). ניסיון נוכחי ב- MTC הינו מחקר בתחום של טכניקת הדפסה תלת מימדית הידוע כ- Shaped Metal Deposition (SMD).
"ל- SMD יש יתרונות על פני טכנולוגיות הדפסה תלת מימדית מבוססות אבקות", אומר בורחה לזארו טוראלס, מהנדס המחקר ב- MTC, אשר השתמש בתוכנת ®COMSOL Multiphysics בכדי לתכנן מודל ויישום סימולציה של תהליך ה- SMD (איור 1). "בין היתרונות של SMD ניתן למנות שיעורי דפוזיציה גבוהים יותר, האפשרות לבנות תכונות חדשות על גבי רכיבים שהתקיימו קודם לכן, ואפילו השימוש בחומרים רבים על אותו החלק".
מתקשרים עם המורכבות בעזרת יישומי סימולציה
MTC ניצלו את ה- Application Builder החדש של ®COMSOL במטרה להתמודד ביותר יעילות עם רעיונות תכנון מורכבים על פני מחלקות סימולציה ותהליכים רבות, וכדי לאפשר למשתמשי היישומים לחקור ביתר קלות את התוצאות של התכנונים המוצעים. ללא השימוש ביישום סימולציה, הבדיקה והוולידציה של התכנון יהיו גוזלי זמן וכסף רבים הרבה יותר, ע"י שימוש בבדיקות פיזיקליות בלבד, בשל החומרים שנעשה בהם שימוש ב- SMD.
סימלוץ SMD מצריך פתירת אנליזה תרמו-מכאנית תלויית זמן מצומדת, אשר חוזה עודפים של מאמצים תרמיים ודפורמציה, אשר מתעוררים במחזורים של SMD תרמי. " בנינו יישום ב- Application Builder המאפשר למשתמש לחזות האם תהליך הדפוזיציה ייצר חלקים אשר נופלים בתוך הטולרנסים המבוססים שלהם" אומר לזארו טוראלס. "אם לא, אז היישום מספק דרך ידידותית וחסכונית לסימלוץ וריאציות רבות של התשומה עד שהתוצאות מגיעות לדפורמציה סופית מקובלת".
עם היישום הזה, המשתמשים יכולים להתנסות בקלות עם גיאומטריות שונות, מקורות חום, דרכי דפוזיציה, וחומרים, בלי להיות מוטרדים ממורכבויות המודל. שתי גיאומטריות פרמטריות מוגדרות מראש כלולות ביישום, וניתן גם לייבא גיאומטריה מותאמת.
כרגע היישום נמצא בשימוש אצל חברים בצוות של MTC שאין להם את הניסיון בסימולציה בכדי לחקור באופן עצמאי חלקים שונים ופרוייקטים עבור הלקוחות שלהם. "אם לא היישום, מומחי הסימולציה שלנו היו חייבים לבדוק כל פרוייקט אותו רצינו לחקור, דבר אשר היה עשוי להפחית את זמינות המשאבים המיומנים. ע"י שימוש ב- Application Builder, אנחנו יכולים כעת לספק ממשקי יישום ידידותיים לצוותים אחרים ב- MTC.
"השימוש ביישומי סימולציה יסייע לנו בפריסת טכנולוגיות עם TRL גבוה יותר עבור השימוש הפרקטי שלהם בסביבה תעשייתית. ה- Application Builder מספק לנו פלטפורמת פיתוח עוצמתית איתה אנחנו יכולים לארוז מודלים מולטיפיזיקליים מורכבים ולהופכם נגישים לציבור הרחב".

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:

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