ניתוח סימולציה של טרנספורמר: תהליכים עיקריים, אתגרים ונהלי עבודה מומלצים באמצעות כלים של אלמנטים סופיים

1 מבוא

בין אם משתמשים בכל תוכנת ניתוח איבר סופי (כמו COMSOL, Infolytica או Ansys) עבור ניתוח תחנות כוח טרנספורטר—בין אם מתמקדים בשדה חשמלי, שדה מגנטי, שדה זרימה, שדה מכני או שדה קול—התהליך הבסיסי הוא בערך אותו הדבר. הבנה של הנקודות המפתח בכל תהליך היא בסיס להצלחת ניתוח הסימולציה ואמינות התוצאות הסופיות.

2 תהליך סימולציה בסיסי

תהליך סימולציה מדעי ושלם של טרנספורטר כולל שבעה צעדים עיקריים:

3 הבנה של הקושי

טרנספורטר הוא מכשיר חשמלי סטטי, ומבחינת זו, העבודה הסימולטיבית הקשורה אליו היא יחסית פשוטה, שכן הימצאות רכיבים מסתובבים תגדיל באופן משמעותי את הקושי ברוב הסימולציות. למרבה הצער, טרנספורטר הוא גם מכשיר אלקטרומכני לא ליניארי, משתנה בזמן עם קושי חזק של מספר שדות פיזיים, מה שהופך לעיתים את הסימולציה של טרנספורטר לקשה הרבה יותר ואף בלתי פתירה.

לדוגמה, סימולציות של שדות טמפרטורה של טרנספורטר מבוססות על ניתוח זרימה לעתים קרובות נכשלות בניהול תוצאות מדויקות ואמינות. אחת הסיבות היא שהתיאוריה הבסיסית של דינמיקת הזורמים עצמה מורכבת מאוד ולא יצרה עדיין תאוריה מאוחדת ויציבה. מצד שני, סימולציה של שדות טמפרטורה של טרנספורטר דורשת חיבור חזק דו-כיווני של שלושה שדות: "שדה מגנטי—שדה מעבר חום—שדה זרימה". עבור מודל טרנספורטר גדול, הפתרון של שדה זרימה בודד כבר מהווה אתגר, ובנוסף לכך, החיבור האולטרא חזק של שלושה שדות.

כדי להשיג פריצות דרך בנקודות מפתח של סימולציה של טרנספורטר, הנדסת הסימולציה חייבת, מצד אחד, להבין לעומק את התיאוריות, עיצוב, ייצור ובדיקות הקשורות לטרנספורטר, ומצד שני, להיות מיומנת מאוד בפעולת תוכנות הסימולציה ולהבין את טבע פעולתן הפנימי.

4 נקודות מפתח בתהליך
4.1 ניתוח הבעיה

לפני בניית מודל גיאומטרי, נדרש ניתוח מקדים של בעיית הסימולציה כדי לבנות מודל גיאומטרי מתאים לבחור את השדה הפיזי הנכון. למשל, האם בעיית הסימולציה מתמקדת בשדה פיזי בודד או בשדות פיזיים מחוברים חזק?

4.2 בניית מודל גיאומטרי

השלמות של בניית מודל גיאומטרי קובעת אתעילות והתקדמות הסימולציה. ברוב המקרים, יש לבנות מודל גיאומטרי מפושט. אך אם המודל הגיאומטרי מופשט מדי, תוצאות הסימולציה יהיו לא מדויקות ולא יוכלו להוביל לעבודת העיצוב. ברור שקביעת איך לפשט את המודל הגיאומטרי דורש הבנה עמוקה של הבעיה שיש לפתור. למשל, האם מודל גיאומטרי דו-ממדי מספיק? האם יש צורך לבנות מודל גיאומטרי תלת-ממדי? אפילו בבניית מודל תלת-ממדי, quali dettagli possono essere omessi e quali devono essere mantenuti?

4.3 מתן חומרים

חומר עשוי להכיל עשרות פרמטרים פיזיים, אבל רק חלק קטן מהם נחוץ לפתרון בעיה מסוימת.

כאשר מתאימים פרמטרים חומריים ספציפיים, עליהם להיות מדויקים; אחרת, עלולים להתווספו לתוצאות הסימולציה סטיות בלתי מקובלות.

חלק מהפרמטרים הפיזיים של החומרים משתנים בהתאם לפרמטרים אחרים. לדוגמה, בסימולציות טרנספורטר תרמיות-זורם, הצפיפות, קיבולת החום הספציפית והנשיאה החממית של שמן הטרנספורטר משתנות עם הטמפרטורה, והקשרים הללו צריכים לתואר באמצעות פונקציות די מדויקות.

4.4 הגדרת שדה פיזי

עבור השדה הפיזי שנבחר, יש להגדיר את תנאי הפתרון החיוניים, כגון המשוואות הפיזיות ששולטות בבעיה, ביטויי הפעלה, תנאי התחלה, תנאי גבול ותנאי אילוץ.

4.5 יצירת רשת

יצירה של רשת היא אולי הצעד המרכזי אחרי בניית מודל גיאומטרי. באופן תיאורטי, רשתות דקיקות יותר מניבות תוצאות מדויקות יותר. עם זאת, רשתות דקיקות מדי הן לא מעשיות, כי הן מגדילות משמעותית את זמן הפתרון.

העקרון הבסיסי של יצירת רשת הוא להשלב בין רשתות גסות ודקות בצורה מתאימה: לשפר במקום הצורך ולהפוך לגס במקום שאפשר.

יצירה ידנית של רשת היא מאתגרת מאוד ודורשת מהנדסי סימולציה להבין לעומק את הבעיה שיש לפתור.

למרבה המזל, חלק מהתוכנות מציעות פונקציות ייצור רשת אוטומטיות מבוססות פיזיקה, שמתכונות לפשט את תהליך יצירת הרשת. לדוגמה, פונקציית יצירת הרשת האוטומטית של COMSOL עבור מודולי סימולציה של שדה חשמלי היא חזקה מאוד, ומאפשרת יצירה מהירה של מודלים גדולים של מבודדי טרנספורטר במהירות כמעט 40 פעמים מהירה יותר מאשר תוכנות אחרות.

למרבה הצער, פונקציות הייצור האוטומטיות המובנות בתוכנה אינן מספיקות לפתרון בעיות מסוימות, כי תוכנות כלליות אינן יכולות לזהות אזורים הדורשים שיפור רשת—כגון בסימולציות של שדות זרימה.

4.6 פתרון המודל

הէסנס של פתרון סימולציה הוא פתרון מערכות משוואות דיסקרטיות גדולות. זה דורש מהנדסי סימולציה להכיר במתמטיקה רלוונטית, כמו תורת המטריצות ושיטות איטרציה של ניוטון.

חלק מהפתורים של תוכנות הם מוגדרים אוטומטית בהתאם לבעיה, ולא דורשים התערבות נוספת מהמהנדס. עם זאת, כמו יצירת רשת, זה אינו תקף לכל. פתרון בעיות מתקדמות ומסובכות דורש מהנדסים להגדיר את ההגדרות באופן אישי כדי להבטיח התכנסות מהירה ותוצאות מדויקות.

4.7 עיבוד תוצאות לאחר הפתרון

כדי להציג תוצאות סימולציה בצורה אינטואיטיבית, יש לעבד את הנתונים שנמצאו באופן מתאים, כמו יצירת מפות עקומות של שדה חשמלי, מפות עקומות של שדה טמפרטורה או מפות עקומות של שדה זרימה.

בנוסף, חלק מהצעדי עיבוד לאחר הפתרון דורשים מהנדסים להשתמש בידע מקצועי. לדוגמה, רוב תוכנות סימולציה של שדה חשמלי יכולות להציג בצורה אינטואיטיבית את עוצמת השדה החשמלי בכל נקודה, אך לקביעת היתכנות של מרחב מבודד נדרשת ניתוח סטטיסטי של נתונים אלו כדי ליצור עקומות מרחב מבודד על בסיס עוצמת שדה מצטברת.