Електрифікація всього навколо нас перетворюється на глобальний тренд

Сьогодні транспорт, енергетика та повсякденні пристрої переходять на електричну основу, аби зменшити залежність від викопного палива та боротися зі змінами клімату. Для успішного впровадження глобальних змін потрібні передові комп’ютерні симуляції, здатні враховувати кілька фізичних процесів одночасно. Дослідження показують, як мультифізичне моделювання покращує розробку паливних елементів, акумуляторів та електродвигунів, роблячи їх безпечнішими та ефективнішими для масового використання. Проблема прототипування виникає коли лабораторні моделі працюють ідеально, а в реальних умовах руйнуються через складність керування енергією на великому масштабі, наприклад у мережах чи транспорті. Зберігання енергії в автомобілях, вантажівках та літаках вимагає точних розрахунків, і прості моделі часто не справляються з такими завданнями

Мультифізика – це підхід до комп’ютерного моделювання, який дозволяє аналізувати взаємодію кількох фізичних явищ одночасно, роблячи симуляції ближчими до реального світу. Цей метод особливо корисний у інженерії та науці, де прості моделі не враховують складні взаємозв’язки, наприклад між теплом, механікою та електромагнетизмом

У серці електрифікації лежить поєднання електромагнітних ефектів з теплопередачею та структурною механікою в складній взаємодії. Бйорн Шодін, старший віце-президент з управління продуктами в стокгольмській компанії COMSOL, пояснює важливість такого підходу для практичних розробок. COMSOL розробляє програмне забезпечення для інженерних досліджень і розробок, моделюючи не один ізольований феномен, наприклад електромагнітну поведінку ланцюга, а всі релевантні фізичні процеси для створення нових технологій у реальних умовах експлуатації. Тому мультифізичне моделювання перетворюється на ключовий елемент досліджень в електрифікації, стаючи обов’язковим інструментом

Деякі люди досі сприймають симуляції як розкіш для досліджень і розробок 

Нілуфар Кам’яб, інженер-хімік і менеджер з додатків у COMSOL, наголошує, що симуляції доповнюють експерименти, роблячи їх оптимізованішими та ефективнішими, а не замінюють. Мультифізика стає лише половиною рішення в певних випадках. Для акумуляторів симуляції дають можливість вивчати їх поведінку на кількох масштабах, дозволяючи глибокий аналіз, неможливий експериментально. Акумулятори демонструють складну поведінку на рівні клітинок з неконтрольованими реакціями, а в пакеті виникають нові непередбачувані ефекти

Більшість фахівців моделюють пакети акумуляторів з акцентом на термічне управління. Симуляції допомагають уникнути проблем, відтворюючи несправну клітинку для тестування дизайну в екстремальних умовах, аби запобігти пожежам чи поломкам заздалегідь. Системи бездротової зарядки становлять ще один напрямок електрифікації з власними тепловими викликами. На високих потужностях локальне нагрівання котушки змінює провідність, впливаючи на весь ланцюг і елементи навколо. Нірмал Паудел, провідний інженер у консалтинговій фірмі Veryst Engineering з Нідема, штат Массачусетс, зазначає необхідність врахування таких змін для оптимального дизайну

Електродвигуни та перетворювачі потужності вимагають подібного підходу в симуляціях. Віннеш Гурусамі, старший інженер з додатків у COMSOL, пояснює, традиційні методи розробки цих технологій стають менш корисними в сучасних умовах. Зростання електрифікації в різних сферах потребує цілісного підходу для створення оптимальних дизайнів. У вантажних перевезеннях досліджують варіанти для вантажівок, порівнюючи акумулятори з паливними елементами. Паливні елементи ідеально підходять для мультифізики через потік рідин, теплопередачу, хімічні та електрохімічні реакції

Електрична мережа сама по собі стикається з викликами 

Мережу проектували для постійного постачання енергії, а джерела на кшталт вітру чи сонця вмикаються та вимикаються непередбачувано, створюючи нові проблеми. Цілісний підхід до інженерних симуляцій приносить несподівані переваги. Автомобільна інженерна компанія IAV з Берліна розробляє системи силових агрегатів, інтегруючи різні формати та хімії акумуляторів в одному пакеті. Наприклад, натрій-іонні акумулятори не дають стільки енергії, як літій-іонні, але їх комбінація дає додаткові переваги у термічному управлінні

Якоб Гільгерт, технічний консультант в IAV, брав участь у промисловому кейсі COMSOL, описуючи пакет з подвійною хімією, поєднуючи натрій-іонні клітинки з дорожчим літієвим твердотілим акумулятором. Мультифізичне моделювання дозволило команді IAV використовувати різні властивості хімій взаємно, передаючи тепло від гарячих клітинок до холодних і навпаки через систему охолодження, яка перерозподіляє енергію

ГПУ-прискорювачі та сурогатні моделі покращують електродвигуни 

Навіть прості компоненти на кшталт обмоток мідного дроту в ядрі мотора, відомі як статори, оптимізуються через мультифізику. Головний напрямок у розвитку електродвигунів полягає в підвищенні щільності потужності та ефективності з термічним управлінням як ключовим викликом. Мультифізичні моделі поєднують електромагнітні та теплові симуляції, враховуючи температурну залежність в обмотках статора та магнітних матеріалах

Симуляції трансформують світ бездротової зарядки 

Традиційний дизайн коригують геометрію котушок, а інтегровані мультифізичні платформи дозволяють досліджувати нові архітектури, включно з гнучкими зарядними тканинами та розумними поверхнями, які можуть адаптовуватись в реальному часі. Акумулятори продовжують рух до вищої щільності потужності та нижчих цін, змінюючи не тільки галузі на кшталт споживчої електроніки та електромобілів, а й створюючи нові, наприклад електричні вертикальні злітно-посадкові апарати

Багато старих ідей реалізуються завдяки сучасним акумуляторам, усуваючи давню вузьку горловину. Продовження розвитку акумуляторних технологій відкриває шлях для невідомих ще технологій та застосувань. Для ілюстрації переваг мультифізики в дизайні акумуляторів розглянемо порівняння основних типів хімій:

Таблиця допомагає зрозуміти, як мультифізичне моделювання інтегрує різні хімії для кращих результатів. Електрифікація впливає на глобальну економіку, стимулюючи інновації в відновлюваній енергетиці та зменшуючи викиди. Компанії на кшталт COMSOL лідирують у наданні інструментів для інженерів, аби прискорити перехід до сталого майбутнього. Дослідження показують, що мультифізика не тільки вирішує поточні проблеми, а й відкриває двері для революційних технологій, наприклад у авіації чи розумних мережах. Продовження інвестицій у симуляції обіцяє швидший прогрес, роблячи електрифікацію доступною для всіх