Электрификация всего вокруг нас превращается в глобальный тренд

Сегодня транспорт, энергетика и повседневные устройства переходят на электрическую основу, чтобы уменьшить зависимость от ископаемого топлива и бороться с изменениями климата. Для удачного внедрения глобальных конфигураций требуются передовые компьютерные симуляции, способные учесть несколько физических действий сразу. Исследования показывают, как мультифизическое моделирование улучшает разработку топливных элементов, аккумуляторов и электродвигателей, делая их более безопасными и эффективными для массового использования. Проблема прототипирования возникает, когда лабораторные модели работают идеально, а в реальных условиях разрушаются из-за сложности управления энергией на большом масштабе, например в сетях или транспорте. Хранение энергии в автомобилях, грузовиках и самолетах требует точных расчетов и простые модели часто не справляются с такими задачами

Мультифизика – это подход к компьютерному моделированию, позволяющий анализировать взаимодействие нескольких физических явлений одновременно, делая симуляции более близкими к реальному миру. Этот метод особенно полезен в инженерии и науке, где простые модели не учитывают сложные взаимосвязи, например, между теплом, механикой и электромагнетизмом

В сердце электрификации лежит сочетание электромагнитных эффектов с теплопередачей и структурной механикой в ​​сложном взаимодействии. Бьорн Шодин, старший вице-президент по управлению продуктами в стокгольмской компании COMSOL, объясняет важность такого подхода для практических разработок. COMSOL разрабатывает программное обеспечение инженерных исследований и разработок, моделируя не один изолированный феномен, например электромагнитное поведение цепи, а все релевантные физические процессы для создания новых технологий в реальных условиях эксплуатации. Поэтому мультифизическое моделирование превращается в ключевой элемент исследований в электрификации, становясь обязательным инструментом

Некоторые люди до сих пор воспринимают симуляции как роскошь для исследований и разработок 

Нилуфар Камьяб, инженер-химик и менеджер по приложениям в COMSOL, отмечает, что симуляции дополняют эксперименты, делая их более оптимизированными и эффективными, а не заменяющими. Мультифизика становится лишь половиной решения в некоторых случаях. Для аккумуляторов симуляции позволяют изучать их поведение на нескольких масштабах, позволяя глубокий анализ, невозможный экспериментально. Аккумуляторы демонстрируют сложное поведение на уровне ячеек с неконтролируемыми реакциями, а в пакете возникают новые непредсказуемые эффекты

Большинство специалистов моделируют пакеты аккумуляторов с акцентом на термическое управление. Симуляции помогают избежать проблем, воспроизводя неисправную ячейку для тестирования дизайна в экстремальных условиях, чтобы предотвратить пожары или поломки заранее. Системы беспроводной зарядки составляют еще одно направление электрификации с тепловыми вызовами. На высоких мощностях локальный нагрев катушки изменяет проводимость, воздействуя на всю цепь и элементы вокруг. Нирмал Паудел, ведущий инженер в консалтинговой фирме Veryst Engineering из Нидема, штат Массачусетс, отмечает необходимость учета таких изменений для оптимального дизайна

Электродвигатели и преобразователи мощности требуют подобного подхода в симуляциях. Винеш Гурусами, старший инженер по приложениям в COMSOL, объясняет, традиционные методы разработки этих технологий становятся менее полезными в современных условиях. Рост электрификации в различных областях требует целостного подхода для создания оптимальных дизайнов. В грузоперевозках исследуют варианты для грузовиков, сравнивая аккумуляторы с топливными элементами. Топливные элементы идеально подходят для мультифизики через поток жидкостей, теплопередачу, химические и электрохимические реакции

Электрическая сеть сама по себе сталкивается с вызовами 

Сеть проектировали для постоянной поставки энергии, а источники типа ветра или солнца включаются и выключаются непредсказуемо, создавая новые проблемы. Целостный подход к инженерным симуляциям приносит неожиданные преимущества. Автомобильная инженерная компания IAV из Берлина разрабатывает системы силовых агрегатов, интегрируя разные форматы и химии аккумуляторов в одном пакете. Например, натрий-ионные аккумуляторы не дают столько энергии, как литий-ионные, но их комбинация дает дополнительные преимущества в термическом управлении

Якоб Гильгерт, технический консультант в IAV, участвовал в промышленном кейсе COMSOL, описывая пакет с двойной химией, сочетая натрий-ионные клетки с более дорогим литиевым твердотелым аккумулятором. Мультифизическое моделирование позволило команде IAV использовать различные свойства химий взаимно, передавая тепло от горячих ячеек к холодным и наоборот через систему охлаждения, которая перераспределяет энергию

ГПУ-ускорители и суррогатные модели улучшают электродвигатели 

Даже простые компоненты типа обмоток медной проволоки в ядре мотора, известные как статоры, оптимизируются через мультифизику. Главное направление в развитии электродвигателей заключается в повышении плотности мощности и эффективности с термическим управлением как ключевым вызовом. Мультифизические модели совмещают электромагнитные и тепловые симуляции, учитывая температурную зависимость в статорных обмотках и магнитных материалах

Симуляции трансформируют мир беспроводной зарядки 

Традиционный дизайн корректирует геометрию катушек, а интегрированные мультифизические платформы позволяют исследовать новые архитектуры, включая гибкие зарядные ткани и разумные поверхности, которые могут адаптироваться в реальном времени. Аккумуляторы продолжают движение к более высокой плотности мощности и более низким ценам, изменяя не только отрасли типа потребительской электроники и электромобилей, но и создавая новые, например электрические вертикальные взлетно-посадочные аппараты

Многие старые идеи реализуются благодаря современным аккумуляторам, устраняя давнюю узкую горловину. Продолжение развития аккумуляторных технологий открывает путь для еще неизвестных технологий и применений. Для иллюстрации преимуществ мультифизики в дизайне аккумуляторов рассмотрим сравнение основных типов химий:

Таблица помогает понять, как мультифизическое моделирование интегрирует разные химии для лучших результатов. Электрификация влияет на глобальную экономику, стимулируя инновации в возобновляемой энергетике и уменьшая выбросы. Компании типа COMSOL лидируют в предоставлении инструментов для инженеров, чтобы ускорить переход к устойчивому будущему. Исследования показывают, что мультифизика не только разрешает текущие проблемы, но и открывает двери для революционных технологий, например в авиации или умных сетях. Продолжение инвестиций в симуляции обещает более быстрый прогресс, делая электрификацию доступной для всех