Jakten på hjerneprotesen - NTNU

More documents

Recommendations

Info

Foto: © Evans Caglage /Dallas Morning News/Corbis 26 gemini • nr. 4 • desember 2011 Kraftfulle skvulp modellering Når væsker i bevegelse hamrer løs på en konstruksjon, hvordan beregner vi da effekten? industrielle prosesser tekst: Åse Dragland kontakt: Paal Skjetne, SINTEF Materialer og kjemi tlf: 934 23 424 e-post: paal.skjetne@sintef.no Forsker Paal Skjetne står ute på kontorgulvet og prater med en tusj i handa. – Tenk deg at det er lørdag og kveldens vin står klar på bordet. Den mørkerøde væsken hviler rolig inne i flasken. Så fjernes korken og innholdet tømmes ned i ventende glass. Han gjør en liten kunstpause før han slår ut med hendene: – Når vinen strømmer ned i glasset, antar overflaten bølgeform: Den rynker og folder seg, dråper rives av...! – Jøss, må innrømme at slik har jeg aldri tenkt på det… – Det kommer også inn luft, og overgangene blir veldig komplekse. Skjetne skisserer noen bølgete flater på tavla, går et skritt tilbake og kikker på tegningen. – Her ligger utfordringen, sier han og peker: – Slike «frie overflater», som vi kaller dem, lar seg vanskelig modellere med dagens simuleringsverktøy. Heller ikke hvordan materialet glasset er laget av og hvordan glassets geometri virker tilbake på væsken. Så hva gjør man da? Skjetne setter seg, knepper hendene og smiler til meg over kontorpulten. klassisk problem • Det er vanskelig å forestille seg at en beskrivelse av vinskjenking kan illustrere store industrielle problem. Men slik er det. En klassisk utfordring i forskermiljø verden over er hvordan faste stoffer og væsker påvirkes gjensidig i det øyeblikket de treffer hverandre. Bedrifter har behov for å få modellert hvordan bølgeslag virker inn på et skip, for å lage sikre konstruksjoner og best mulige skips- bauger. Og ved fare for brudd på tanken trenger de å få vite kreftene som en LNG-tank i et rullende skip utsettes for på grunn av inn- vendige bølgebevegelser. Innenfor fiskeoppdrett vil utstyrsleverandører vite hva fiskemerder som beveger seg i sterke havstrømmer, tåler. Og i bygningsbransjen vil man vite tidspunktet for når jordvoller som mettes med vann, vil bryte sammen. Industrien har gjennomgående behov for å vite hvordan kreftene virker sammen, og de forventer at SINTEF skal kunne modellere dette. UtgangspUnkt i galaksedannelse • Vi må tilbake til slutten av 1970-tallet for å finne de første spede forsøk på forskningsområdet som kalles for «Smoothed Particle Hydro- dynamics» (SPH). Den gangen ønsket forskere å modellere hvordan stjernetåker ble dannet. – Siden dette hadde stor likhet med hvordan en gassky spres eller hvordan to væskedråper kolliderer, ble tanken født om at metoden også kunne benyttes på væskestrømning og senere faststoffmekanikk, forteller Skjetne. I dag er SPH en kjent metode innenfor spesialiserte miljø på universiteter, og et stort antall doktorgrader publiseres om metoden. Utfordringen er at de vanskelig kan sys sammen til et rammeverk som ulike fagområder kan utnytte. Vi tar ballen • Rundt 2005 begynner også noen forskere fra SINTEF Materialer og kjemi å snuse på fagområdet. Paal Skjetne har nylig avsluttet et utviklingsprosjekt på en partikkel- gemini • nr. 4 • desember 2011 27 w
Foto: Helge Hansen / Statoil w kode sammen med ikt-forskere i SINTEF. Kollega fikk vi tilbud om å kjøpe kildekodene deres, og petroleumsforsker Alexandre Lavrov hen- forteller Skjetne. ger seg på. Sammen utvikler de en oppskrift for Men gleden blir kortvarig. Etter en tid viser hvordan de kan simulere oppsprekking av ol- det seg at det blir for mange føringer på hva jebrønner og slamtap. SPH blir en av brikkene SINTEF kan bruke koden til. Og forhandlingene i løsningen. avsluttes. På forsommeren arrangerer SINTEF, NTNU – Vi hadde brukt litt over et år på å få på plass og forskningsselskapet CSIRO – som regnes en avtale, og måtte rykke tilbake til start. Noe som Australias motstykke til SINTEF – en in- nedstemte satt vi rundt bordet. Så bestemte ternasjonal konferanse om numerisk model- vi oss: Skitt! Vi tar ballen og lager noe selv! lering av strømningsfenomener. Her holder et forskerteam en presentasjon som får nord- Skjetne ler. mennene til å spisse ørene. 13 til bords • I dag – et par år etter – er arbei- – Disse karene jobbet med SPH innenfor indet i gang. Å beregne vanskelige strømninger dustrielle prosesser, og det de kunne vise fram, er blitt en konsernsatsing i SINTEF, og fram til var så spennende at vi umiddelbart bestemte 2013 er det satt av 18 millioner kroner. oss for å innlede et samarbeid. Kort tid etter Tretten personer fra seks ulike faginstitutt i 28 «Et større skip som frakter LNG, kan ha fem store tanker på 30x40 meter og føre 250 000 kubikkmeter gass. Her bør det ikke skje ulykker.» gemini • nr. 4 • desember 2011 Forsker Csaba Pakozdi SINTEF jobber med så ulike problemstillinger som bølgeslag i skipstanker, brudd i materialer, bølger og strømninger i fiskemerder og svekkelse av demninger. Tre dagers intense møter avholdes fire ganger i året. Mobil er bannlyst. Oppgaver er definert på forhånd. I tillegg kjøres det heldags arbeidsmøter annen- hver uke – og elektroniske kommunikasjonskanaler brukes flittig. – Alle bringer med seg ulike problemstillinger og kompetanse. Felles er de frie væskeoverflatene, de store materielle deformasjonene og at vi beveger oss i grensesjiktet mellom naturfenomen og ingeniørkunst, opplyser Skjetne. Målet for gruppa er å lage et generisk rammeverk – en stamme eller et fundament som så kan spesialutvikles og skreddersys opp mot industriorienterte prosjekter. – Det er mange om beinet. Store miljø i Frankrike, USA, Australia og Kina arbeider med ulike beregningsverktøy. Hvordan kan et lite miljø i Norge bli verdensledende? – Fortrinnet er triangelet SINTEF–NTNU– norsk industri. Det er uvanlig at det brede fagmiljøet som SINTEF tilbyr, er koblet tett opp til industri og akademia, sier Skjetne. – Mens vår hverdag består i å finne løsninger på utfordringene industribedrifter sliter med, sørger store kull med nyutdannede NTNU-kandidater for at fersk forskning bringes ut i bedriftene hvert år. Dermed vandrer forsking og industri hand i hand. beregning Uten holdepUnkter • Så lenge et materiale deformeres lite, eller væskeoverflaten ikke blir for komplisert, går det altså greit å benytte de etablerte metodene (CFD og SEM) for å beregne væsker eller materialer. Forskerne bruker da et beregningsnett der de setter opp detaljerte balanseligninger eller «budsjetter» for hva som strømmer inn og ut av alle volumene i nettet. – Men når deformasjonene blir for store og de frie overflatene for komplekse, tar de tradi- sjonelle beregningene uforholdsmessig lang tid og kan bli unøyaktige, forklarer den ungarske forskeren Csaba Pakozdi på Marintek. – Med SPH deles væsken inn i «partikler» med en gitt masse og volum. Partiklene beveger seg fritt, men ut fra regler som bestemmes av de lokale trykk- og tetthetsvariasjonene i væsken. På Marintek arbeider forskerne med bølgeslag mot skipskonstruksjoner (slamming) og inne i tanker (sloshing), og Pakozdi sammenligner det første med å slå handflata ned i vannet. – Fører du handa sakte ned, er trykket lite; smeller du den hardt nedi, kjenner du det svir, sier han. – Når LNG fraktes i tanker på skip, oppstår det ofte bevegelser i skipet som får væsken i tankene til å skvulpe, og her kan trykket på bølgene bli så stort at det kan ødelegge isolasjonsmembranen i veggen. Dette kaller vi sloshing. Med fulle tanker til enhver tid hadde problemet vært mindre. Men med avdamping og lossing i ulike havner blir tankene halvfulle og farlige. Pakozdi viser meg bilder av en tank. Den har fellestrekk med en termos: stål ytterst, kryssfiner og skum i midten – og en tynn stålmembran innerst. Et større skip som frakter LNG, kan ha fem store tanker på 30x40 meter og føre til sammen 250 000 kubikkmeter gass. Her bør det ikke skje ulykker. Marintek har etablert en «slosh-rigg» der et vannkammer på 1x1 meter er montert inn i en større ramme på 3x3 meter. Ved hjelp av åtte motorer kan riggen roteres i alle retninger, så forskerne kan teste vannets bevegelser i det lille kammeret. – Tankene utgjør kanskje 1/5 av totallengden på skipet. Om du tenker deg skipskroppen bortover her, sier Pakozdi og peker til venstre i rommet, – og her – han peker i andre retningen, – får du en viss formening. Vi vil se på Simulering av sloshing/bølgebevegelse i tank. Væsken samles ved hjelp av en barriere i ene delen av tanken. Barrieren fjernes raskt, og bølgen slår inn i motstående vegg. dette er forskernes arbeidsmetode SCRUM er en trinnvis metodikk for å løse komplekse oppgaver. Man setter seg et mål og bryter dette ned til delmål. Disse del- målene eies av «oppmenn» som har ansvar for at små skritt blir tatt hele veien: Hvordan går det? Hva er absolutt minste skritt vi kan ta for å komme nærmere målet? Var det godt? Hvert skritt inspiseres ofte nok til at store avvik fanges opp. Tilpasninger må gjøres så fort som mulig for å sikre at konsekvensene blir så små som mulig. Hele tiden handler det om å splitte opp oppgaver og ta små steg. Metoden fordrer fysisk samarbeid og at folk i teamet er lojale og fokuserte. De må stole på andre. Definerte arbeidsoppgaver utarbeides på forhånd. gemini • nr. 4 • desember 2011 Foto: SINTEF Materialer og kjemi hvor stor kraft man kan få gjennom sloshing, sette dette inn i en dynamisk modell og så beregne: Vil det ta tjuefem eller hundre år før materialet brister? tilbake til Vinen • Pakozdi viser en animasjon av fenomenet sloshing på video: Vi sitter andektig og ser flere ganger hvordan væskestrømmen skytes mot den ene veggen i tanken, støter mot veggen og slynges tilbake. Uvilkårlig minner da dette om noe? På telefon til Paal Skjetne må bare spørsmålet stilles: Er dette analogt med eksempelet med vin? Vil det si at også et rødvinsglass kan briste – om det teoretisk sett får for stor belastning av en «vinbølge»? – Ja, teoretisk, medgir Skjetne. – Men jeg vil se den servitøren som greier det! n Simulering av kollisjon mellom kopperprosjektil og vegg. Industrien bruker slike simuleringer til å forstå hvordan materialer oppfører seg når de utsettes for raske deformasjoner. 29
Page 1 and 2: Foto: VG NESTE GEMINI KOMMER I FEBR
Page 3 and 4: n KORTNYTT Misvisende støymerking
Page 5 and 6: n nyheTer nyheTer n Hitech hudpleie
Page 7 and 8: Usy nlig fiende H Muggsopp har inva
Page 9 and 10: Foto: Sciencephoto.com 16 gemini
Page 11 and 12: Foto: © Fotobase / Jon Fjeldstad 2
Page 13: w Foto: Kidane Fanta Gebremariam Ko
Page 17 and 18: Foto: photos.com FAKTA: Erstatnings
Page 19 and 20: Foto: Mentz Indergaard/NTNU Info Fo
Page 21 and 22: ■ KIKKHULLET Ein strålande metod
Page 23 and 24: n NOTISER Fisk Sikkerhet i fiskefl

Jakten på hjerneprotesen - NTNU

You also want an ePaper? Increase the reach of your titles

Delete template?

Save as template?