מפריחים בועות בחבית של אילמנאו (ועוד ניסויים)

בזמן שאני תקוע במינכן בין ניתוחים, אני מנצל את המצב להזכר בימים טובים יותר בגרמניה – לפני שבועיים, למעשה. הייתי אז בעיירה ציורית בתורינגיה (שזה שפה מכובסת לאמצע שום-מקום במזרח גרמניה), שהיתה יעד מועדף לביקוריו של המשורר יוהן וולפגנג פון גתה ("ייסורי וורטר הצעיר", "פאוסט"). בין הגבעות הירוקות, על שפת הנחל אילם, שוכנת העיירה אילמנאו, ולידה האוניברסיטה הטכנית של אילמנאו. ושם, אנשים המעמידים פני מבוגרים בונים מכונות ייעודיות להפרחת בועות סבון, אותן הם משחררים בבריכה ענקית, ולתוכה הם יורים לייזר. למה הם עושים זאת, מלבד האושר הילדותי שבדבר? ובכן, כחוקרים בתחום מכניקת הזורמים, הם למעשה עושים ניסויים חשובים מאוד, שיעזרו לנו להבין תופעות שקשורות להתפשטות זיהום אוויר, ליעילות של מטוסים וסירות, למשאפי וונטולין ועוד. אז בואו נכיר את החבית של אילמנאו.

מבחוץ, החבית של אילמנאו היא בסך הכל מיכל גדול, שסביבו מבנה חדש המכיל את כל תשתיות הניסוי החיצוניות. יש בו מדרגות כדי לעלות לראש המיכל, אמצעי מדידה ועוד. המיכל היה בעבר מיכל מים חמים ששירת עסקים באזור לאגירת אנרגיה. היום הוא מלא באוויר, ואת האוויר הזה מזרימים ע"י מפוחים ויוצרים מה שנקרא זרימה טורבולנטית. זוהי זרימה מהירה, כאוטית, עם מבנה שנראה אקראי אבל אנחנו בכל זאת מחפשים בו את החוקיות.

"החבית של אילמנאו" - בריכה שהוסבה לניסויים במכניקת זורמים.

"החבית של אילמנאו" – בריכה שהוסבה לניסויים במכניקת זורמים.

אנחנו מחפשים את החוקיות כי כמו שאמרתי, זרימה טורבולנטית מופיעה בהרבה מקומות חשובים. זוכרים את הטיסה האחרונה שלכם, כשאמרו לכם לשבת ולחגור חגורות כי יש טורבולנציה? זו דוגמה אחת: המטוס עבר בזרימה טורבולנטית באטמוספרה, ואתם הרגשתם את האקראיות של הלחצים כרעידות של המטוס. גם המטוס עצמו יוצר מאחוריו זרימה טורבולנטית, ואם נדע כיצד לצמצם אותה, נוכל אולי לחסוך כסף רב על דלק, שכן זרימה טורבולנטית מתאפיינת בייצור חום רב (כלומר צריכת אנרגיה רבה).

אז איך ניתן לצפות בזרימה כזו? דרך אחת היא לשחרר בועות אוויר קטנות, לצלם אותן בווידאו, וכך לדעת את המהירויות של הזורם בכל נקודה בה יש בועה. הרבה בועות – הרבה מידע על הזורם. בזרימה נוזלית משתמשים בבועות אוויר, בזרימה גזית (אוויר) משתמשים בבועות סבון. אבל הרבה מידע הוא לפעמים יותר מדי, לכן אחת משיטות הניסוי פשוט עושה חתך רוחב. בשיטה זו מאירים במסך לייזר (תחשבו על קרן לייזר שעדשה הרחיבה אותה במימד אחד) ומצלמים רק את הבועות שהמסך מאיר, וכך מקבלים תמונה של שדה הזרימה הדו-ממדי בחתך. שיטה זו נקראת Particle Image Velocimetry. בתמונה למטה אנחנו מציצים דרך חלון הקבוע בחבית, שנראה ירוק בגלל שזהו צבע הלייזר שנורה פנימה.

חלון בחבית חושף את מסך הלייזר הירוק.

חלון בחבית חושף את מסך הלייזר הירוק.

אבל לפעמים גם דו-מימד זה יותר מדי מידע עבור מחקרים מסויימים. במקרים כאלו אנחנו מעוניינים במהירויות הזורם במשך הזמן, אבל בנקודה מסויימת. כך אנחנו יכולים לחקור, למשל, מה קורה בנקודות נבחרות מאחורי כנף של מטוס. כדי למדוד נקודה אחת גם משתמשים בלייזר: יורים שתי קרניים שנפגשות בנקודת המדידה ויוצרות תבנית התאבכות. כל בועת סבון שעוברת דרך תבנית ההתאבכות מצולמת כסדרת הבהובים שמהתדירות שלהם אנחנו יודעים את המהירות. שיטה זו נקראת Laser Doppler Anemometry. והפעם, לפחות בחבית של אילמנאו, הלייזר אדום:

קצות הקרניים של הלייזרים בשיטת LDA (תחילת הקרניים היא מחוץ לחבית, היכן שהאוויר נקי מכדי לראות אותן)

קצות הקרניים של הלייזרים בשיטת LDA (תחילת הקרניים היא מחוץ לחבית, היכן שהאוויר נקי מכדי לראות אותן)

בתמונה הבאה ניתן לראות את המכשיר שפולט את הלייזרים האדומים. המכשיר עומד על מעין במה כחולה שמכסה את החבית, וברקע אנחנו רואים כבלים סליליים שמשתלשלים על הבמה, ומתחברים לציוד ולמחשבים המנהלים את הניסוי. הבמה הכחולה היא בעצם עוגה המורכבת ממחליפי חום – בתוך כל חתיכה כחולה מוזרם נוזל קירור מהכבלים הסליליים, המאפשר קביעת טמפרטורה רצויה, ומנגד ברצפת החבית מותקנים גופי חימום. כך ניתן ליצור זרימות "רבודות תרמית" (שיש בהן שכבות עם צפיפות שונה) כמו שיש למשל בזרימות ימיות, בהתקנים כימיים עם הפרשי ריכוזים, ועוד.

התקרה המקוררת של החבית.

התקרה המקוררת של החבית.

הסיבה לכך שהכבלים סליליים היא לא שנשאר עודף תקציב אז התחרעו על הכבלים, אלא שהבמה הכחולה בעצמה לא קבועה: כל הגג של החבית יכול לשנות את גבהו בהתאם לנפח הניסוי הרצוי. כל הדבר הזה, עם פלטות הקירור, המחשבים, הלייזרים ושאר המדידים, בקוטר של כ-5 מטרים, עולה ויורד! בתמונה הבאה אנחנו רואים לצד אחד הסלילים את אחת השרשראות המחזיקות את כל העסק על כננת:

כל העסק עומד על שרשראות וזז מעלה ומטה.

כל העסק עומד על שרשראות וזז מעלה ומטה.

עכשיו, כל זה די ענק. האם חייבים חבית כזו כדי לעשות ניסויים בשיטות שתיארתי? כן ולא. לא, כי השיטות האלו עובדות בהרבה סדרי גודל אחרים. במעבדה בתל אביב, עשיתי ניסויים דומים עם מיכל מים שצלעו 30 ס"מ, כשהזרימה מונעת עם מנוע חשמלי לא גדול ובמים חלקיקים מוצקים. כן, כי בזרימה מעורבים משתנים רבים, ולא תמיד ניתן לשנות את קנה המידה של כל המשתנים בו-בזמן, בצורה שתתאים למה שרוצים לדעת. באילמנאו, אגב, הולכים על כל סדרי הגודל: בניסוי אחר, שנמצא בהנגר המיועד לניסויים קטנים יותר, נפח הניסוי הוא בגודל של חבית יין, אך הוא מחובר לקומפרסור גדול שדוחס את האוויר לפי 30 מהצפיפות הרגילה שלו (שזה עדיין פחות צפוף ממים):

חבית של אוויר דחוס זורם, וכמובן חלונות שאל אחד מהם מכוון לייזר.

חבית של אוויר דחוס זורם, וכמובן חלונות שאל אחד מהם מכוון לייזר.

ולסיום, ניסוי אחרון בממדים אנושיים יותר: אוויר מוזרם במעגל סגור אל מין מנהרת רוח קטנה, המוארת מלמטה על ידי לייזר ומצולמת מקדימה. הניסוי הזה כבר מתקרב לגודל ישראלי, מלבד כל מערכת המעגל הסגור שהיא די גדולה:

מנהרת רוח לוולוסימטריה.

מנהרת רוח לוולוסימטריה.

בניסוי הזה אתם יכולים לראות דגם קטן של מכונית המוצב בזרימה, ומרמז על סוג השימושים של המידע המושג בניסוי. הלייזר נורה ממכשיר שולחני ומועבר בעזרת מערכת אופטית דרך הזרוע הכחולה, עד שהוא נורה כלפי מעלה.

בטכניון של אילמנאו יש עוד הרבה דברים מגניבים, שלא את כולם צילמתי. למשל, יש להם ניסויים בהם הזורם הוא לא אוויר ולא מים, אלא נתרן מותך – נוזל הקירור של כורים גרעיניים. בנוזל כזה כמובן שאי אפשר לצלם בועות אוויר, אז במקום זה שמים סביב המיכל מגנט ענק ומשתמשים בשינוי התכונות המגנטיות של המתכת המותכת כשהיא זורמת כדי ללמוד על הזרימה. אגב, בשיטה דומה משתמשים גם למעקב אחרי זרימת דם בשתלים רפואיים. וגם לא כל הניסויים שם עוסקים בזרימה, אפילו שזה היא מוקד העניין שלנו בכנס. הנה למשל דגם שנוצר בטכנולוגיית "סינטור לייזר", שמשמשת להדפסה תלת-ממדית של מתכות ע"י חימום אבקת מתכת עד להתכה חלקית שלה.

דגם מתכתי מהדפסה תלת-ממדית בלייזר.

דגם מתכתי מהדפסה תלת-ממדית בלייזר.

בישראל יש לנו כמה חברות שעוסקות בהדפסה תלת-מימדית, והתחום הזה בעצמו משמש אותנו גם כדי לבנות מערכות ניסויים במכניקת זורמים. אבל אנחנו כבר מתבדרים. בקיצור, מה שראינו זה שיש מגוון של שיטות למדוד זרימה טורבולנטית, בכל סדרי הגודל וסוגי הזורמים. בעזרת השיטות האלו אנחנו מקווים לשפוך אור על בעיות הנדסיות די קדות, אבל יש לנו עוד עבודה עד שנצליח. אז יאללה, הלכתי לעבוד.

מחשבה אחת על “מפריחים בועות בחבית של אילמנאו (ועוד ניסויים)

  1. פינגבק: נרות ומאיצי חלקיקים | תפרים

להשאיר תגובה

הזינו את פרטיכם בטופס, או לחצו על אחד מהאייקונים כדי להשתמש בחשבון קיים:

הלוגו של WordPress.com

אתה מגיב באמצעות חשבון WordPress.com שלך. לצאת מהמערכת /  לשנות )

תמונת Twitter

אתה מגיב באמצעות חשבון Twitter שלך. לצאת מהמערכת /  לשנות )

תמונת Facebook

אתה מגיב באמצעות חשבון Facebook שלך. לצאת מהמערכת /  לשנות )

מתחבר ל-%s