O fakulteti
Študij
Raziskave in inovacije
Sporočila

Raziskovalni projekti so (so)financirani s strani Javne agencije za znanstvenoraziskovalno in inovacijsko dejavnost Republike Slovenije

 

Vsebinski opis projekta

TCCbuilder: Odprtokodno simulacijsko orodje za toplotne tokokroge

Projekt se nanaša na razvoj prvega numeričnega orodja za simulacijo novih načinov upravljanja s toploto (po analogiji z električnimi napravami) na svetu. Novi pristopi k upravljanju s toploto so nujno potrebni zaradi naraščajočega povpraševanja po visoki energijski učinkovitosti, optimalni zmogljivosti in izjemno visoki gostoti moči mikro- in močnostne elektronike ter procesov in naprav v pretvorbi energije.

Tradicionalni način upravljanja s toploto se nanaša na osnovna načela prenosa toplote, ki poteka preko sevanja, prevoda in konvekcije. V sorazmerno velikih sistemih se uporabljajo razširjene površine, toplotne cevi, fazno-spremenljive tekočine, ventilatorji in hidravlični tokokrogi. Vedno boljše poznavanje nano- do mikro-sistemov pa omogoča bistveno večje gostote moči s potencialno prehodnimi, nihajočimi ali gibajočimi visoko- oziroma nizkotemperaturnimi točkami, in s tem nove zahteve za upravljanje s toploto.

Z napredkom na področju fizike trdne snovi in materialov so bila v zadnjem času vzpostavljena nova temeljna načela na področju toplote, ki lahko vodijo do nastavljivih toplotnih lastnosti materialov. Tako trdne snovi kot tekočine je mogoče uporabiti za sestavo različnih vrst toplotnih kontrolnih elementov (TCE): toplotni vodniki, toplotni upori, toplotna stikala, toplotni regulatorji, toplotne diode in toplotni kondenzatorji. Ti elementi lahko upravljajo toploto na analogen način, kot elektronske naprave nadzorujejo elektriko. T.j., lahko jo shranijo, blokirajo, usmerjajo in nadzorujejo intenzivnost toplotnega toka ali njegovo smer. S kombiniranjem teh elementov v integrirana vezja (toplotne tokokroge, TCC) je mogoče doseči nove načine upravljanja s toploto v različnih aplikacijah, o d naprav za pretvorbo energije v vesolju, senzorjev in sistemov za zaznavanje, naprav, ki s e ukvarjajo s toplotno občutljivimi biološkimi tkivi, do sistemov za pretvorbo energije in shranjevanje toplotne energije, vključno s pogonskimi sklopi. TCE in TCC najbolj neposredno predstavljajo pomemben del upravljanja s toploto v (mikro)elektronskih napravah in sistemih v prihodnosti. Vendar pa naše razumevanje TCE še ni dovolj dobro, zato TCC še niso bili razviti.

Znanje o potencialno ustreznih materialih, o mehanizmih delovanja in o povezovanju TCE med seboj je ključnega pomena za razvoj TCC v smeri dejanske uporabe. Za vključitev obstoječega in novega znanja v realistične naprave je nujen razvoj prvega odprtokodnega numeričnega orodja na svetu, ki omogoča simulacije in oceno delovanja TCE in TCC, pred preizkusom le-teh v realnem okolju.

Glavni cilj tega projekta je razviti odprtokodno numerično orodje s stalno posodobljeno knjižnico materialov ali kompozitov (njihovih lastnosti) in TCE (njihovih značilnosti), in z možnostjo načrtovanja, oblikovanja in ovrednotenja TCC in logičnih TCC. Zaradi širine raziskovalnega področja bo prva različica orodja osredotočena na numerično analizo hladilnih sistemov, toplotnih črpalk in mehanizmov proizvodnje električne energije na mikroskali (in nižje) ter upravljanja s toploto v mikro- in močnostnih elektronskih napravah. Orodje bo razvito na način, ki bo omogočal kasnejšo nadgradnjo z drugimi vrstami sistemov, kot so (mikro)fluidni sistemi za upravljanje s toploto, sistemi za mikro-hlajenje in toplotne črpalke na osnovi plinov ali tekočin. Novejše različice orodja bodo tako nudile veliko večji spekter potencialnih aplikacij.

Orodje bo predstavljalo osnovo za oceno prehodnih in stacionarnih značilnosti na novo izoblikovanih modelov. Služilo bo kot trdna podlaga za raziskovalce, ki se ukvarjajo z upravljanjem s toploto, pa tudi kot platforma, ki bo povezovala raziskovalce z različnih področij (npr. znanost o materialih, kemija, elektrotehnika, strojništvo, fizika kondenzirane snovi). Vsak uporabnik bo lahko v knjižnico dodal značilnosti svojih TCE in izmenjal izkušnje ter pridobljeno znanje z drugimi.

Faze projekta in njihova realizacija

V predlogu projekta smo aktivnosti razdelili na 5 delovnih paketov (WP), v vsakem smo definirali naloge (T), mejnike (M) in končne izdelke (D).

WP1: Vodenje projekta

Aktivnosti v sklopu WP1 (uvodni sestanek, polletni sestanki) do oddaje tega poročila so bile 100% izvedene.

WP2: TCCbuilder-jeva knjižnica

T2.1: Dopolnitev našega pregleda literature (in stalno nadgrajevanje le-tega), zbiranje že zasnovanih TCE-je in njihovih značilnosti iz literature ter organizacija v knjižnici TCCbuilder-ja (ocena realizacije 100%).

T2.2: Izbira najprimernejših materialov in njihovih lastnosti iz literature za uporabo v TCE-jih in jih organizacija v knjižnici TCCbuilder-ja (ocena realizacije 100%).

T2.3: Izbira najpogostejših mehanizmov za aktivacijo TCE-jev  iz literature in organizacija v knjižnici TCCbuilder-ja (ocena realizacije 100%).

M2.1: TCCbuilder-jeva knjižnica je pripravljena in dostopna na spletu (ocena realizacije 100%).

D2.1: TCCbuilder-jeva knjižnica je objavljena na spletu (ocena realizacije 100%).

D2.2: Navodila za uporabo TCCbuilder-jeve knjižnice so dostopna na spletu (ocena realizacije 100%).

Ostale aktivnosti po programu projekta se nanašajo na prihodnje obdobje.

WP3: Izdelava TCCbuilder-ja

V času oddaje poročila naloge iz WP3 že potekajo, se pa bodo glede na program nadaljevale tudi v prihodnjem obdobju. Mejniki in poročila glede teh nalog so po programu predvideni v kasnejšem obdobju.

T3.1: Izdelava vsake komponente TCCbuilder-ja (ocena realizacije 100%).

T3.2: Sklopitev komponent v naprednejše sestave (ocena realizacije 75%).

T3.3: Priprava izvoza rezultatov in vrednotenje rezultatov simulacij (ocena realizacije 90%).

T3.4: Izdelava uporabniku prijaznega vmesnika (ocena realizacije 100%).

M3.1: Programska koda za simulacijo TCE-jev je pripravljena (ocena realizacije 100%).

M3.2: Programska koda za simulacijo TCC-jev je pripravljena (ocena realizacije 100%).

M3.3: Evalvacija rezultatov je pripravljena (ocena realizacije 90%).

M3.4: Uporabniški vmesnik TCCbuilder-ja skupaj z navodili za uporabo je pripravljen (ocena realizacije 75%).

D3.1: TCCbuilder-jev backend (ocena realizacije 100%).

D3.2: TCCbuilder-jev uporabniku prijazen uporabniški vmesnik (ocena realizacije 75%).

D3.3: TCCbuilder pripravljen kot paket za prenos (ocena realizacije 50%, kasnejša aktivnost).

WP4: Validacija TCCbuilder-ja

V času oddaje poročila naloge iz WP4 že potekajo, se pa bodo glede na program nadaljevale tudi v prihodnjem obdobju. Mejniki in poročila glede teh nalog so po programu predvideni v kasnejšem obdobju.

T4.1: Numerična validacija (s primeri iz literature) (ocena realizacije 90%).

T4.2: Eksperimentalna validacija (ocena realizacije 20%).

M4.1: Numerično validiran TCCbuilder na TCE-jih (ocena realizacije 100%).

M4.2: Numerično validiran TCCbuilder na TCC-jih (ocena realizacije 90%).

Ostale aktivnosti po programu projekta se nanašajo na prihodnje obdobje.

WP5: Dejavnosti razširjanja in komunikacija

V času oddaje poročila naloge iz WP5 že potekajo, se pa bodo glede na program nadaljevale tudi v prihodnjem obdobju. Preostali mejniki in poročila glede teh nalog so po programu predvideni v kasnejšem obdobju.

T5.1: Oblikovanje in objava spletne strani projekta, ki jo bomo nenehno posodabljali (ocena realizacije 100%).

T5.2: Znanstvena objava o TCCbuilder (ocena realizacije 50%).

 

M5.1: Spletna stran projekta je pripravljena, objavljena na spletu in periodično posodobljena (ocena realizacije 100%).

M5.2: Projekt in prvi rezultati so predstavljeni na vsaj eni mednarodni konferenci (ocena realizacije 100%).

M5.3.1: Vsaj dve predstavitvi projekta na dogodkih/v medijih širši javnosti (ocena realizacije 100%).

M5.5: Organizirana vsaj ena poletna šola na temo TCE-jev in TCC-jev (ocena realizacije 0%).

M5.8: TCCbuilder predstavljen na vsaj treh mednarodnih konferencah (ocena realizacije 100%).

 

D5.1: Spletna stran projekta (ocena realizacije 100%).

D5.2: Oddan je pregledni članek o TCCbuilder-jevi knjižnici (ocena realizacije 50%).

D5.3: Oddan je znanstveni članek o simulacijah različnih TCE-jev in TCC-jev (ocena realizacije 50%).

D5.4: Oddan je znanstveni članek o simulacijah in eksperimentih s TCCbuilderjem ali za TCCbuilder (ocena realizacije 50%).

 

Pregledni izvirni znanstveni članek sicer še ni bil objavljen, smo pa v okviru enega vabljenega predavanja na mednarodni konferenci in ene predstavitve na mednarodni konferenci predstavili pregled TCCbuilderjeve knjižnice (gl. reference 3 in 4. v Poglavju 3. tega poročila). Ko bomo imeli zbrano večje število zanesljivejših ali popolnejših podatkov o obstoječih toplotnih kontrolnih elementih (skladno tudi z aktivnostmi, ki potekajo v WP4), bomo vse opravljeno delo združili v skupnem preglednem članku.  Na ta način bomo dosegli tudi ustrezno stopnjo kvalitete članka.

Znanstveni članek o simulacijah različnih TCE-jev in TCC-jev je v času objave tega poročila v pripravi za oddajo.

 

Ostale aktivnosti po programu projekta se nanašajo na prihodnje obdobje.

Naša spletna stran v namen boljšega delovanja uporablja piškotke. Z uporabo naših storitev se strinjate, da lahko uporabljamo piškotke. Več o piškotkih.

 

Pojdi na vsebino