Semana de la Multifísica 2018

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INTRODUCCIÓN

En esta segunda Semana de la Multifísica (consulte la información de la primera Semana de la Multifísica) abordaremos la simulación de un transductor Tonpilz. Generaremos la simulación paso a paso durante las cinco sesiones programadas, de media hora cada una, y cubriremos por completo y con detalle todo el flujo de trabajo característico de una simulación multifísica. Utilizaremos para ello las funcionalidades y herramientas que nos ofrece el software COMSOL Multiphysics, en su última versión 5.3a.

El transductor Tonpilz (también conocido como hongo sonoro) es un transductor de frecuencias relativamente bajas y de alta potencia de emisión de sonido. Es uno de los diseños más populares de transductores acústicos, y se utiliza principalmente en aplicaciones subacuáticas tipo SONAR.

El transductor comprende una serie de anillos piezocerámicos (de color verde en la figura adjunta) que se encuentran apilados entre un cabezal (masa cónica truncada de aluminio, en color gris oscuro) y una cola cilíndrica (masa cilíndrica de acero, en color gris claro). Ambas piezas están conectadas mediante un perno central de acero. Estudiaremos la respuesta en frecuencia del transductor, con el fin de determinar el comportamiento estructural y acústico del dispositivo. Más concretamente, determinaremos diferentes parámetros y variables de funcionamiento como son: deformaciones estructurales, tensiones, nivel de presión sonora radiada, patrón del haz de campo lejano, respuesta de voltaje de transmisión (TVR) e índice de directividad (DI) del haz de sonido emitido.

La simulación que realizaremos es marcadamente multifísica e incluye el uso de varias ecuaciones físicas fundamentales. Las ecuaciones físicas necesarias son las relacionadas con:

• acústica de presión (ondas de presión en el dominio del agua),
• mecánica estructural de sólidos (aplicada a todos los dominios sólidos, incluidos los discos piezoeléctricos) y
• electrostática (para calcular los campos eléctricos y de desplazamiento en los dominios piezoeléctricos).

Los acoplamientos multifísicos presentes en nuestro sistema son:

• Interfase Acústico-Estructural: este acoplamiento está aplicado en las superficies que separan el dominio del agua y la masa de la cabeza del transductor. En estos contornos el acoplamiento es bidireccional y se configura automáticamente. La presión de fluido, evaluada mediante las ecuaciones de onda en el agua, se aplica como una carga mecánica para las ecuaciones estructurales del material sólido. Al mismo tiempo, la componente normal de la aceleración estructural se usa como una fuente de sonido en el medio acuoso.
• Efecto Piezoeléctrico: este acoplamiento solamente está activo en los discos piezoeléctricos y combina las ecuaciones de mecánica estructural y electrostática. Estas ecuaciones se resuelven acopladas mediante las relaciones constitutivas que modelan el efecto piezoeléctrico. El acoplamiento se realiza entre las deformaciones y tensiones estructurales y los campos eléctricos y desplazamiento eléctrico.

OBJETIVO

Durante la Semana de la Multifísica iremos analizando y ejemplificando todos los pasos que constituyen el flujo de trabajo característico de las simulaciones multifísicas. En términos generales, estos pasos son los siguientes:

• Creación de la geometría.
• Asignación de materiales.
• Ajuste de las ecuaciones físicas y condiciones de contorno.
• Mallado.
• Resolución numérica.
• Postprocesado.

También abordaremos otras tareas secundarias, como la definición de parámetros, variables, selecciones, vistas, sistemas de coordenadas, etc.

AGENDA

La construcción y simulación del modelo del transductor Tonpilz la dividiremos en cinco sesiones de media hora, de 10:00 a 10:30. Al finalizar cada sesión, dedicaremos un tiempo a resolver las dudas que los asistentes nos trasladen.

A modo orientativo, la distribución de los contenidos que abarcaremos en cada sesión es:

• Lunes, 19 de febrero: Introducción y descripción del modelo. Inicialización. Creación de la geometría.
• Martes, 20 de febrero: Definiciones. Asignación de materiales.
• Miércoles, 21 de febrero: Ajuste de la Física, condiciones de contorno y acoplamientos.
• Jueves, 22 de febrero: Mallado y resolución numérica.
• Viernes, 23 de febrero: Postprocesado. Análisis y discusión de resultados.

GRABACIONES

• Lunes, 19 de febrero: Introducción y descripción del modelo. Inicialización. Creación de la geometría.
• Martes, 20 de febrero: Definiciones. Asignación de materiales.
• Miércoles, 21 de febrero: Ajuste de la Física, condiciones de contorno y acoplamientos.
• Jueves, 22 de febrero: Mallado y resolución numérica.
• Viernes, 23 de febrero: Postprocesado y análisis de resultados.