Nuorimmaiseni on 6-vuotias; uuden vuosituhannen pikkupoika. Hän ei ole kiinnostunut saduista. Se, mikä häntä kiehtoo, on fysiikka. Erityisesti hiukkasfysiikka, vaikka en usko, että hän oikeasti tietää eroa. Hänellä on pakkomielle CERNin Large Hadron Collideriin ja hän katsoo Brian Coxin TED-puheita. Eräässä niistä puhutaan erityisesti siitä, mikä meni pieleen LHC:ssä; se on hänen suosikkinsa. Luulen, että se johtuu siitä, että lopussa Brian Cox sanoo, että he yrittävät löytää maailmankaikkeuden rakennuspalikat saamalla pienet hiukkaset törmäämään valon nopeudella. Kun Leon siis katsoo sateenkaarta, hän ei kuvittele sen päässä olevan kultaa, vaan pikemminkin hiukkasia, jotka törmäävät toisiinsa ja paljastavat maailmankaikkeuden rakennuspalikat.

Hiukkasten seuraaminen (valon termein kutsutaan säteiden jäljittämiseksi) on kaikessa rehellisyydessä todella hyvä tapa simuloida valoa ja sen lämpövaikutuksia. Valo hajaantuu, heijastuu ja taittuu ja aiheuttaa lämpövaikutuksia kohteeseen, johon se joutuu kosketuksiin. Taittuminen on erittäin tärkeä valon ominaisuus, ja se aiheuttaa myös joitakin luonnollisia optisia ilmiöitä, kuten sateenkaaria. Jos sateenkaaren päässä on siis kultapata, se on varmasti kuuma!

Simcenter STAR-CCM+ 2019.3:ssa julkaisemme uuden stokastisen säteilylämpöenergian (RTE) ratkaisijan, joka perustuu Surface Photon Monte Carlo (PMC) -säteenseurantamenetelmään, jossa on refraktion mallinnus. PMC on kiistatta tarkin RTE-menetelmä. Uusi (PMC)-ratkaisija on siis erittäin tarkka ja tehokas, ja se mallintaa taittumisen ja heijastumisen vaikutukset, joten se soveltuu hyvin otsalamppusovelluksiin. Vertailut Discrete Ordinate Model (DOM) -malliin, joka on ainoa muu taittumista mallintava säteilymalli, osoittavat, että uusi PMC-malli on tehokkaampi ja tarkempi taittumisen ennustamisessa kuin DOM (katso vertailukuvat).

Refraktio on valon suunnan muuttuminen väliaineesta toiseen tai väliaineen asteittaisesta muutoksesta. Ajovalaisimien tapauksessa tämä voi olla ajovalaisimen muovi tai jopa sen sisällä oleva ilma. Taittuminen on tärkeää, kun tarkastelemme lämpöturvallisuutta. Jotta voisimme ennustaa, missä valossa syntyy kuumakohta, meidän on tiedettävä, miten valo taittuu. Näin voimme ottaa huomioon oikean lämpökuorman ledeistä tai auringosta. Koska ajovalaisimissa on useita säteilyä lähettäviä materiaaleja sekä ulkoinen muovi, valo taittuu ja luo kuumia pisteitä tietyillä alueilla, ja lämpö voi vahingoittaa ajovalaisinta. Miksi se on tärkeää? Annan pari esimerkkiä:

Esimerkki 1: Lampun peitinlinssissä on optisen linssin aiheuttama kuuma piste, esim. ksenonlampun kanssa. Tämä kuuma piste on tyypillisesti kuumempi, jos taittuminen on olemassa (reaalimaailmassa tai mallinnettuna), ja siksi se on tärkeä tällaisissa järjestelmissä.

Esimerkki 2: Auringon valo (säteily) niputetaan optisella linssillä (esim. ksenonlamppu, LED-valo) ja sen polttopiste on lähellä pintaa, joka voi aiheuttaa vaurioita. Uuden pinnan PMC-mallin avulla voimme ennustaa tarkasti nämä kuumat kohdat ja muuttaa suunnittelua sisällyttämällä lämpösuojia oikeisiin paikkoihin, mikä johtaa parempiin ja kestävämpiin malleihin.

Suihkulamput ovat erittäin kalliita ja herkkiä. Uudet mallit ovat myös läpinäkyviä, joten esteettisyys on varsin tärkeä näkökohta. Jotta ajovalaisimien valmistajat voivat säilyttää esteettisyyden ja olla samalla varmoja kestävyydestä, heidän on ennustettava tarkasti nämä kuumakohdat.

Sovellus, jota tarkastelemme tänään, on otsalamppuvalaistus, mutta useammat sovellukset, kuten lääketieteelliset sovellukset (röntgensäteet, magneettikuvaus ja sädehoito), puolijohdevalmistus ja puolustusala, edellyttävät säteilyominaisuuksien tarkkaa mallintamista, mikä tekee PMC:stä erittäin houkuttelevan.

Palaamme takaisin pikku tiedemieheeni ja sateenkaaren ja taittumisen todellisuuteen. On niin ihanaa nähdä hänen innostuksensa! Eräänä päivänä hän sanoi minulle: ”Kun kasvan isoksi, minusta tulee pääfyysikko CERNiin”. Minä tietenkin sanoin: ”Tämä on ihanaa, kultaseni! Haluatko tulla seuraavaksi Brian Coxiksi?”. Hänen vastauksensa sai minut nauramaan kyyneliin ja muistutti minua siitä, että hän on vasta pieni poika. Hän sanoi: ”Ei äiti, pidän mieluummin oman nimeni”!!!!

”Tulevaisuuden pienille tiedemiehille”