Mô phỏng chất lưu giúp nâng cao thiết kế đồ gia dụng

Mô phỏng chất lưu giúp nâng cao thiết kế đồ gia dụng

Trong thế giới cạnh tranh về thiết kế thiết bị gia dụng, đặc biệt là điện lạnh, nấu ăn, giặt là, rửa chén hoặc máy hút mùi, việc đẩy giới hạn hiệu suất đồng nghĩa với hiểu sâu hơn về cách các sản phẩm này hoạt động. Các quy định chặt chẽ hơn về môi trường cùng với các yêu cầu về trải nghiệm người dùng phức tạp hơn đẩy các thiết kế vào khu vực nơi ứng xử vật lý bắt đầu đóng vai trò nổi bật hơn. Điều này có thể có nghĩa là các giai đoạn phát triển và thử nghiệm kéo dài và tốn kém.

Ví dụ, quản lý độ ẩm bên trong các ngăn làm lạnh là một lĩnh vực mà việc hiểu biết về sự ngưng tụ, truyền nhiệt và luồng không khí là rất quan trọng để phát triển một sản phẩm hoạt động tốt hơn. Nhà thiết kế thiết bị Fisher & Paykel có trụ sở tại New Zealand sử dụng phần mềm Ansys để thực hiện mô phỏng ở giai đoạn đầu của quá trình phát triển sản phẩm nhằm xác định và khắc phục các vấn đề tiềm ẩn, cũng như tối ưu hóa thiết kế để đáp ứng các tiêu chí hiệu suất khác nhau.

Họ đã thành công đặc biệt khi sử dụng Ansys Fluent và tính toán động lực học chất lưu (CFD) để cải tiến khả năng làm đá trong các sản phẩm làm lạnh của họ. Mô phỏng cũng được sử dụng rộng rãi trong suốt quá trình phát triển; đặc biệt là khi các thay đổi thiết kế khác nhau xuất hiện do thiết kế của các hệ thống liên quan được cải tiến, hoàn thiện.

Những phân tích này có xu hướng là một trường hợp đánh giá nhiều giải pháp để ưu tiên những giải pháp có triển vọng nhất. Do sự khác biệt nhỏ giữa một số giải pháp này và sự không đảm bảo của thực nghiệm, CFD đã trở thành phương tiện đáng tin cậy nhất để đánh giá.

Hiểu những thách thức làm đá

Mục tiêu của Fisher & Paykel là phát triển một máy làm đá hiệu suất cao tiêu của hơn, yêu cầu tăng lưu lượng khí qua khay đá để cải thiện tốc độ làm đá. Điều này có nghĩa là tạo ra một hệ thống phân phối không khí có khả năng dẫn dòng chảy qua khay đá.

Đây không phải là một thử thách dễ dàng, vì công ty phải chuyển một phần không khí chủ yếu cấp vào ngăn đông vào máy làm đá. Những thách thức: đối phó với những thay đổi đột ngột về hướng dòng chảy và phát triển một thiết kế có thể hoạt động với một loạt các mẫu tủ lạnh khác nhau.

Trong các cuộc thảo luận ban đầu, công ty nhận ra rằng nhiều vách ngăn sẽ không hiệu quả do sự hỗn loạn và xoáy của luồng không khí tại nguồn. Giải pháp là một vùng đệm giúp dòng chảy chảy có kiểm soát trước khi giải phóng vào máy làm đá.

Cải thiện hiệu suất làm đá

Các kỹ sư của Fisher & Paykel đã tạo ra các thiết kế sơ bộ sử dụng các biên dạng quét đầu cuối, đơn giản và các đường dẫn dòng tương đối xoắn do nhu cầu không khí để thực hiện các thay đổi hướng mạnh theo hai hướng ngang trực giao trong một khoảng cách ngắn. Giải pháp là thiết kế lại biên dạng ống dẫn sử dụng một vách ngăn duy nhất để kiểm soát tốt hơn sự khuếch tán qua hai mặt phẳng trực giao một cách độc lập. Điều này dẫn đến tổn thất áp suất giảm 67% so với thiết kế ban đầu.

Lấy cảm hứng từ chuyển động xoáy của nước trên bề mặt đất di chuyển xung quanh chướng ngại vật - và với sự trợ giúp của bộ giải Fluent’s Adjoint - công ty đã tối ưu hóa thiết kế để tạo ra dòng chảy có hướng chính phù hợp với khay đá. Điều này dẫn đến tốc độ trung bình tăng hơn 50% và tạo ra dòng chảy đối xứng hơn trên khay làm đá, giúp cải thiện đáng kể hiệu suất làm đá.

Một thiết kế tối ưu đã tạo ra dòng chảy phù hợp với khay làm đá, dẫn đến tốc độ trung bình tăng hơn 50% và dòng chảy đối xứng hơn trên khay làm đá

Trường dòng được thiết kế như thế nào

Dòng chảy vào ống dẫn được hút xuống một buồng hình trụ, kích thích chuyển động xoáy với trục theo hướng ngang với dòng chảy chính tại lối vào của ống dẫn. Điều này tạo dịch chuyển ngang của dòng chính, đồng thời giảm thiểu tổn thất. Sau đó, dòng chảy đi ra phía sau máy làm đá thông qua một đoạn ống dẫn thẳng ngắn. Ở đây, đặc trưng phình / hình trụ của lỗ thoát ống dẫn kích khích và tạo điều kiện cho chuyển động xoáy ngang, đây là chìa khóa khi cố gắng tạo ra dòng chảy một chiều qua khay đá.

Trong suốt quá trình này, các mô phỏng Fluent CFD đã được sử dụng rộng rãi. Việc sử dụng mô phỏng này hiệu quả hơn nhiều về chi phí và thời gian so với việc sản xuất và thử nghiệm các thiết kế in 3D, đòi hỏi ba ngày cho mỗi lần lặp lại thiết kế. Công ty có thể quay vòng các mô phỏng CFD chỉ trong một ngày.

Ngoài ra, khi tìm kiếm một hình dạng “hữu cơ” để đạt được các tiêu chí hiệu suất đã cho, khả năng thay đổi hình dạng của bộ giải Fluent Adjoint là một cách tiếp cận vượt trội so với việc tạo các bước lặp thiết kế rời rạc theo cách thủ công.

Mô phỏng CFD cũng mô tả sâu rộng về trường dòng chảy, giúp nâng cao hiểu biết của các kỹ sư về hành vi của dòng chảy. So với thử nghiệm vật lý, khả năng kiểm soát môi trường thử nghiệm tốt hơn trong mô hình ảo cũng giúp Fisher & Paykel tinh chỉnh thiết kế sản phẩm. Cũng như xem xét các ứng xử của luồng không khí, điều tối quan trọng là mọi tiếng ồn tạo ra từ khí động học cũng được giữ ở mức tối thiểu để tạo ra một tủ lạnh yên tĩnh.

Đối với điều này, công ty đã sử dụng mô phỏng khí động lực học Fluent để đảm bảo đáp ứng các yêu cầu về mức độ tiếng ồn trong phân tích CFD và các bài kiểm tra vật lý để đánh giá thiết kế cuối cùng.