案例分享 | Cradle CFD创新可实现出色的室内空气流通

松下生态系统公司（以下简称公司）多年来一直致力于改善室内空气质量(IAQ)。除了通风和除湿之外，公司还致力于通过提供令人舒适的空气流通和气味来实现优质的生活环境。他们的市场领先的产品包括通风风扇，厨房抽油烟机，空气净化器和屋顶风扇，并且在东南亚的许多国家/地区也可以使用。为了设计和开发促进这种环境所需的设备，需要高度先进的技术和专业知识。Cradle CFD是一项创新，极大地改善了他们的设计评估流程。研发总部热流体开发部通风技术开发部总监Mr. Masahiro Shigemori表示，已使用Cradle CFD帮助进行产品开发，并且发挥了至关重要的作用。

     

 

通过多功能优化实现高效率和低噪声的通用换气扇 

设置在厨房和厕所的一般用换气扇作为强化其他公司产品竞争力的一环，以实现高效率和低噪音为目标。这是因为家电产品和空调设备等周边设备一直要求静音，为了实现安静的居住空间，即使是从以前开始就有的一般的换气扇，静音化也是不可避免的课题。这次，为了实现换气扇的静音化，设定了高效率、轴动力低、风量大这两个目的。并且，为了达成这些目的的参数（设计变量），选择了被认为经验性影响度大的风扇刀片的翼弦长（叶片长度）、前倾角（rake）、前进角（倾斜）3个。             

但是，为什么要为了实现低噪音而采取的措施，却没有以噪音值为目的的理由询问了重森先生，回答如下。“与风扇性能相关的参数有很多。再加上噪音产生的机制很复杂，并不是单纯地只看特定的参数就可以了。因此，在高效率，也就是损失少的风扇，噪音也一定很小吧，这样的预想下，我们决定以降低轴动力为目的，研究低噪音化。”  通过使用3个设计变量和2个目的函数以及可与“SCRYU/Tetra”耦合使用的优化软件“Optimus®for Cradle”，寻找最优值。             

具体来说，利用各种参数计算了约900万要素的解析模型（图1）30个案例，从其结果制作的Parato前沿中提取了3个点，对它们制作了试制品并进行了实验。其结果是，无论哪个参数，性能都比现行产品高，以同风量，噪音值最大为降噪2.5dB，全压效率最大改善2.5pt（表1：与现行产品的比较）。重森先生说：“从这个结果可以证明，如果提高效率即减少损失的话，就会降低噪音。”

 

通过噪声可视化来进一步提高性能 

通过对形状进行优化，可以得到高效率、低噪音的参数，但该公司的努力并没有就此结束。据说选择了性能好的1个模型，进行了更详细的流体分析。“优化当然是有效的，但是像流体现象那样非线性强的现象，很多时候都得不到真正的最佳解，所以集中模型对噪音的产生进行了详细的分析，以更高的水平达到目的。”（重森）。 

噪音的详细研究采用了大涡模拟（Large-Eddy Simulation：LES），以便能够捕捉更小的旋涡和压力波动。分析的规模约为4000万个要素，计算也是每一个案例使用144核并行的计算机85小时，是优化时实施的分析的40倍。通过这个计算，他挑战确定作为噪音产生源的小漩涡的起源，并把握如何减少。

      

从分析结果来看，重森先生关注的两个地方。风扇的翼前缘部和翼外周部的压力变低的部分（图2的黑框）。这一部分的压力降低被认为是涡流产生的原因，为了使压力降低变小，将其改良成翅膀形状，可以减少噪音。

图2：LES分析的压力分布图

图3以从翼的正侧面观察某一瞬间的压力分布的图表示。改良前（下）有从翼面剥离的流动，有细小的压力变动，旋涡发生的情况也可以亲眼确认。另一方面，翅膀形状改良后（上），没有大的压力变动，直觉上也能知道涡流的发生少。

图3：LES分析的翼端部周围流场分布图

然后，通过以改良的形状进行实验，噪声值比优化的形状低0.8dB，风量也增加，从而得到了比以往形状提高4.2pt的全压效率（表2）。

表2：LES分析结果利用改良形状的性能比较

 

实验和解析相互补充，实现高精度且不返工的过程

           

因为能够进行如此精密的计算，所以今后只需计算就可以进行产品设计了吗。也许实验的次数完全没有减少。“实际上在产品开发中得出计算结果的话，‘结果正确吗？’的确认。那也是确认中途有没有走错方向。因此，随着设计过程的进展，我们正在通过实验确认计算结果是否正确。”重森先生说。此外，他还表示，如果相信与实际情况不同的结果来设计产品的话，在最后的最后将全部修改，然后在设计过程中再重新进行，也就是说会发生返工的情况。    

         

相反，当被问到CAE（Computer Aided Engineering）在实验中确认结果的作用是什么时，他说：“首先，如果像优化过程那样，一边改变参数一边研究很多情况，那么所有的情况都在实验中进行，会受成本和时间的限制”重森先生说。也就是说，通过CAE减少实验次数，可以缩短达到目的结果的时间。此外，重森还表示，“像噪音的详细分析那样，模拟‘为什么会有这样的结果呢？’这样就能把握原因了。实验中即使测量了噪音值，也不知道是什么原因造成的声音大”。也就是说，在只有实验不知道的原因查明这个过程中，计算机模拟是不可缺少的。             

像这样，通过在擅长的部分活用实验和模拟，该公司确立了高精度的设计手法，在短时间内向市场推出高性能的产品。

通过流体结构联合仿真设计的吊扇

 

吊扇在东南亚和中东国家很受欢迎。 公司根据每个国家/地区的设计偏好和功能要求提供了各种类型的吊扇（图1 各国的吊扇）。

马来西亚 

印度

印度

中东

吊扇已采取了防坠落等的安全措施。Mr. Shigemori说，吊扇可能会由于叶片振动而损坏，甚至可能因叶片振动而坠落，在某些情况下，还可能受空调风的影响，这可能会在敲打风扇时增加风压（外部压力）。 警告说明已写在风扇用户手册上，但是由于可能在空调附近安装风扇，公司需要通过仿真来验证安全性。

 

分析涉及计算施加在风扇叶片上的力以及叶片变形，因此公司一直在使用流体和结构分析的联合仿真。 已经使用了Software Cradle的scFLOW和MSC Software的MSC Nastran。 这些最初是分开设计的，并且数据导入很不方便。 最近推出的MSC Co-Sim引擎实现了更好的连接和控制。

图 2. 仿真空调风导致吊扇的瞬时变形

通过scFLOW仿真的叶片表面压力值提供给MSC Nastran，相反，将通过MSC Nastran仿真的变形程度提供给scFLOW。 由此，可以评估任何发生的变形和振动。 结果比较表明，当没有外力时，风扇以稳定的变形速率旋转（图2的底部），而当有来自空调的风时，风扇叶片以复杂的方式振动（图2的顶部）。Mr. Shigemori说：“我们可以通过查看动画格式的模拟结果来观察复杂的行为。”

通过在实际使用产品的条件和环境中应用仿真技术和评估模型，公司实现了产品的安全性验证以及性能提升。

Mr. Masahiro Shigemori, Panasonic

未来挑战

 

展望未来，Mr. Shigemori说：“我们一直在将模拟应用于定性比较和评估，希望提高准确性，有一天将其应用于定性评估。 另一个目标是扩大联合仿真的领域。”

可以肯定的是，公司将继续通过创新研发来追求IAQ的改善。