松下生態(tài)系統(tǒng)公司（以下簡稱公司）多年來一直致力于改善室內(nèi)空氣質(zhì)量(IAQ)。除了通風(fēng)和除濕之外，公司還致力于通過提供令人舒適的空氣流通和氣味來實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)的生活環(huán)境。他們的市場領(lǐng)先的產(chǎn)品包括通風(fēng)風(fēng)扇，廚房抽油煙機，空氣凈化器和屋頂風(fēng)扇，并且在東南亞的許多國家/地區(qū)也可以使用。為了設(shè)計和開發(fā)促進這種環(huán)境所需的設(shè)備，需要高度先進的技術(shù)和專業(yè)知識。Cradle CFD是一項創(chuàng)新，極大地改善了他們的設(shè)計評估流程。研發(fā)總部熱流體開發(fā)部通風(fēng)技術(shù)開發(fā)部總監(jiān)Mr. Masahiro Shigemori表示，已使用Cradle CFD幫助進行產(chǎn)品開發(fā)，并且發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。

     

 

通過多功能優(yōu)化實現(xiàn)高效率和低噪聲的通用換氣扇 

設(shè)置在廚房和廁所的一般用換氣扇作為強化其他公司產(chǎn)品競爭力的一環(huán)，以實現(xiàn)高效率和低噪音為目標(biāo)。這是因為家電產(chǎn)品和空調(diào)設(shè)備等周邊設(shè)備一直要求靜音，為了實現(xiàn)安靜的居住空間，即使是從以前開始就有的一般的換氣扇，靜音化也是不可避免的課題。這次，為了實現(xiàn)換氣扇的靜音化，設(shè)定了高效率、軸動力低、風(fēng)量大這兩個目的。并且，為了達成這些目的的參數(shù)（設(shè)計變量），選擇了被認(rèn)為經(jīng)驗性影響度大的風(fēng)扇刀片的翼弦長（葉片長度）、前傾角（rake）、前進角（傾斜）3個。             

但是，為什么要為了實現(xiàn)低噪音而采取的措施，卻沒有以噪音值為目的的理由詢問了重森先生，回答如下。“與風(fēng)扇性能相關(guān)的參數(shù)有很多。再加上噪音產(chǎn)生的機制很復(fù)雜，并不是單純地只看特定的參數(shù)就可以了。因此，在高效率，也就是損失少的風(fēng)扇，噪音也一定很小吧，這樣的預(yù)想下，我們決定以降低軸動力為目的，研究低噪音化。”  通過使用3個設(shè)計變量和2個目的函數(shù)以及可與“SCRYU/Tetra”耦合使用的優(yōu)化軟件“Optimus?for Cradle”，尋找最優(yōu)值。             

具體來說，利用各種參數(shù)計算了約900萬要素的解析模型（圖1）30個案例，從其結(jié)果制作的Parato前沿中提取了3個點，對它們制作了試制品并進行了實驗。其結(jié)果是，無論哪個參數(shù)，性能都比現(xiàn)行產(chǎn)品高，以同風(fēng)量，噪音值最大為降噪2.5dB，全壓效率最大改善2.5pt（表1：與現(xiàn)行產(chǎn)品的比較）。重森先生說：“從這個結(jié)果可以證明，如果提高效率即減少損失的話，就會降低噪音。”

 

通過噪聲可視化來進一步提高性能 

通過對形狀進行優(yōu)化，可以得到高效率、低噪音的參數(shù)，但該公司的努力并沒有就此結(jié)束。據(jù)說選擇了性能好的1個模型，進行了更詳細(xì)的流體分析。“優(yōu)化當(dāng)然是有效的，但是像流體現(xiàn)象那樣非線性強的現(xiàn)象，很多時候都得不到真正的最佳解，所以集中模型對噪音的產(chǎn)生進行了詳細(xì)的分析，以更高的水平達到目的。”（重森）。 

噪音的詳細(xì)研究采用了大渦模擬（Large-Eddy Simulation：LES），以便能夠捕捉更小的旋渦和壓力波動。分析的規(guī)模約為4000萬個要素，計算也是每一個案例使用144核并行的計算機85小時，是優(yōu)化時實施的分析的40倍。通過這個計算，他挑戰(zhàn)確定作為噪音產(chǎn)生源的小漩渦的起源，并把握如何減少。

      

從分析結(jié)果來看，重森先生關(guān)注的兩個地方。風(fēng)扇的翼前緣部和翼外周部的壓力變低的部分（圖2的黑框）。這一部分的壓力降低被認(rèn)為是渦流產(chǎn)生的原因，為了使壓力降低變小，將其改良成翅膀形狀，可以減少噪音。

圖2：LES分析的壓力分布圖

圖3以從翼的正側(cè)面觀察某一瞬間的壓力分布的圖表示。改良前（下）有從翼面剝離的流動，有細(xì)小的壓力變動，旋渦發(fā)生的情況也可以親眼確認(rèn)。另一方面，翅膀形狀改良后（上），沒有大的壓力變動，直覺上也能知道渦流的發(fā)生少。

圖3：LES分析的翼端部周圍流場分布圖

然后，通過以改良的形狀進行實驗，噪聲值比優(yōu)化的形狀低0.8dB，風(fēng)量也增加，從而得到了比以往形狀提高4.2pt的全壓效率（表2）。

表2：LES分析結(jié)果利用改良形狀的性能比較

 

實驗和解析相互補充，實現(xiàn)高精度且不返工的過程

           

因為能夠進行如此精密的計算，所以今后只需計算就可以進行產(chǎn)品設(shè)計了嗎。也許實驗的次數(shù)完全沒有減少。“實際上在產(chǎn)品開發(fā)中得出計算結(jié)果的話，‘結(jié)果正確嗎？’的確認(rèn)。那也是確認(rèn)中途有沒有走錯方向。因此，隨著設(shè)計過程的進展，我們正在通過實驗確認(rèn)計算結(jié)果是否正確。”重森先生說。此外，他還表示，如果相信與實際情況不同的結(jié)果來設(shè)計產(chǎn)品的話，在最后的最后將全部修改，然后在設(shè)計過程中再重新進行，也就是說會發(fā)生返工的情況。    

         

相反，當(dāng)被問到CAE（Computer Aided Engineering）在實驗中確認(rèn)結(jié)果的作用是什么時，他說：“首先，如果像優(yōu)化過程那樣，一邊改變參數(shù)一邊研究很多情況，那么所有的情況都在實驗中進行，會受成本和時間的限制”重森先生說。也就是說，通過CAE減少實驗次數(shù)，可以縮短達到目的結(jié)果的時間。此外，重森還表示，“像噪音的詳細(xì)分析那樣，模擬‘為什么會有這樣的結(jié)果呢？’這樣就能把握原因了。實驗中即使測量了噪音值，也不知道是什么原因造成的聲音大”。也就是說，在只有實驗不知道的原因查明這個過程中，計算機模擬是不可缺少的。             

像這樣，通過在擅長的部分活用實驗和模擬，該公司確立了高精度的設(shè)計手法，在短時間內(nèi)向市場推出高性能的產(chǎn)品。

通過流體結(jié)構(gòu)聯(lián)合仿真設(shè)計的吊扇

 

吊扇在東南亞和中東國家很受歡迎。 公司根據(jù)每個國家/地區(qū)的設(shè)計偏好和功能要求提供了各種類型的吊扇（圖1 各國的吊扇）。

馬來西亞 

印度

印度

中東

吊扇已采取了防墜落等的安全措施。Mr. Shigemori說，吊扇可能會由于葉片振動而損壞，甚至可能因葉片振動而墜落，在某些情況下，還可能受空調(diào)風(fēng)的影響，這可能會在敲打風(fēng)扇時增加風(fēng)壓（外部壓力）。 警告說明已寫在風(fēng)扇用戶手冊上，但是由于可能在空調(diào)附近安裝風(fēng)扇，公司需要通過仿真來驗證安全性。

 

分析涉及計算施加在風(fēng)扇葉片上的力以及葉片變形，因此公司一直在使用流體和結(jié)構(gòu)分析的聯(lián)合仿真。 已經(jīng)使用了Software Cradle的scFLOW和MSC Software的MSC Nastran。 這些最初是分開設(shè)計的，并且數(shù)據(jù)導(dǎo)入很不方便。 最近推出的MSC Co-Sim引擎實現(xiàn)了更好的連接和控制。

圖 2. 仿真空調(diào)風(fēng)導(dǎo)致吊扇的瞬時變形

通過scFLOW仿真的葉片表面壓力值提供給MSC Nastran，相反，將通過MSC Nastran仿真的變形程度提供給scFLOW。 由此，可以評估任何發(fā)生的變形和振動。 結(jié)果比較表明，當(dāng)沒有外力時，風(fēng)扇以穩(wěn)定的變形速率旋轉(zhuǎn)（圖2的底部），而當(dāng)有來自空調(diào)的風(fēng)時，風(fēng)扇葉片以復(fù)雜的方式振動（圖2的頂部）。Mr. Shigemori說：“我們可以通過查看動畫格式的模擬結(jié)果來觀察復(fù)雜的行為。”

通過在實際使用產(chǎn)品的條件和環(huán)境中應(yīng)用仿真技術(shù)和評估模型，公司實現(xiàn)了產(chǎn)品的安全性驗證以及性能提升。

Mr. Masahiro Shigemori, Panasonic

未來挑戰(zhàn)

 

展望未來，Mr. Shigemori說：“我們一直在將模擬應(yīng)用于定性比較和評估，希望提高準(zhǔn)確性，有一天將其應(yīng)用于定性評估。 另一個目標(biāo)是擴大聯(lián)合仿真的領(lǐng)域。”

可以肯定的是，公司將繼續(xù)通過創(chuàng)新研發(fā)來追求IAQ的改善。