PDF《燃气灶设计》

ANSYS ADVANTAGE 2015年|第3期|第IX 卷18 消费者商品 燃气灶设计 作者 : Pablo FilgueiraRodeiro,仿真设计高级经理,惠尔普巴西圣保罗公司 惠尔普巴西分公司利用直接建模和流体仿真技术 将开发新炉灶面的时间缩短了 35%.

ANSYS SpaceClaim Direct Modeler 能方便地清理几何结 构,并生成 CFD 仿真所需的 封闭体积. 燃 气灶面的设计具有很大挑战性,因为这其中涉 及了许多设计参数.产生火焰的端口几何形 状、向端口提供燃气的喷嘴、支撑端口的网格 炉排、端口和设备金属表面之间的关系,所有这些因素都 影响着炉灶的工作性能.惠尔普巴西分公司很大程度上依 赖于仿真技术来设计燃气炉灶,满足独立橱柜、内置烤箱 和各种炉灶面的要求.仿真技术能帮助工程师在原型阶段 之前预测推荐炉灶设计的性能,从而减少燃气消耗、缩短 烹饪时间、并减少开发时间.惠尔普巴西分公司的工程 师利用 ANSYS 计算流体动力学(CFD)软件评估推荐炉 灶设计的火焰稳定性、热效率、表面温度和一氧化碳生 成等问题.不过,工程师需要工具来准备仿真模型,从 而快速探索一系列设计方案,并找到满足所有标准的最 佳炉灶设计. 惠尔普巴西分公司利用 ANSYS SpaceClaim Direct Modeler 解决了这一挑战,该软件能方便地清理几何结构 并生成 CFD 仿真所需的封闭体积.利用 SpaceClaim, 惠尔普巴西分公司的工程师能直接编辑任何几何结构特 性,无需担心参数限制,也将概念设计分析的准备时间 ANSYS ADVANTAGE 2015年|第3期|第IX 卷19 ? 新型燃气灶设计的 ANSYS CFD 仿真.执行仿真以研究进出燃气炉不同位置的空气 / 燃料比.该图显示了燃气灶横 截面的燃气密度. ? 仿真域 ? 仿真域部件分解图 工程师将一次吸气处理从 36% 提升到 52%. 这能生成稳定的火焰,支持几乎彻底的燃 烧,确保了高效性,并尽可能减少一氧化碳的 生成. 缩短高达 90%.仿真技术能大幅加 速定义和评估新的设计迭代,因此开 发新炉灶面模型的整体时间缩减了 30% 到40%. 优化设计过程 惠尔普巴西分公司的工程师一直 用参数化 CAD 系统创建炉灶设计. CAD 系统可生成高度详细的模型, 这对于满足严格的生产要求至关重 要―― 生产也是设计周期中的最后 一步.不过,在设计早期阶段,工程 师需要工具来方便地进行多个设计迭 代.他们可通过仿真虚拟测试这些设 计.单个 CAD 模型要花一个星期来 准备,完整的全新炉灶设计至少需要

100 天的时间. ANSYS SpaceClaim Direct Modeler 在ANSYS Workbench 中 集成能让工程师更快地修改和研究 设计变更,所需时间比过去大大缩 短.惠尔普巴西分公司的工程师近期 利用这些工具为消费者市场设计一款 全新的炉灶面.工程师首先用公司 的参数化 CAD 系统创建基线设计, 随后将 STEP 文件导出到 ANSYS Workbench 设计环境,从而突破参 数限制. SpaceClaim Direct Modeler 的 优势在于 : 它对导入模型采用模式识 别来确定用户进行编辑时的目的,这 样模型就能像完全参数化一样进行操 控.举例来说,即便没有将口袋定义 为一种特性,用户也能选择它,而软 件则能实时识别这种特性,并让用户 修改尺寸或移动位置,同时不会分解 成为线和弧形等单个实体. 燃气灶实例 就燃气灶而言,惠尔普巴西分公 司的工程师首先用 SpaceClaim 工具 自动发现并修复了模型表面之间的空 隙和重叠部分.该工具可充分应对原 始模型的大部分问题.工程师用其它 SpaceClaim 工具校正附加区域,包 括清理小特性和填充孔洞.只需选择 表面和边缘并拖放或移动到适当位置 就能进行进一步的编辑.只需

4 个小 时,模型就能准备好进行网格剖分和 仿真. 网格具有

250 万个节点和

1020 万个四面体、六面体、楔形和金字塔 单元.惠尔普巴西分公司的工程师利 用EDC 燃烧模型和 SST 湍流模型运 ANSYS ADVANTAGE 2015年|第3期|第IX 卷20 消费者商品 通过用于 CFD 前处理的 ANSYS SpaceClaim 修复高级几何结构 ansys.com/93spaceclaim ? 温度图上燃料的等体积百分比 行ANSYS Fluent CFD 燃烧仿真.在20 个内核的高性能计算(HPC)平 台上运行仿真的时间为

36 个小时. 结果显示了燃料和一次气体的质量 流、一氧化碳密度和炉灶面的表面温 度.惠尔普巴西分公司的工程师还编 写了计算燃烧炉效率的脚本.仿真显 示了初始设计中许多需要改善的关键 区域. 工程师利用 SpaceClaim 生成了 总共

16 次迭代,来研究端口和喷头 几何结构的变化.他们重点观注主燃 空气卷吸量,这是反映空气参与燃烧 效率的指标,表示为恰当化学计量空 气量的百分比.在设计迭代过程中, 工程师将主燃空气卷吸量从 36% 提 升到 52%.这能生成稳定的火焰, 支持几乎彻底的燃烧,确保了高效 性,并尽可能减少一氧化碳的生成. 完整设计过程需要大约

65 天, 比此前方法使用的时间缩短 35%. 该应用说明通过让仿真工程师利用仿 真技术快速便捷地准备几何结构能显 著节约时间和成本,同时也证明了能 利用仿真技术确定高效设计. 惠尔普巴西分公司得到 ANSYS 在南美的顶 级渠道合作伙伴 ESSS 的大力支持.