Jak Simulace Zajišťuje Lepší Vysavače

Výpočetní technik Stefan Koch, který vyrostl ve švýcarském Romanshornu, byl od samého začátku společnosti Dyson nadšený. Dokonce i v den zahájení v roce 2016 cítil ve společnosti fascinující atmosféru. „Každý byl velmi motivovaný a odhodlaný využívat své know-how ke splnění vysokých požadavků na nové produkty Dyson, které mají být vyvíjeny,“uvádí Stefan Koch. "Vzali mě do laboratoří a vysvětlili svůj přístup k základnímu výzkumu a vývoji produktů." Byl jsem nadšený kampusem Dyson v anglickém Malmesbury a bylo mi to okamžitě jasné: chci zde pracovat!

Po ukončení bakalářského studia strojního inženýrství v Winterthuru absolvoval švýcarský magisterský titul z aerodynamiky v Southamptonu. Dnes je vedoucím aerodynamického inženýra v Dysonově výzkumu a je zodpovědný především za péči o podlahu. Tam vede pětičlenný simulační tým, který pracuje se softwarem Ansys.

Obrázková galerie

Galerie obrázků se 7 obrázky

Jak vznikají myšlenky v Dysonu

Dyson byl vždy velmi experimentální. Tyto experimentovat a zkoušet, co byla a je důležitou součástí tvůrčího procesu diskutování a vyhodnocování. Jako výsledek, mnoho prototypů bylo stavěno a testováno, pak zlepšil a testoval znovu. Tento přístup vytvořil zakladatel společnosti James Dyson, který pro první bezsáčkový vysavač postavil 5 127 prototypů.

„Snažíme se nepřetržitě provádět optimalizace, ale také zásadně řešit stávající výzvy, abychom našim zákazníkům poskytli nejlepší možné produkty pro danou oblast použití,“zdůrazňuje Stefan Koch. Například nejnovější bezdrátové vysavače od společnosti Dyson mohou díky své vysoké sací síle zcela nahradit běžné vysavače. Sací síla Dyson Cyclone V10 byl ve srovnání s předchozím V8 zvýšil přibližně o 20%. Sací výkon V11 zahájený na začátku roku 2019 byl zvýšen o dalších 15%.

Vývoj produktů

Přehodnocení vývoje produktu

Simulace v centru vývoje

„Drobné a vyzkoušené je v naší společnosti DNA,“vysvětluje výpočetní technik. „Ačkoliv se dnes vývoj zaměřuje na simulace, prototypy stále hrají velmi důležitou roli. Protože musíme znovu a znovu ověřovat a testovat naše návrhy, abychom získali skutečný pocit, jak se s našimi výrobky zachází. “

V Dysonu se numerické simulace používají hlavně dvěma způsoby:

• Na jedné straně se k vyhodnocení nových nebo modifikovaných konceptů používají jednoduché a rychlé simulace.
• Na druhé straně umožňuje pochopit složité fyzikální procesy, které například probíhají tak rychle, že měření lze provádět pouze s velkou námahou nebo vůbec.

Zde Stefan Koch pojmenuje podlahovou trysku vysavače, který pracuje při 3000 otáčkách za minutu. Je to pro něj jeden z nejsložitějších vícefázových systémů, který zahrnuje kartáče a koberce, jakož i částice v rozsahu nanometrů a také velké množství prachu. Chcete-li vytvořit si reálný testovací systém, aby provedla vhodná měření se zdá těžko proveditelné pro něj.

Proti rostoucím požadavkům pomocí simulace

Simulační aplikace v konečném důsledku umožňují efektivní nový vývoj a optimalizaci produktů a součástí, aby bylo možné znovu a znovu prezentovat vylepšené produkty na trhu. Stefan Koch dále zdůrazňuje: „Frekvence, se kterou uvádíme na trh nové produkty, se enormně zvýšila. Podle mého názoru to bylo možné pouze rozsáhlým využitím simulace. Protože simulace jsou nejlepším nástrojem pro rychlý a efektivní vývoj produktů. Poskytují nejen znalosti o fyzickém chování produktu, ale také vám umožňují nahlédnout dovnitř a pochopit, co se tam děje. “

Simulace dokumentace

Jak simulace zlepšuje vývoj produktu

Co musí udělat dobrý výpočetní technik?

Stefan Koch odpovídá základním tvrzením o otázce potřebného výpočetního výkonu, který lze zvýšit paralelním využitím procesorů:

„Výpočetní inženýři mají povinnost intenzivně přemýšlet o tom, jak lze problém nejlépe vyřešit pomocí simulací. To znamená, že se používá nejen tolik procesorů, kolik je možné, ale také se uvažuje o tom, jak lze vytvořit rozumný simulační model. K tomu musím přemýšlet o tom, co přesně chci vědět a jaký model nebo softwarový nástroj k tomu potřebuji. Musí být rovněž objasněno, jak podrobné by měly být výsledky a jaké aspekty by měly být brány v úvahu a jak. Potřebuji 3D výpočet a který model turbulence je nejvhodnější? Moje zkušenost je: Čím jednodušší mohu navrhnout svůj simulační model, tím snazší bude později interpretovat výsledky a vyvodit z nich závěry. Jinak by se mohlo stát, že mě povodně zaplaví. Všechna tato kritéria odlišují dobrého výpočtového inženýra od jednoduchého uživatele softwaru. “

Chytrý inženýrský den

Digitalizace výroby vyžaduje přehodnocení vývoje produktů. Den inteligentního inženýrství nabízí pomoc při rozhodování o výběru nejvhodnějších metod pro návrh, návrh a vývoj inteligentních produktů a strojů.

Více informací

Jak Dyson používá simulaci ve vývoji produktů

Optimalizace toku: Nové dostupné softwarové funkce:

• Rozhodnutí o koupi při výběru vysavače závisí hlavně na jeho sacím výkonu, životnosti baterie a filtračním systému. To je důvod, proč se výpočetní inženýři společnosti Dyson soustředí na optimalizaci těchto vlastností produktu, například na zvýšení sacího výkonu pomocí lepších motorů a kompresorů.
• Díky novým softwarovým funkcím vznikají zcela nové přístupy k optimalizaci toku. Doposud lidé vždy navrhovali lopatkové kolo a upravovali stupně volnosti a parametrů, ale nyní tuto část práce může provádět software. To je výhoda, protože lidé musí myslet problémy nelineárně a hledat řešení, která nemohou intuitivně rozpoznat. Na druhé straně s řešením Ansys Fluent Adjoint Solver lze geometrie optimalizovat velmi efektivně.
• Po výpočtu průtokového pole použije Adjoint Solver studie citlivosti k analýze toho, jak je třeba upravit geometrii, aby se zlepšil tok. „S touto modifikovanou geometrií pak cyklus začíná znovu, dokud nebudeme spokojeni s výsledkem simulace toku,“uvádí Stefan Koch. „Po 10, 20, 30 nebo dokonce 40 iteracích získáme optimalizovanou geometrii lopatkového kola, která nám poskytne požadované výsledky toku. Jak bychom se mohli pokusit dosáhnout takového výsledku? “

Minimalizujte nežádoucí zdroje zvuku:

• Podobný postup se používá pro minimalizaci šumů způsobených tokem kolem oběžného kola. Abychom lépe porozuměli procesům na zadní hraně oběžného kola, používá se lokálně simulace Detached Eddy Simulation (DES). Může být použit pro generování výsledků s vysokým rozlišením, ve kterých je akusticky relevantní turbulence počítána efektivně, což vyžaduje hodně času a výpočetního výkonu.
• Mohla být podrobně analyzována síla a frekvence vertebrálních odchylek. Výsledkem bylo, že intenzita zdrojů zvuku s vlnitými hranami oběžného kola není tak vysoká jako u rovných koncových hran a díky simulacím byl hluk snížen. Testy také ukázaly, že úpravy skutečného lopatkového kola přinesly snížení hluku, které simulace slíbila.

Spárovaná obousměrná simulace částic:

• Je však také důležité podívat se na jednotlivé cyklony vysavače, které slouží jako odstředivé separátory, aby se zvýšila sací síla. Tok v cyklonech - někdy více než tucet soustředně uspořádaných - je vždy nestabilní kvůli globální nestabilitě, takže je třeba analyzovat abstraktní pojem různých režimů proudění. I zde jsou nutné rozsáhlé podrobné výpočty, aby se získaly výsledky s vysokým rozlišením pro jednotlivé struktury turbulencí, takže účinnost depozice může být dále zlepšena.
• Jednotlivé sporadické víry, které snižují účinnost depozice, lze zabránit úpravami, které byly provedeny na základě odpovídajících simulačních výsledků. „Abychom toho dosáhli, museli jsme jít do podrobností, například, abychom mohli ve výpočtech vzít v úvahu prachové částice v různých velikostech - od mikrometrového rozsahu po velikost tzv. Bavlněných myší“, vysvětluje výpočtový technik.
• K tomu používá simulaci spárovaných obousměrných částic, protože proud vzduchu ovlivňuje částice a naopak koncentrace částic v cyklonech tok zpomaluje. Je třeba mít na paměti, že v cyklonech jsou vytvářeny nepředstavitelné odstředivé síly, které jsou stotisíckrát gravitační síly. To může mít za následek kolísání tlaku a vibrace, které způsobují vibraci cyklónu, což má za následek tlakové ztráty a hluk, a samozřejmě snižuje účinnost separace.

Problémy s více měřítky s ohledem na filtr:

• Pokud jde o simulace filtrů, Stefan Koch vysvětluje: „Pro mě jako inženýra jsou fascinující a zároveň noční můrou.“Protože s filtry je třeba zvážit problém s více měřítky, na jedné straně je to filtrační systém, který má několik centimetrů a na druhé straně mikroúrovňová vlákna s nanometrovými vlákny ve filtrech a nejmenší částice, které by se tam měly zachytit.
• Kromě různých řádů velikosti je třeba vzít v úvahu také různé časové stupnice. To je při simulaci stěží možné. Proto inženýři společnosti Dyson ve spolupráci s Oxfordskou univerzitou [Printingypar, Galina & Bruna, Maria & Griffiths, Ian. (2018). Vliv mikrostruktury porézních médií na filtraci] vyvinul homogenizovaný multiscale model, se simulací pro makro problém a jeden pro mikro problém. Simulace toku filtračním materiálem je spojena s výpočtem separace částic ve filtru, takže změny v pórovitosti filtru jsou vráceny do makro simulace.

Zaměření na simulaci a demokratizaci systému

Na otázku, jaké budoucí kontaktní body budou při simulaci zohledněny, vidí Stefan Koch dvě důležité oblasti: „Již nyní se stále více díváme na systémy a ne jen na jednotlivé komponenty. Vynikající systém vyžaduje optimální komponenty, ale musí také efektivně spolupracovat. Vylepšujeme to pomocí systémových simulací. Druhou důležitou oblast, kterou vidím v tzv. Demokratizaci simulace. V budoucnu by měl mít každý vývojový technik přístup k používání simulace, aby z výhod mohli těžit všichni. “