Επίτευξη υποχώρησης του θορύβου μέσω της προσομοίωσης – Fan CFD

Με τις συνεχώς αυξανόμενες απαιτήσεις ψύξης σε όλες τις βιομηχανίες, από τους κινητήρες ψύξης έως τον ηλεκτρονικό εξοπλισμό, ο θόρυβος του ανεμιστήρα έχει γίνει ένας από τους σημαντικούς παράγοντες που καθοδηγούν τις αποφάσεις σχεδιασμού στην ανάπτυξη προϊόντων. Η ανάγκη για περισσότερο αθόρυβα μηχανήματα δεν είναι μόνο θέμα απόδοσης, αλλά αποτελεί επίσης μέρος της εμπειρίας του πελάτη και της επωνυμίας.

Λόγω των κυβερνητικών κανονισμών, ο βιομηχανικός εξοπλισμός πρέπει να τηρεί ένα μέγιστο επίπεδο θορύβου για την προστασία των εργαζομένων αλλά και την αποφυγή υπερβολικού θορύβου σε κατοικημένες περιοχές. Σε γενικές γραμμές, ο θόρυβος που παράγεται από τους περιστρεφόμενους ανεμιστήρες είναι ο κυρίαρχος παράγοντας του θορύβου λειτουργίας του εξοπλισμού συνολικά. Όχι μόνο αποκλειστικά στη βιομηχανία βαρέος εξοπλισμού, αλλά και σε άλλες βιομηχανίες που στρέφονται πιο πρόσφατα σε πηγές ηλεκτρικής ενέργειας και πρέπει επίσης να έχουν πλήρη κατανόηση του ακουστικού θορύβου των ανεμιστήρων. Στην αυτοκινητοβιομηχανία, για παράδειγμα, η αυξημένη ηλεκτροκίνηση των οχημάτων απαιτεί μια ισχυρή ανάλυση του θορύβου του ανεμιστήρα για να αποτραπεί ο υπερβολικός θόρυβος λειτουργίας. Ενώ οι ηλεκτροκινητήρες είναι πολύ πιο αθόρυβοι από τους παραδοσιακούς κινητήρες εσωτερικής καύσης, εξακολουθούν να απαιτούν πολλή ψύξη. Ο τελικός στόχος είναι να μετακινείται ο αέρας αθόρυβα και αποτελεσματικά.

Οι φυσικές δοκιμές σε έναν θάλαμο χωρίς ήχο (Ανηχωικός θάλαμος) είναι δαπανηρές τόσο από άποψη χρόνου όσο και από άποψη κόστους, δυνητικά καθυστερώντας τα χρονοδιαγράμματα ανάπτυξης προϊόντων σε ένα συνεχώς ανταγωνιστικό και ευαίσθητο στις τιμές περιβάλλον. Συχνά ο υπερβολικός θόρυβος του ανεμιστήρα ανακαλύπτεται μόνο σε ένα σενάριο δοκιμών πρωτότυπου και τα αποτελέσματα των δοκιμών συγκριτικής αξιολόγησης μπορούν να δώσουν παραπλανητικές πληροφορίες, καθώς ο ακουστικός χαρακτήρας ενός περιστρεφόμενου εξαρτήματος θα αλλάξει σε μια εγκατεστημένη κατάσταση.

Η ανάλυση που βασίζεται σε προσομοίωση μπορεί να παρέχει ακριβείς και γρήγορες προβλέψεις των επιπέδων αερο-ακουστικού θορύβου σε διαφορετικές θέσεις σε εύρη συχνοτήτων. Μπορεί επίσης να δώσει πρόσθετες πληροφορίες σχετικά με τη διάδοση του θορύβου μέσω του μέσου ροής. Σε αντίθεση με τις φυσικές δοκιμές, τα εργαλεία που βασίζονται σε προσομοίωση μπορούν να παρέχουν τόσο συνολικά επίπεδα θορύβου όσο και λεπτομερείς πληροφορίες σχετικά με τις πηγές θορύβου και τις διαδρομές διάδοσης. Το Altair CFD™ φέρνει μια λύση στην αγορά για την εγκατεστημένη ακουστική ανεμιστήρων, υπολογίζοντας απευθείας το πεδίο μεταφοράς και άλλα βασικά σημεία ενδιαφέροντος. Αυτή η εικονική μέθοδος μπορεί να μειώσει σημαντικά τον κίνδυνο αποτυχίας που οδηγεί σε εξοικονόμηση κόστους και χρόνου. Ο επιλύτης Lattice Boltzmann (LBM) της Altair ταιριάζει απόλυτα στην κατανόηση του θορύβου του ανεμιστήρα χάρη σε χαρακτηριστικά όπως η εξωτερική αεροδυναμική υψηλής πιστότητας, η αυτοματοποιημένη δικτύωση και η αποτελεσματική ανάλυση αποτελεσμάτων.

Στο παρακάτω παράδειγμα, η αερο-ακουστική απόδοση ενός ανεμιστήρα προσομοιώθηκε με παρόμοια ταχύτητα και διάμετρο περιστροφής όπως ένας ανεμιστήρας που χρησιμοποιείται συνήθως σε εμπορικά φορτηγά. Ένα μικρόφωνο τοποθετήθηκε επτά μέτρα μακριά από την πηγή θορύβου σε ένα ημι-ανηχωϊκό περιβάλλον και αναλύθηκαν ακουστικά δεδομένα 0,75 δευτερολέπτων. Είναι επιτακτική ανάγκη η συχνότητα του δείγματος να είναι σωστή και να συλλέγεται στο σωστό στάδιο της προσομοίωσης. Κατά τη συλλογή αυτών των δεδομένων, μία από τις μεγαλύτερες προκλήσεις είναι η πολυπλοκότητα του μηχανήματος, καθώς υπάρχουν πολλά μέρη από τα οποία μπορούν να διαδοθούν και να ανακληθούν τα ακουστικά κύματα. Η άμεση προσομοίωση των συναγωγικών φαινομένων αυτής της διαδικασίας είναι επομένως η πιο ακριβής διαδικασία για την πλήρη κατανόηση της αεροακουστικής απόδοσης του ανεμιστήρα. Όπως φαίνεται στο παρακάτω γράφημα, τα αποτελέσματα της προσομοίωσης (εμφανίζονται με μπλε) ακολουθούν καλά τα δεδομένα δοκιμής από τη φυσική δοκιμή (εμφανίζονται με γκρι).

Η ίδια διαδικασία μπορεί να εφαρμοστεί σε έναν ανεμιστήρα κλιματιστικού αερισμού θερμότητας (HVAC). Αυτός είναι ένας εντελώς διαφορετικός τύπος ανεμιστήρα που χρησιμοποιείται συνήθως σε συστήματα θέρμανσης και εξαερισμού αυτοκινήτων. Σε αυτή την περίπτωση, το σύστημα ανεμιστήρα αποτελείται από περίπου 40 λεπίδες με πάχος περίπου 0,5 mm. Τοποθετήθηκαν μικρόφωνα γύρω από το συγκρότημα ανεμιστήρα όπως φαίνεται και έχει ρυθμιστεί μια προσομοίωση για την αναπαραγωγή της δοκιμής όσο το δυνατόν ακριβέστερα. Από την ανάλυση που φαίνεται στο γράφημα, 30 δευτερόλεπτα δεδομένων δοκιμής αναπαρίστανται με μαύρο χρώμα και σε σύγκριση με ένα δευτερόλεπτο δεδομένων προσομοίωσης, που φαίνεται με κόκκινο. Λόγω της διαφοράς στον αριθμό των μπλοκ μέσης τιμής λόγω των σημαντικών διαφορών στη δειγματοληψία σήματος, αναμένουμε ότι τα δεδομένα προσομοίωσης θα περιέχουν περισσότερο θόρυβο από τα δεδομένα δοκιμής. Αυτή η προσομοίωση δημιουργήθηκε για να ελαχιστοποιήσει τον χρόνο εκτέλεσης καθώς υπήρχε ιδιαίτερο ενδιαφέρον για συχνότητες κάτω των 2.500 Hz. Η συχνότητα διέλευσης λεπίδας των 750 Hz καταγράφηκε μαζί με το συνολικό επίπεδο ηχητικής πίεσης.

Και τα δύο παραδείγματα λειτουργούν ως επικύρωση ότι το Altair CFD μπορεί να παρέχει στους χρήστες τα εργαλεία για την ακριβή ανάλυση της ακουστικής απόδοσης ενός μηχανήματος, καθιστώντας δυνατή τη μηχανική κατασκευή προϊόντων σε εικονικό περιβάλλον για τη μείωση του κινδύνου αστοχίας για την ακουστική. Για να μάθετε περισσότερα, παρακολουθήστε εδώ την παρουσίαση.

Η επιτυχής πρόβλεψη του θορύβου του ανεμιστήρα περιλαμβάνει την ακριβή προσομοίωση του θορύβου που παράγεται από δομές τυρβώδους ροής που δημιουργούνται από την παρουσία ενός περιστρεφόμενου αντικειμένου. Ως αποτέλεσμα, η εκτέλεση μιας προσομοίωσης CFD αυτού του είδους είναι μια υπολογιστικά δαπανηρή διαδικασία, η οποία μερικές φορές χρειάζεται αρκετές ημέρες για να ολοκληρωθεί χρησιμοποιώντας υπολογιστική ισχύ CPU.

Ωστόσο, χάρη στις λύσεις GPU της Altair, είναι δυνατή η επίλυση εξαιρετικά γρήγορα βασιζόμενη σε ανώτερη ισχύ επεξεργασίας, που ισοδυναμεί με χιλιάδες πυρήνες CPU. Χρησιμοποιώντας μόνο οκτώ πυρήνες GPU NVIDIA A100, το Altair CFD κατάφερε να λύσει τυπικά προβλήματα θορύβου ανεμιστήρα βιομηχανικού μεγέθους σε μόλις 10 έως 15 ώρες. Ως εγγενής κώδικας που βασίζεται σε GPU, ο επίλυσης Lattice Boltzman της Altair ταιριάζει απόλυτα στην παράλληλη αρχιτεκτονική των GPU της NVIDIA, καθιστώντας δυνατή την εκτέλεση εξαιρετικά παροδικών αεροακουστικών προσομοιώσεων σε έναν μόνο διακομιστή.

Επιπλέον, το Altair® Unlimited® προσφέρει στις εταιρίες τη δυνατότητα να παρέχουν υλικό GPU στο cloud με υπηρεσίες όπως το Google Cloud Platform. Όλοι οι επιλυτές CFD της Altair είναι βελτιστοποιημένοι για χρήση σε συμπλέγματα GPU για ταχύτερες και πιο αποτελεσματικές προσομοιώσεις ανεξάρτητα από την κλίμακα και την πολυπλοκότητα. Χάρη στις εσωτερικές εγκαταστάσεις και τις συσκευές που βασίζονται στο cloud της Altair, οι χρήστες μπορούν να έχουν πρόσβαση σε αυτήν την επεξεργαστική ισχύ εξ αποστάσεως, επιτρέποντας στις εταιρείες να κλιμακώσουν δυναμικά την υποδομή τους.

Η χρήση των GPU για την επιτάχυνση της αριθμητικής προσομοίωσης προσφέρει σημαντικές αυξήσεις στην ταχύτητα και την απόδοση. Αυτό σημαίνει περισσότερες ευκαιρίες για να εξερευνήσετε και να τελειοποιήσετε τα σχέδια, να λάβετε αποφάσεις πιο γρήγορα με βάση πιο ακριβή αποτελέσματα και, κατά συνέπεια, να μειώσετε σημαντικά το χρόνο διάθεσης στην αγορά. Η αξιοποίηση των υπολογιστικών δυνατοτήτων της GPU είναι ένας από τους ακρογωνιαίους λίθους της αποστολής της Altair να ενδυναμώσει τους σχεδιαστές. Για να μάθετε πώς η Altair εκμεταλλεύεται τη δύναμη της GPU, διαβάστε αυτό το άρθρο.

Οι ανεμιστήρες ψύξης λαμβάνουν κρίσιμο ρόλο στον σχεδιασμό του προϊόντος. Η σωστή εφαρμογή μπορεί να σώσει τους κατασκευαστές από δαπανηρές επαναλήψεις επανασχεδιασμού και να προστατεύσει τα ευαίσθητα στη θερμότητα εξαρτήματα ενός προϊόντος κατά τη διάρκεια του κύκλου ζωής του. Μπορεί να αποτρέψει την υπερθέρμανση μιας πλακέτας τυπωμένου κυκλώματος (PCB), παρατείνοντας τη διάρκεια ζωής των ηλεκτρονικών συσκευών ή να διατηρήσει τον κινητήρα και το υδραυλικό υγρό δροσερά σε βαρέως τύπου κατασκευαστικό εξοπλισμό που λειτουργεί υπό ακραίες συνθήκες.

Μόνο ένα πλήρως επιλυμένο μοντέλο ακουστικής CFD με πραγματική περιστρεφόμενη γεωμετρία μπορεί να αποτυπώσει με ακρίβεια το παροδικό αεροακουστικό φαινόμενο των περιστρεφόμενων ανεμιστήρων. Με την προσφορά λύσεων αερο-ακουστικής της Altair, οι μηχανικοί μπορούν να αυξήσουν την απόδοση, μειώνοντας ταυτόχρονα τον χρόνο ανάπτυξης του προϊόντος, το υλικό και το κόστος ενέργειας.

Για περισσότερα σχετικά με την αερο-ακουστική προσομοίωση με το Altair CFD, παρακολουθήστε το webinar εδώ.