ANSYS助力戴森无叶片风扇设计

ANSYS软件流体流动模拟推动诞生无叶片风扇设计。该风扇由研究、设计和开发部门经理Richard Mason，流体力学高级工程师Frédéric Nicolas，流体力学工程师Robin Pitt，英国戴森研究设计与开发中心Malmesbury设计完成。

在2009年发布时被国际广泛认可（包括被任命为《时代》杂志列出的最佳产品）的戴森空气倍增器™风扇无论从技术还是风格上都重新设想了家庭用风扇。该风扇无叶片的设计消除了普通家用风扇的冲击和狂暴。然而，戴森工程师们从该出发点考虑一开始却面临着挑战：以往开发和优化设计的新风扇与这种类型的设计经验不同。从历史上看，该公司依靠物理模型来设计开发，但是这样产生的成本和时间严重限制了需要评估优化的数百个设计备选的新产品方案。为了给这种新风扇增加实验测试和减少开发时间，戴森工程师们使用流体力学软件ANSYS可以每天评估多达10个不同的设计方案。

戴森空气倍增器风扇的想法是基于工程团队测试戴森Airblade™烘手机。这种干燥设备通过生成一层很薄的空气以每小时400英里的速度将水从用户的手中脱离。观察到该产品中空气层产生一个副作用，即拖着相当部分的周围的空气。于是团队想出一个新主意：产生一个窄的，拖着周围空气的高速层空气（这一过程称为抽吸）通过风扇，然后带动更多空气流过该产品，这一过程称为夹带，然后就产生了戴森空气倍增器风扇。这种独特的方法消除了传统风扇需要的外部叶片，并且提供了一种就像自然微风一样感觉的更为顺畅流动的空气。

为了这种新的，无叶片风扇，戴森工程师们开发了一种基本的设计理念：空气被卷入由叶轮组成的基础单元时，加速通过一个环形孔径，然后经过一个在其方向上的翼形坡道流出。最初设计的风扇放大比率（每单位初级电流拖动的空气量）为六比一，但成品需要大幅提高。传统方法的评估设计是对环孔使用快速物理原型。然而，单个环的建造就需要几天时间，加上额外的测量和手工完成时间，最后，再需要几天组装和测试该环的时间，总共评估下来每个设计需要花最少两周时间。在之前的开发项目中戴森面临过类似这种的流体设计挑战，特别是真空吸尘器和烘手机工作线。与之前一样，该公司工程师们利用ANSYS FLUENT软件模拟流体流动而不需要使用物理原型来克服了这些问题。通过划分域这种解决方案能够假设流体流动，有助于工程师获得直观的设计理解和指导快速改进。软件从域划分子域的功能可以大大加快修改设计的过程。例如，为了在关键区域获得最大精度，环孔周围的子域包含一个非常密集的网格。一旦某些地方做出了改变，团队可以在包含了这个变化的子域里面重新划分网格，这样重新划分网格的时间就从一个多小时减少到了约10分钟。

首先将风扇底部的空气注入通过环形槽，然后抽吸周围的空气获得更多的流动。

戴森空气倍增器风扇设计的环横截面显示了速度分布区域。在内环速度较慢的空气（深蓝色和浅蓝色的分布区域）流过旁路斜面和一个狭窄的开口（绿色、黄色和红色的分布区域）来加速。

戴森工程师们初次仿真原始模型是通过验证流体流动模型准确性。每种情况下，他们建模使用二维、稳态、不可压缩、湍流气流使用k-epsilon湍流模型的方法。二维建模的优点是网格划分简单和求解时间相对较短，缺点是流场比较简单。然而，ANSYS软件与预测观察到的性能趋势是相当一致的，这给工程团队增强了对仿真结果的信心。

下一步是评估一系列设计迭代，主要目标是加入一个给定尺寸和功耗的风扇放大比率来获得可能的最大空气量。戴森工程师们迅速着手研究对性能有重大影响的三个维度：环孔间距，环孔的内部形状和斜面的外部形状。该团队通过仿真软件在一天之内就能设计和建模这些维度的10种几何变化，然后花一夜时间就能计算出这一批的结果。使用流体动力学模拟的另一个主要的好处是：工程师们能够建立各种设计下的气流速度和传递流量的关系（一个关键的性能指标）。

在设计过程中，戴森工程师们稳步提高风扇的性能，最后设计出一个放大比率为15：1的风扇，比最初比例为6：1的概念设计提高了2.5倍。使用仿真，团队研究了200种不同的设计迭代，这比原来最初使用的设计工具“物理原型”多了10倍的数量。物理测试仅用来验证最终设计和相关的仿真分析结果。随着许多评论家好评，戴森空气倍增器风扇已经在市场上获得了巨大的成功。通过优化设计性能和减少样机数量，ANSYS仿真软件对这项成果做出了显著的贡献。

该团队使用仿真方法研究了200种不同的设计迭代，这比原来最初使用的设计工具“物理原型”多了10倍的数量。

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