BISSEL: испытание новой технологии для уборки шерсти животных в Rocky DEM

Компания Bissel пробовала разные инструменты численного моделирования методом дискретных элементов (DEM) для испытания новой продукции, но ни один из них не отвечал необходимым критериям эффективности и точности. Требовалось что-то иное и уникальное, поэтому инженеры компании обратились к Rocky DEM.

Свою эффективность при разработке нового циклонного устройства доказали инструменты Rocky DEM и ANSYS Fluent.

Мы пользуемся Rocky DEM уже почти год, и за это время он стал незаменимым инструментом для решения наших задач. Это единственное программное обеспечение, в котором есть модель гибких волокон, а также предусмотрена возможность сопряженного CFD-расчета и реалистичного представления частиц. Все это позволяет задавать необходимое количество и форму частиц при моделировании оборудования".

    Кон Люн

     Ведущий инженер по численному моделированию

     компании BISSELL Homecare, Inc.

BISSELL – это семейная компания, которая является лидером в области товаров для ухода за домом уже на протяжении более пяти поколений. Философией компании является стремление к пониманию того, как качественная уборка может повысить уровень комфорта людей, особенно когда дело касается домашних питомцев.  

Являясь в США компанией № 1 в области уборки пола, BISSELL специализируется на устройствах, предназначенных для уборки за животными, таких как пылесосы, пароочистители и электрические швабры.

Когда речь заходит об уборке дома, ахиллесовой пятой всех устройств является неспособность удалить шерсть домашних животных. В связи с этим доктору наук Кону Люну (Kon Leung), инженеру по моделированию в BISSELL, была поручена работа над созданием численной модели движения шерсти внутри пылесоса, которая могла впоследствии быть использована инженерами в процессе разработки нового устройства.  

Так как BISSELL – инновационная компания, в процессе разработки ее инженеры внедряют технологии компьютерного моделирования, используя ANSYS Fluent, программное обеспечение для вычислительной гидрогазодинамики. Расчет, который был необходим команде разработчиков для данного проекта, требовал создания модели частиц и учета поведения воздушных потоков. 

Ранее инженеры уже проводили расчеты, используя различные программные DEM-инструменты моделирования дискретных элементов, но ни один из них не соответствовал требованиям BISSELL к эффективности и точности. В большинстве случаев из-за высокой стоимости вычислений количество гибких волокон (частиц шерсти) в модели было ограничено, что в свою очередь влияло на сроки разработки. В дополнение к этому, другие инструменты для DEM-расчетов имели менее точные модели частиц, из-за чего значительно снижалась общая точность результатов. 

 Инженерам BISSELL было необходимо нечто нестандартное и уникальное, поэтому они обратились к Rocky DEM.

ПОИСК РЕШЕНИЯ

Перед инженерами стояла задача разработать численную модель, сочетающую в себе методы CFD и DEM и имитирующую поток волокон шерсти внутри пылесоса. После прохождения валидации она позволила бы разработчикам BISSELL проводить оценку геометрических параметров и их влияние на производительность, сокращая затраты на создание прототипов и проведение испытаний. 

Предполагалось, что модель будет содержать большое количество гибких частиц шерсти и прогнозировать их поведение по таким параметрам, как гибкость и спутывание волос друг с другом. Также необходимо было учесть влияние газовой среды на волокна в сопряженном расчете с использованием ANSYS Fluent. Одной из основных проблем, с которыми столкнулись в BISSELL, было высокое соотношение длинны волоса к его диаметру, а именно: 4 см к 50 – 130 мкм. Еще одна трудность состояла в том, чтобы с высокой точностью вычислить силу сопротивления для длинных тонких волокон, находящихся в турбулентном потоке внутри циклонного устройства.

Люн выбрал программное обеспечение Rocky DEM, так как в нем можно использовать гибкие волокна. Это позволило смоделировать волокна шерсти с меньшими вычислительными затратами, используя сферо-цилиндры, соединенные виртуальными связями. В Rocky также есть специальный закон сопротивления для волокон, по которому производится точный расчет взаимодействия сплошной среды (газа) и частиц с учетом положения волокна.

СРАВНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАСЧЕТА С ДАННЫМИ ЭКСПЕРЕМЕНТА

После того, как была проведена калибровка коэффициентов DEM – расчета, сопряженная модель была применена для полнофункционального циклонного устройства; экспериментальные данные были получены путем воспроизведения такого теста в лаборатории.

Поведение волокон шерсти внутри устройства оценивалось благодаря сравнению комков шерсти, спрогнозированных в численной модели, и комков, образовавшихся в ходе проведения лабораторного эксперимента. Результаты моделирования и эксперимента показали хорошее соответствие, как видно на Рисунке 1.

Чтобы оценить производительность различных вариантов конструкции, плотность комков шерсти измерялась путем отслеживания областей с высокой концентрацией волокон, как показано на Рисунке 2. 

Рисунок 1 – Валидация модели, основанная на сравнениирезультатов расчета с экспериментальными данными. 

Рисунок 2 -  Область расчета была разделена на мелкие участки, на каждом из которых измерялась концентрация волос. В результате можно было увидеть, в каких областях образовались комки спутанных волокон, и какова была их плотность. 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

«Мы обнаружили, что инструмент Rocky DEM способен тестировать работу новых проектируемых устройств, позволяя сократить количество прототипов, а следовательно, уменьшить затраты времени и средств. Это просто фантастика!» – говорит Люн. «Доказано, что двусторонний интерфейс Rocky-Fluent представляет собой инструмент для прогнозирования поведения шерсти».

Более того, Люн утверждает, что инженеры намерены использовать Rocky DEM и для тестирования других продуктов BISSELL, так как в работе программное обеспечение продемонстрировало свои широкие функциональные возможности применения в различных отраслях производства.

Оригинал доступен по ссылке .