Las simulaciones de dinámica de fluidos mejoran el diseño de electrodomésticos
En el competitivo mundo del diseño de electrodomésticos, en particular de refrigeración, cocina, lavandería, lavavajillas o campanas extractoras, ampliar los límites de rendimiento significa comprender mejor cómo funcionan estos productos. Las regulaciones ambientales más estrictas, junto con los requisitos de experiencia del usuario más sofisticados, empujan los diseños hacia territorios donde el comportamiento físico sutil comienza a desempeñar un papel más destacado. Esto puede significar fases de desarrollo y prueba largas y costosas.
Por ejemplo, la gestión de la humedad dentro de los compartimentos de refrigeración es un área en la que comprender la condensación, la transferencia de calor y el flujo de aire es crucial para desarrollar un producto de mejor rendimiento.
La empresa de diseño de electrodomésticos Fisher & Paykel, con sede en Nueva Zelanda, utiliza el software Ansys para realizar simulaciones en las primeras etapas del desarrollo de productos con el fin de identificar y corregir posibles problemas, así como optimizar los diseños para cumplir con diversos criterios de rendimiento. Tuvieron especial éxito utilizando Ansys Fluent y la dinámica de fluidos computacional (CFD) para realizar mejoras en la fabricación de hielo en sus productos de refrigeración.
Simulación de refrigerador Fisher & Paykel
Las simulaciones también se utilizan ampliamente durante todo el proceso de desarrollo, especialmente cuando surgen diversos cambios de diseño a medida que maduran los diseños de los sistemas relacionados. Estos análisis tienden a ser un caso de evaluación de múltiples soluciones para priorizar aquellas que son más prometedoras. Debido a las diferencias sutiles entre algunas de estas soluciones y a la incertidumbre experimental, la CFD se ha convertido en el medio más confiable para su evaluación.
Comprender los desafíos de la fabricación de hielo
El objetivo de Fisher & Paykel era desarrollar una máquina para fabricar hielo de mayor rendimiento, lo que requiere aumentar el flujo de aire sobre la bandeja de hielo para mejorar la velocidad de fabricación de hielo. Esto implicaba crear un sistema de distribución de aire capaz de canalizar un flujo uniforme sobre la bandeja de hielo.
No fue una tarea fácil, ya que la empresa tuvo que redirigir parte del aire primario que ingresa al compartimiento del congelador hacia la máquina de hielo. Los desafíos: lidiar con los cambios abruptos en la dirección del flujo y desarrollar un diseño que pudiera funcionar con una variedad de modelos de refrigeradores diferentes.
En las conversaciones iniciales, la empresa se dio cuenta de que los deflectores múltiples no funcionarían debido al flujo de aire caótico y en remolino en la fuente. La solución es una zona que permite que el flujo se almacene lo suficiente de manera controlada antes de liberarlo en la máquina de hielo.
Diseño inicial de la máquina de hielo (izquierda) y diseño final (derecha) que muestran una distribución de velocidad mejorada sobre la bandeja de la máquina de hielo.
Mejorar el rendimiento de la fabricación de hielo
Los ingenieros de Fisher & Paykel crearon diseños iniciales utilizando perfiles de barrido simples de extremo a extremo y trayectorias de flujo relativamente complicadas debido a la necesidad de que el aire realice cambios direccionales drásticos en dos direcciones transversales ortogonales en una longitud corta.
La solución fue un rediseño del perfil del conducto utilizando un único deflector para controlar mejor la difusión a través de los dos planos ortogonales de forma independiente. Esto dio como resultado una reducción del 67 % en la pérdida de presión en comparación con el diseño inicial.
Inspirada por el movimiento giratorio del agua de la superficie del suelo al sortear un obstáculo (y con la ayuda del solucionador Adjoint de Fluent), la empresa optimizó el diseño para producir un flujo con una dirección principal alineada con la bandeja de hielo. Esto dio como resultado un aumento de velocidad promedio de más del 50 % y produjo un perfil de flujo más simétrico sobre la bandeja de la máquina de hielo, lo que ayuda a mejorar significativamente el rendimiento de la máquina de hielo.
Un diseño optimizado produjo un flujo que se alineaba con la bandeja de hielo, lo que resultó en un aumento de velocidad promedio de más del 50% y un perfil de flujo más simétrico sobre la bandeja de la fábrica de hielo.
Cómo se diseñó el campo de flujo
El flujo que ingresa al conducto se dirige hacia una cámara cilíndrica, lo que fomenta un movimiento de remolino con un eje en dirección transversal al flujo primario en la entrada del conducto. Esto permite la traslación lateral del flujo primario, al tiempo que minimiza las pérdidas. Luego, el flujo se libera detrás de la máquina de hielo a través de un segmento corto de conducto recto. Aquí, la característica abultada/cilíndrica aguas arriba de la salida del conducto fomenta y facilita el movimiento de remolino transversal, que es clave cuando se intenta producir un flujo unidireccional sobre la bandeja de hielo.
Durante todo este proceso, se utilizaron ampliamente simulaciones de CFD de Fluent. Este uso de la simulación resultó mucho más rentable y rentable en comparación con la producción y prueba de diseños impresos en 3D, que requerían tres días por iteración de diseño. La empresa podía realizar simulaciones de CFD en un solo día. Además, al buscar una forma orgánica para lograr los criterios de rendimiento dados, la capacidad de transformación de formas del solucionador Fluent Adjoint fue un enfoque superior en comparación con la creación manual de iteraciones de diseño discretas.
Las simulaciones de CFD también revelaron una descripción detallada del campo de flujo, lo que mejoró la comprensión de los ingenieros sobre el comportamiento del flujo. En comparación con las pruebas físicas, la capacidad de tener un mayor control del entorno de prueba en un modelo virtual también ayudó a Fisher & Paykel a refinar el diseño del producto. Además de observar los comportamientos del flujo de aire, era fundamental que los ruidos generados aerodinámicamente también se mantuvieran al mínimo para producir un refrigerador silencioso. Para esto, la empresa utilizó simulaciones aeroacústicas de Fluent para garantizar que se cumplieran los requisitos de nivel de ruido dentro del análisis de CFD y las pruebas físicas para evaluar el diseño final.
