Mô phỏng kỹ thuật định hướng phát triển quạt không cánh

Bạn có thể tưởng tượng được một chiếc quạt không có cánh sẽ như thế nào không? Vâng, đúng là có tồn tại chiếc quạt không có cánh đó. Nếu đây là lần đầu tiên bạn nghe thấy khái niệm này thì bạn cũng giống như tôi lúc trước, rất bất ngờ và tất nhiên có cả nghi ngờ.

Để tôi cho các bạn thấy hình hài chiếc quạt không cánh trông như thế nào nhé.

Hình 1. Chiếc quạt không cánh phiên bản đầu tiên - Quạt không cánh của Dyson

Sản phẩm vô cùng sáng tạo và đột phá này của Dyson Ltd, một công ty công nghệ sáng tạo ở Anh của nhà sáng chế, thiết kế công nghiệp tài năng tên là James Dyson.

Các bạn có tò mò muốn biết chiếc quạt này hoạt động như thế nào và nó có đặc điểm gì nổi bật hơn so với chiếc quạt truyền thống không?Xin mời đọc ở bài viết đó ở đường dẫn này của chúng tôi nhé.

Còn ở đây, chúng tôi muốn cho các bạn thấy vai trò và sức mạnh của mô phỏng kỹ thuật trong việc phát triển thiết kế sản phẩm quạt không cánh.

Mô phỏng kỹ thuật định hướng phát triển sản phẩm

Sản phẩm quạt không cánh hay quạt Dyson ra đời từ năm 2009, đến nay sự phát triển thiết kế đã có thêm nhiều bổ sung về hình dáng, hiệu năng và cả những chức năng mới đáp ứng đa dạng nhu cầu sử dụng.

Ngay từ những ngày đầu phát triển ý tưởng sản phẩm cho đến hành trình 10 năm cải thiện và tối ưu sản phẩm quạt không cánh của Dyson luôn có sự đóng góp to lớn của công cụ mô phỏng kỹ thuật trong việc hỗ trợ đội ngũ kỹ sư và nhà thiết kế.

Ý tưởng quạt không cánh (bladeless fan) các kỹ sư của Dyson được xuất phát từ những ý tưởng thiết kế cơ bản là không khí được hút vào bằng một bộ cánh quay, sau đó dòng khí đẩy đi và tăng tốc khi đi qua kênh dẫn hướng có bề mặt như dạng cánh máy bay và có độ dốc thoải tạo hiệu ứng Coanda như hình ảnh dưới đây.

Hình 2. Ý tưởng sáng tạo xuất phát từ những điều cơ bản đã biết

Thiết kế ban đầu này có tỷ số khuếch đại dòng khí khoảng sáu lần nhờ thiết kế kênh dẫn khí hình tròn, song như thế còn quá khiếm tốn và cần được cải thiện tốt hơn.

Để cải thiện hiệu năng sản phẩm sáng tạo đột phá này liệu có phương pháp nào ngoài sử dụng cách thức truyền thống là sử dụng nguyên mẫu vật lý (prototype) mang thử nghiệm không?

Thực tế là mỗi thiết kế kênh vòng dẫn khí mất vài ngày để tạo dựng, thêm nữa là thời gian đo đạc trong thí nghiệm và cần vài ngày để lắp ráp và thử nghiệm trong hầm gió, tổng là hai tuần cho mỗi thiết kế.

Trước sản phẩm quạt không cánh này, các kỹ sư của Dyson đã từng gặp khó khăn tương tự với các sản phẩm sáng tạo khác của mình là máy hút bụi và máy sấy cầm tay.

Để vượt qua các khó khăn thiết kế của các sản phẩm đó, họ đã sử dụng công cụ phần mềm mô phỏng kỹ thuật ANSYS Fluent để mô phỏng dòng chảy không khí mà không cần tạo nguyên mẫu.

Hình 3. Kết quả mô phỏng phân bố vận tốc dòng khí của quạt không cánh

Với kinh nghiệm tận dụng sức mạnh của công cụ mô phỏng kỹ thuật trước đó, các kỹ sư của Dyson tiếp tục áp dụng trong quá trình phát triển sản phẩm quạt không cánh.

Với khả năng mang đến hiển thị hóa dòng chảy qua miền tính toán, mô phỏng kỹ thuật đã giúp các kỹ sư có được sự thấu hiểu theo cách trực quan nhất về thiết kế và từ đó định hình ra phương hướng cải thiện sản phẩm.

Trong quy trình phát triển sản phẩm quạt không cánh với sự hỗ trợ của phần mềm mô phỏng kỹ thuật ANSYS, các kỹ sư Dyson đã tận dụng triệt để và áp dụng linh hoạt các công cụ vào mô phỏng các chế độ hoạt động, thay đổi hình dạng và kích thước của thiết kế.

Đầu tiên với nguyên mẫu ban đầu, các mô phỏng 2D được thực hiện nhanh chóng để xác nhận độ chính xác của mô hình dòng chảy. Bước tiếp theo, đánh giá một chuỗi các thiết kế với mục đích để tăng tỷ số khuếch đại dòng khí đạt tối đa với công suất tiêu thụ và kích thước đã cho.

   

Hình 4. Kết quả mô phỏng đường dòng đi qua biên dạng kênh dẫn của quạt không cánh

Tiếp tục, các kỹ sư của Dyson tiến tới mô phỏng 3D các yếu tố chính tác động lên hiệu năng của sản phẩm như: khe hẹp của kênh dẫn khí hình tròn, biên dạng bên trong của kênh dẫn và biên dạng ngoài của bề mặt dốc.

Bề mặt dốc của mặt ngoài kênh dẫn khí của quạt không cánh Dyson sẽ phải áp dụng hiệu ứng Coanda hiệu quả nhất để mở rộng sự lan tỏa không khí ra không gian rộng hơn.

Hình 5. Hành trình không khí đi qua quạt không cánh Dyson

1. Không khí được hút vào bởi cánh quạt hướng trục; 2. Dòng khí được tăng tốc qua khe hẹp và bề mặt dốc;

3. Không khí phía sau “cảm ứng” bị hút theo; 4. Không khí xung quanh cuốn theo dòng

Các kết quả mô phỏng đã rất nhất quán trong việc dự đoán xu hướng hiệu suất được quan sát, điều này đã giúp đội ngũ kỹ thuật tự tin vào kết quả mô phỏng.

Nhóm kỹ sư đã thực hiện tính toán mô phỏng lặp hơn 200 thiết kế khác nhau tức là nhiều gấp 10 lần số lượng mẫu thử nguyên mẫu có thể thực hiện theo cách truyền thống.

Và thành tựu đạt được thật tuyệt vời, hiệu năng thiết kế cuối cùng của quạt đạt gấp 2,5 lần tỷ số khuếch đại của thiết kế ban đầu, có nghĩa là dòng khí đi qua quạt không cánh đạt tốc độ gấp 15 lần dòng khí đầu vào.

Hình 6. Dòng khí đi qua quạt không cánh được tăng tốc 15 lần

Sự thành công vang dội trên thị trường của quạt không cánh Dyson là thành quả xứng đáng cho nỗ lực, kiên trì và tính sáng tạo đột phá của nhóm kỹ Dyson. Một sản phẩm cách mạng, thay đổi hoàn toàn suy nghĩ về một sản phẩm tưởng như “không thể phát minh lại” như chiếc quạt.

Đóng góp vào thành tựu đáng tự hào đó của Dyson, các công cụ phần mềm mô phỏng kỹ thuật chính là chìa khóa giúp họ vượt qua khó khăn, tiết kiệm chi phí và hiện thực hóa ý tưởng ra thị trường trong thời gian nhanh chóng mà không thể thấy được với cách thức truyền thống.

Các bài viết liên quan :

• Quạt không cánh, sản phẩm sáng tạo sử dụng công nghệ mô phỏng kỹ thuật

• Mô phỏng kỹ thuật các hiện tượng vật lý của quạt không cánh

--------------------------------------------------------------------------------

Tác giả: Ths. Trần Minh Ngọc - Advantech,Jsc.

Làm ơn ghi rõ "Nguồn Advantech, Jsc." hoặc "Theo www.advantech.vn" nếu bạn muốn phổ biến thông tin này