行业分享丨提升苏泊尔空气炸锅性能，Altair ultraFluidX助力家电仿真研发

以下是具体演讲内容：

作为一名产品工程师，在使用了Altair软件过后发现他们在家用电器的研发领域表现非常优秀。目前我们有很多研发需求，所以仿真计算的工作量是比较大的。

今天主要分享利用Altair软件改善空气炸锅的噪声性能。噪声是一个非常接近生活的参数，人们每天开车上班、晚上睡觉都会听到声音，对噪声早有了解。关于噪声的定义，通常被归类于打扰人们生活或者影响人们情绪波动的声音源。

炸锅的噪声其实是很小的，那么为什么我们要研究它呢？因为现在家电的性能（包括转速、烹饪时间）提升以后，整体的声音也更大了。最典型的是破壁机，目前破壁机的仿真计算开始做了，而炸锅是优先做完的，所以本次主要分享炸锅。

本次分享分为三个部分：

一、空气炸烹饪过程；

二、Altair ultraFluidX模型创建；

三、分析结果与实验测试对比。

空气炸烹饪过程

使用过空气炸锅的可能会注意到，炸锅是双热风循环的，双热风是指内外锅的热风，如下图所示，炸锅里有加热管，加热管有好几种类型：远红外加热管、碳纤维加热管等。现在300元以上的空气炸锅普遍使用的是远红外加热管，200元左右的空气炸锅使用的是一般的加热管。

使用不同的加热管会有很大的差别，远红外加热管的炸锅是食物内外一起加热的，一般的加热管（例如冬天烤火的电炉丝）是从表面加热的。内外一起加热和表面加热是不一样的。在炸锅的锅底部有个风机进行外部循环，炸锅上面还有个风扇循环（如下图），所以叫双循环加热。

外部循环加热主要是为了防止空气炸锅烫手，很多做过饭的人可能经常遇到被锅烫手的情况。双循环加热就解决了这个问题。利用了大循环以后，整个风扇的转速会提升，目前转速大概在2800～3000转左右，这样的转速在空气炸锅里算比较高的。

那么转速提高有什么好处呢？会使烹饪速度加快，以前炸鸡可能需要一个小时，转速提高之后，可能45分钟就炸好了。

接下来看下空气炸锅的烹饪曲线，纵轴是炉心的温度，现在炉心温度大概在控200度左右，比较好一点的炉心温度大概在180度。根据不同的食谱，温度是不一样的。烤面包大概在100度左右，烤发酵面粉大概在80度。

空气炸锅的功能很多，以前做馒头包子等需要发酵，都会放在比较暖的地方，而现在放在空气炸锅就可以发酵。另外空气炸锅还可以解冻，当食物从冰箱速冻层拿出来无法立即处理的时候，放进空气炸锅大概5分钟就可以解冻了。

Altair ultraFluidX 模型创建

为了更好地提升产品性能，我们把Altair软件和我们的产品相结合，创建自己的模型。将3D模型导入到Altair软件之后，比以前的软件方便很多。我做过近15年的仿真，2023年之前一直使用其他公司软件做仿真，2023年之后开始用Altair软件做仿真。

其他公司仿真软件的非常大的前期工作是处理模型，网格前处理是让我非常头疼的事情。而Altair ultraFluidX 是LBM无网格方法前处理自动化程度高，减少了工作量。

在建模过程中，Altair软件的自动清理功能显著提高了效率。以往的软件在处理离散点时，需要手动清理，这不仅耗时而且影响最终的收敛性。而Altair软件能够自动识别并清理这些点，使得模型更加干净，减少了工作量。此外，Altair软件的图示化优点也非常明显，它能够提示用户下一步的操作，几乎不需要简化，直接就可以使用。

气动噪声仿真的计算量很大，为了解决这些问题，公司计划在未来几年内建立一个大型的仿真研发中心，以提高研发效率和产品质量。

仿真模型的虚拟麦克风的设置跟实验室的测试环境可以完全一致。

分析结果与实验测试对比

在利用Altair ultraFluidX进行空气炸锅噪声性能的仿真分析中，我们得到了一系列有价值的结果，这些结果与实验测试进行了对比，以验证仿真的准确性和实用性。

我们的分析从最初的模型开始，通过观察声波的声场和风压声场的动态效果，能够明显感受到噪音的级别。

在优化方案中，我们考虑了三个主要方向：降低转速、减少叶片数量和调整叶片角度。通过仿真分析，我们发现降低转速并不是最优选项，所以我们主要考虑减少叶片数量和调整叶片角度。如图所示，前面是离心风机，后面是轴向风机。轴向风机在波动过程当中明显比离心风机要小，可以看一下图中红色的传播范围。

这个研究报告促进了我们空气炸锅的噪声从55分贝降到了40～45分贝，提高了10%的性能，使我们今年在欧洲的空气炸锅销量增加了50%，差不多增加了20亿销售额。这一成果充分证明了仿真的力量。

如下图，是我们优化的两个选项，第一个是降低转速，降低转速之后整体的热扩散就减少了。大家都知道空气炸锅烹饪的肉比较脆，因为风机把水分带出去了，空气炸锅顶部留个孔就是为了排水汽的。只有把水跟油气排出去了，炸锅烹饪出来的口感才会脆。转速降低以后，排气能力明显下降了，这不是我们需要的点，所以我们把它放弃掉。

第二个是降低了叶片的高度，调整以后扩散的速度也在下降，这个也不是我们想要的。因为我们希望排气速度能快一点。

第三个是调整了叶片的角度。调整角度以后尽管排气比较慢，但是角动量会增大，第一张图是离心风机，第二张图是轴向风机。轴向风机表现更差，所以在整个优化过程当中，我们就能看到下一步产品的优化方向：调整叶片的角度，提高转速，转速提高会带来噪音问题，所以要非常谨慎地解决。

总体看一下最后流场的结果：

第一个：降低转速；第二个：减少叶片数量；第三个：改变叶片角度；第四个：轴向风机。通过这几张渲染图就可以看出来角度改变对最后结果影响是最小的。

从下图，我们可以明显看到整个空气炸锅在上下搅动的过程中内外双循环的回路。

可以看到，不同的优化方向最终计算出来的结果是不一样的，通过Altair软件不需要费力做网格建模就可以得出最后结果，非常方便，加快了研发周期，降低了研发成本，提高了研发产能。

如下图，是我们风扇的一些基本参数，经过仿真优化以后，我们得出了OPT3是比较好的，所以我们现在重点投入OPT3。

接下来看一下OPT3的声带曲线的对比，从这个对比可以看出来，绿色的噪音是最小的，这也是我们目前在用的。风速大概在2400转的时候，嗓音是依次下降的。很多欧洲客户喜欢安静，会选择最大程度减少噪音。

最后看一下声带的范围、频率和噪音的对比，无论左边还是右边，噪音都下降了。这个就是我们比较喜欢的设计。

最终的优化结果展示了通过仿真计算需要用到哪些资源，从不同方案仿真的曲线可以看出来，原版仿真在八百赫兹的时候，噪音是比较大的。优化之后，总的声压级能达到40～45dBA了，那么这45dBA就是我们目前的生命线。后续除了空气炸锅，破壁机、静音水壶、电磁炉能耗等都可以做流体仿真。

综上所述，Altair ultraFluidX在空气炸锅噪声性能改善方面发挥了重要作用，我们的仿真计算和实验测试结果也相互印证了这一点。未来，我们将继续利用Altair软件进行更多的家电产品仿真优化工作，以提高产品性能和市场竞争力。