粒子ベースシミュレーションによる食器洗浄機設計の最適化
食器洗浄機の設計には、シミュレーションを利用して分析および最適化できる側面がいくつかあります。これらの多くは、CFD（数値流体力学）シミュレーションを実行することで調査できます。たとえば、設計エンジニアが通常検討する側面には以下のものがあります：
スプレーノズルの最適化：
エンジニアにとって、スプレーノズルの形状のさまざまなパラメータを変更することが全体のスプレーに与える影響を知ることは常に重要です。これには、ノズルのサイズ、形状、位置、およびスプレーアームに沿ったノズルの数を変更することが含まれます。最終的な目標は、水の最適な分配と洗浄効率を確保することです。
食器洗浄機のバスケットおよびラックの設計の改善：
食器洗浄機の全体的な設計を改善する重要な側面は、内部のスペースを効率的に利用して食器洗浄機の容量を増やすことです。これには、個々の食器洗浄機のバスケットの設計を変更して食器の保持容量を増やし、食器洗浄機内のラックの総数を増やすためにその配置を最適化することが含まれます。
インペラーおよび配管システム内の流体の流れの分析：
CFDシミュレーションを使用して、食器洗浄機のフード下の部品、例えばインペラーや配管システム内の流体の流れを分析することも可能です。このようなコンポーネント内の流体をシミュレートすることで、流体の量と速度、およびさまざまな動作条件下でこれらのコンポーネント内で流体が及ぼす力に関する情報を抽出できます。
食器の配置の最適化：
おそらくユーザーの観点から最も興味深い情報は、一般的に使用される食器アイテムの最も効果的な洗浄を確保するための食器洗浄機内の最適な配置方法に関するベストプラクティスを知ることです。食器洗浄機の設計最適化に関する洞察を得ることに加えて、メーカーはシミュレーションからそのような情報を取得し、ユーザーにベストプラクティスの提案を簡単に提供することができます。
PreonLab は、自動車産業の多くのアプリケーションにおいて、粒子ベースのシミュレーションツールとして先進的な存在です。しかし、その独自のPREON®テクノロジーの利点は、自由表面流を含む多くの異なるアプリケーションのシミュレーションに拡張できます。実際、PreonLabのメッシュフリーアプローチと単相、複相、熱シミュレーションを実行する能力は、食器洗浄機の設計のさまざまな側面を洞察し、最適化するための非常に有用なCFDツールとなります。メッシュフリーの特性により、設計変更のたびに複雑な形状のメッシュを作成するための時間と専門知識を必要としません。例えば、従来のメッシュベースのツールでは、設計変更後に新しいシミュレーションを実行する前に、変更されたCAD形状を再メッシュする必要があります。対照的に、PreonLabではこの再メッシュステップが不要で、古い形状を新しい形状に置き換えるだけでシミュレーションをすぐに開始できます。これが図1に示されています。このため、迅速なプロトタイピングにとって重要な時間と労力を節約できます。
PreonLabは、ジオメトリがソフトウェアにインポートされた後、シミュレーションと結果分析のすべての側面を処理するオールインワンツールです。シミュレーションの設定から結果分析およびレンダリングまで、エンジニアは同じソフトウェアを使用して洞察を得ることができます。
加えて、PreonLabはCPUおよびマルチGPUでのシミュレーションをサポートし、最適なシミュレーションパフォーマンスを確保します。その独自の暗黙の定式化は、SPHの本来のパフォーマンス上の利点に加え、大きなタイムステップ（CFL 1）でのシミュレーションを安定性を損なうことなく可能にします。さらに、Continuous Particle Size（CPS）などの高度なアルゴリズムにより、適応的な粒子の精細化と粗大化が可能となり、RAMおよびVRAMの要件と計算時間を最小限に抑えることができます。
さらに、ソフトウェアにはPreonPyと呼ばれる独自のPythonベースのAPIが装備されています。 Preon ソルバーおよびPreonLabにあるほとんどの機能はPreonPyを介してアクセスできます。これにより、シーンのロードおよび保存、プロパティの変更、シミュレーションの実行、および統計の取得が可能です。この機能は、動作条件、ノズル形状、スプレーアームの運動学、流体特性、または食器および食器ラックの配置の変更により、複数のシミュレーションバリアントを作成する必要がある場合に特に強力です。図2は、Python-APIであるPreonPyを使用してシミュレーションバリアントを迅速に生成し、迅速なプロトタイピング戦略を改善するためのワークフローの例を示しています。
PreonLabによる食器洗浄機のシミュレーション
ビデオ1では、PreonLabでの単相シミュレーションの例が示されています。水を表す流体粒子がスプレーアームのノズルから放出され、固体の食器に水が噴霧されます。シミュレーション結果は、内蔵のPreonRendererを使用してレンダリングされます。
ビデオ1：PreonLabによる食器洗浄機のシミュレーション
さらに、汚れの除去を分析するために多相シミュレーションを行うことも可能です。ニュートン流体および非ニュートン流体の特性を使用して、食器に付着した食べ物の残留物をシミュレートし、食器洗浄機の洗浄効率を調査することができます。ビデオ2では、シミュレーション内でいくつかの皿に付着したケチャップのような残留物やカボチャスープのような残留物を水流がどのように洗い流すかの例が示されています。
ビデオ2：汚れ除去を示す食器洗浄機のシミュレーション（マルチフェーズ）
収集できるインサイト
設計エンジニアがスプレーノズルの形状や方向を最適化することで水の分布を改善したい場合、PreonLabのウェッティングセンサーを使用して流れのパターンを分析することができます。実際、そのためにはシミュレーションの設定を簡素化し、食器をシミュレーションから除外することが可能です。代わりに、スプレーアームの上に配置された平面を使用して、ウェッティングセンサーを平面に接続することで、いくつかの設計バリエーションのウェッティングパターンを簡単に観察することができます。図3はその例を示しています。この初期段階で望ましい結果が得られたら、設計を反復的に適応させ、その後、全体のセットアップでテストすることができます。
通常、スプレーアームの運動学は、一定または可変の回転速度でアームの回転を定義することで簡単に設定できます。さらに、スプレーノズルからの水流によって発生する力を考慮してスプレーアームの動きを考慮することも可能です。これは、スプレーアームと流体の相互作用を捉えることができるPreonLabのリジッドボディソルバーを使用することで可能です。この例はビデオ3で見ることができます。
ビデオ3：PreonLabのリジッドボディソルバーを使用したスプレーアーム（剛体）と水（流体）の相互作用のシミュレーション
最も重要な洗浄効率の側面は、食器洗浄機内の水の分布と、それがすべての食器にどの程度到達できるかです。シミュレーションでは、ウェッティングセンサーを各食器オブジェクトに個別に接続することができ、各オブジェクトの瞬間的および累積的な湿潤を追跡することができます。この情報を基にして、食器洗浄機の洗浄能力を最適化するために変更が必要かどうかを判断することができます。
もう一つの側面は、汚れを除去するために、食器に十分な力で水を噴射する必要があることです。同時に、過剰な力によって食器が損傷することがあってはなりません。もちろん、すべての食器が同じ素材で作られているわけではなく、通常、それぞれが耐えられる圧力の限界が異なります。さらに、食器洗浄機のバスケット内での配置も、水の噴射との相互作用に影響を与えます。PreonLabでは、フォースセンサーを使用して、シミュレーション内の食器ごとに壁面せん断応力を個別に分析することができます。その結果、噴射された液体が食器に与える影響を追跡し、効率的な洗浄のための最適な運転条件を決定する際に、どの食器も損傷しないようにすることが可能です。
ビデオ4では、ウェッティングセンサーとフォースセンサーを使用して、湿潤パターンの進化と食器のせん断応力分布を視覚化しています。
さらに、食器の配置が不完全であるために残留する液体の量を予測できることが重要です。例えば、図6はビデオ1で示されたシミュレーションでカップの上に形成された水たまりを示しています。水たまりが形成されるため、運転中にすべての水が排出されるわけではありません。シミュレーションから得られた洞察を基に、バスケットの設計を変更するか、カップの配置を変更して、このような水たまりが形成される量を減らすことを検討することができます。
最後に、洗浄プロセスの熱力学を理解することは設計エンジニアにとって非常に重要です。流体力学に加えて、PreonLabは熱効果の分析も可能にします。PreonLabの熱機能を使用して、エンジニアは共役熱伝達（CHT）モデルを使用して包括的な分析を行うことができます。ビデオ5では、60°Cの温水ジェットが最初に20°Cのカップに当たり、その結果としてカップの温度変化が視覚化されます。
ビデオ5：PreonLabの共役熱伝達を使用した洗浄プロセス中のカップを温める熱水ジェットのシミュレーション
ここで示されているのは氷山の一角に過ぎません。単相、多相、または熱のいずれであっても、PreonLabの広範なシミュレーションおよびデータ処理機能のおかげで、食器洗浄機の設計および洗浄効率のさまざまな側面を分析および最適化することが可能です。食器洗浄機の設計プロセスを最適化し、スピードアップし、コストを削減するための効率的なソリューションを得ることができます。さらに、PreonLabの非常に効率的なソルバーコード、メッシュの必要がないこと、マルチプラットフォームサポート、および便利なPython API-PreonPyのおかげで、ユーザーはシミュレーションワークフローを加速し、迅速なプロトタイピング戦略の一環として、さまざまな設計および運用条件を迅速にシミュレートすることができます。
多数のシミュレーションを実行することで貴重な洞察が得られます。これらの食器洗浄機のシミュレーションを効率的に管理する方法を知りたい場合、スマートなウェブベースのインターフェースがあります。FIFTY2のエンジニアがどのようにしてすべてのPreonLabシミュレーションを監視し、シミュレーションバリアントを整理し、結果と統計を比較し、FIFTY2 Technologyの新しいツールを使用してチームメイトと連携しているかをご覧ください。: PreonDock.