关于增材制造-3D打印技术在发酵行业的应用，3D科学谷曾经介绍过一种GE公司为啤酒酿造商设计的新型刀片，这款刀片采用3D打印技术制造，拥有特殊的内部通道，能够在切碎和搅打麦芽时将水注入其中。在这一应用中，GE利用类似于航空航天领域空气动力学的专业知识将过滤和喷射过程的时间减少了近50％，这意味着啤酒酿造商可以在一天之内将啤酒酿造量增加一倍。

      无独有偶，通过3D打印来提高空气入流速度的技术在北京博硕德恒科技开发有限公司研发生产的空气消泡技术-自动吞沫成套设备中也得到了应用。博硕德恒正在尝试通过3D打印技术提高其设备中螺线管的吸沫能力。

博硕德恒科技的设备广泛适用于生物好氧发酵并产生一般粘滞性气泡的生产工艺中，而螺线管作为自动吞沫机的核心部件，由于内部流通通道的复杂性和特殊性，采用传统制造工艺难以满足现代工艺对螺线管快速低成本研制的需求，而3D打印为螺线管的创新带来了新的空间。

本期的谷.专栏文章完整地展示了安世亚太基于流体优化仿真技术进行螺线管优化设计的分析流程及方法（如图1所示）。

图1 螺线管的优化设计流程。来源：安世亚太

在本文的案例中，先是基于螺线管原始设计对螺线管进行几何建模并参数化，然后通过流体仿真软件获得气流在螺线管内的流动情况，并利用参数优化软件完成对螺线管的设计参数优化，最后通过增材制造技术生产得到优化后的螺线管。

 研究对象及目标

      本文以某种规格螺线管作为分析对象，其原始设计结构如图2所示，通过流体仿真分析，获得空气通过螺线管后的射流速度，并通过优化螺线管的几何结构，提高空气入流速度以及吸沫口内外压力差，进而提高螺线管的吸沫能力。

图2 某规格螺线管原始设计。来源：安世亚太

 参数化建模

按照螺线管的原始结构所建立的流体仿真用计算域如图3所示，并对关注的几何特征参数进行参数化，详情可见表3.1。几何特征的建模及参数化可通过ANSYS DesignModeler进入到后续仿真流程中。

图3 流体仿真所用计算域。来源：安世亚太

表3.1 可进行参数化的几何特征参数。来源：安世亚太

 流场分析

    利用流体仿真软件ANSYS Fluent对螺线管进行流场分析，获得在特定边界与材料属性下空气在螺线管道内的流动情况，得出管道入口的空气进气量和吸沫口内外压力差，并对管道入口的空气进气量和吸沫口内外压力差进行参数化，用于后续optiSLang的参数优化。

     空气在原设计螺线管内的流动情况，如图4所示。从图中可以看出，螺线管入口的空气流速为485m/s，而吸沫口内外压力差为5.255KPa。

图4 空气在原设计螺线管内的速度和压力分布情况。来源：安世亚太

 优化设计

     采用optiSLang对螺线管的几何特征参数进行优化设计，其目标是使得所设计的螺线管在给定压力条件下，管道入口的空气进气量最大，吸沫口内外压力差最大。该优化设计过程分为三步，第一步是参数敏感性分析，即寻找对设计目标和约束最敏感（即最重要）的设计参数，并对设计目标和约束进行响应面的拟合，生成高质量的响应面，用于后续的优化分析。本案例的参数敏感性分析结果见图5，通过分析，发现螺旋数和螺旋叶片数量对设计目标和约束最敏感。

图5 参数敏感性分析结果。来源：安世亚太

(责任编辑：admin)

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