家用洗衣机流体动力学：基于3DEXPERIENCE平台开发高效家用设备

本文将介绍依托 3DEXPERIENCE 平台原生提供的流体动力学工程师（FMK）角色，使用基于Navier-Stokes方程的计算流体动力学（CFD）软件，解决洗衣机、滚筒干衣机开发过程中复杂流体力学问题。

核心要点

‑ 计算流体动力学（CFD）可帮助白色家电制造商，在制作物理样机之前，掌握洗衣机与滚筒干衣机内部水、空气的流动状态。

‑ 洗衣机洗涤剂盒多相仿真案例：洗涤剂盒三个进水口均以 0.01 kg/s 进水，水流首次到达出水口的时间约为 2.65 秒。

‑ 滚筒干衣机离心风机瞬态仿真案例：风机转速 2000 rpm，空气输送流量约 0.22 kg/s，产生约 92 Pa 的升压。

‑ 风机仿真结果显示壳体出口位置流动湍流程度高，该区域是几何优化的首要候选位置。

‑ 两项研究均采用达索系统3DEXPERIENCE 平台上的流体动力学工程师（FMK）角色。后续可开展参数化试验设计研究以及 AI 代理模型研究。

引言

洗衣机、滚筒干衣机是千家万户十分熟悉的设备，属于家居环境的核心设备，被高频使用。尽管应用十分普遍，但绝大多数使用者并不会思考设备背后的物理机理。大家习以为常地认为设备可以高效完成衣物洗涤与烘干，且不会损伤织物，但这背后需要精密工程作为支撑。

为什么流体动力学对家用电器至关重要

从表面上看，洗衣机、滚筒干衣机这类家用电器归属于家居与生活方式行业。虽然酒店、医院等工业场景也会使用，但主要应用场景是家庭。但随着设备复杂度不断提升，它们实际上同样属于高科技行业。这类家用设备具备丰富的数字化洗衣程序，还可以接入智能家居，与手机互联。

无论是家居生活行业还是高科技行业，能效都处于至关重要的地位。对于普通家庭用户，高能效意味着更低的电费，同时拥有更小的碳足迹。因此，制造企业降低产品能耗，能够提升产品市场竞争力。

为说明白色家电研发人员如何借助基于纳维‑斯托克斯方程的计算流体动力学（CFD）改善设备能耗，本文展示两组基于3DEXPERIENCE 平台流体动力学工程师（FMK）角色完成的研究案例。第一组仿真数字化复现洗衣机洗涤剂盒进水充水过程，用于研究缩短盒体充水时长；第二组对滚筒干衣机离心风机的升压开展数值仿真，探究合理的风机设计如何降低能耗。

如何模拟仿真洗衣机洗涤剂盒充水过程

图 1 展示洗涤剂盒模型，该模型为商用洗衣机洗涤剂盒经过抽象简化后的版本。如图 1a，盒体包含三个进水口与一个主出水口。XZ 平面剖切的截面图（图 1b）可以看到，洗涤剂盒内部，流体先汇集至三个子腔室，再流入连通主出水口的收集腔。YZ 平面截面（图 1c）可以更清晰看到：流体从其中一个进水口流入子腔室，之后汇入底部收集腔，再流向主出水口。

流入盒体的介质为水。为复现该工况，搭建瞬态纳维‑斯托克斯仿真。在 FMK 流体场景应用中定义多相物理域，软件默认选用体积流体法，也是当前唯一可用算法。定义两个相：空气（气相）、水（液相）。湍流模型选用可实现 k‑ε 模型，该模型对内流工况表现更佳。边界条件设置：每个进水口水质量流量 0.01 kg/s；出水口表压 0 Pa。

该多相仿真需要精准捕捉气‑水交界面，采用统一加密的收敛体积网格（CVM），最大网格尺寸 1 mm；盒体特征尺寸约 200 mm，生成约 1100 万网格单元。设置 CFL 数为 5（该数值对多相仿真足够安全），仿真物理时长约 4 秒。

仿真完成后，可在 FMK 物理结果浏览器查看水体积分数云图，直观观察盒体充水随时间变化过程，时序结果如图 2。水从进水管道流入，填充各个子腔室，虹吸腔内液位逐步抬升，最终排入主收集腔，再流入洗衣机滚筒。

如需获知水流首次抵达主出水口的时刻，可查看出水口平面质量流量随时间变化曲线，见图 3。结果可见水流大约在 2.65 秒开始抵达出水口，出水口水质量流量持续上升，逐步趋近稳态值。

图 2：洗涤剂盒充水时序仿真结果

图 3：洗涤剂盒出水口平面质量流量曲线

如何仿真滚筒干衣机离心风机内部气流

图 4 为滚筒干衣机离心风机模型，该模型是商用设备径向鼓风机抽象简化版本。模型包含壳体与离心叶轮。叶轮旋转时，流体从中心流入，沿径向被甩出，流向风机壳体出口。

图 4：滚筒干衣机离心风机 (a) 轴测视图 (b) 截面视图

流经风机的介质为空气。在基于纳维‑斯托克斯方程的 FMK 流体场景应用中采用两步仿真策略。第一步，使用移动参考系（MRF）圆柱包裹风机，开展稳态仿真，迭代 2000 步。将稳态仿真输出的速度场、压力场作为初场，启动瞬态仿真；瞬态仿真物理时长 0.1 秒，固定时间步长 0.001 秒。关键设置：将移动参考系切换为滑动网格，风机对应的网格单元真实旋转。

两步仿真全部采用可实现 k‑ε 湍流模型，适配内流工况。边界条件设置：滞止入口、表压 0 Pa 出口，风机转速 2000 rpm。网格采用收敛体积网格（CVM）默认自动设置，最大单元尺寸约 6 mm；计算域特征长度约 450 mm，网格单元总数约 110 万。

仿真全部结束后，再次打开 FMK 物理结果浏览器。使用按速度大小着色的流线可视化风机内部气流，时序结果如图 5。可以清晰看到气流从壳体入口进入风机中心，之后沿径向甩出流向壳体出口。如图 5 所示，壳体出口位置气流湍流强度很高，该区域可以开展几何优化，改善风机性能。

同时需要评估径向风机的质量流量与升压，使用二维历史曲线输出结果，见图 6。进出口质量流量约 0.22 kg/s，满足质量守恒；风机升压约 92 Pa，说明离心风机可有效对气流增压，之后气流送入干衣机稳压腔。

图 5：滚筒干衣机离心风机气流时序仿真结果

图 6：径向风机质量流量与升压曲线

CFD 如何帮助家用电器提升能效

家居生活行业与高科技行业正在不断融合。洗衣机、滚筒干衣机这类高度数字化的复杂白色家电，已经不能单纯归属于家居品类。随着公众对能耗、碳足迹愈发关注，白色家电厂商必须尽最大努力降低产品能耗。

本文案例表明，对洗衣机洗涤剂盒、滚筒干衣机离心风机开展数字化仿真，可以分别对充水时长与径向风机性能做数字化优化，在产品投产之前解决能效相关问题。综上，3DEXPERIENCE 平台原生集成的 CFD 仿真软件，能够助力实现可持续消费。

后续方向：设计探索与 AI 代理模型

本文家用设备相关研究可以沿两个方向继续拓展。

第一，应用达索系统 MODSIM 建模‑仿真一体化范式，同时作用于洗衣机洗涤剂盒与滚筒干衣机离心风机。依托 FMK 与 3DEXPERIENCE平台 CATIA 计算机辅助设计应用的直接连通能力，将两个零部件的参数化模型投入试验设计（DOE）研究，充分探索充水时长、风机性能对应的设计空间。

第二，引入人工智能与机器学习。依托虚拟孪生物理行为（VTB）技术开展更高效的试验设计研究：使用大量 FMK 仿真训练深度学习代理模型，几乎可以瞬时查询 DOE 设计空间，实现充水时长与风机性能优化。

常见问题解答

什么是 VOF 体积流体法？

体积流体法（VOF）是一种 CFD 技术，用于仿真水与空气这类互不相溶的两种流体。每一个网格单元记录各流体占据的体积占比，仿真可以追踪两相自由界面。VOF 是 FMK 流体场景应用所使用的多相流算法。

家电仿真为什么选用可实现 k‑ε 湍流模型？

洗涤剂盒、滚筒干衣机风机均属于内流工况，流体在封闭流道内运动。可实现 k‑ε 模型对内流工况仿真表现良好，因此两项研究均采用该模型。

移动参考系（MRF）与滑动网格有什么区别？

移动参考系网格保持不动，通过旋转坐标系求解旋转部件流动，可快速得到稳态结果。滑动网格在每一个时间步真实旋转部件对应的网格，能够更加精准捕捉时间相关效应。滚筒干衣机案例中，使用移动参考系仿真结果初始化滑动网格瞬态仿真。

CFD 仿真中的 CFL 数是什么？

库朗‑弗里德里希斯‑列维（CFL）数关联时间步长、网格尺寸与流动速度，表征一个时间步内流体穿过多少个网格单元。较小 CFL 数保障瞬态仿真稳定且准确；洗涤剂盒仿真选用 CFL=5，满足仿真要求。

多相仿真网格需要多精细？

网格必须足够精细，才能够解析两相流体交界面。洗涤剂盒案例中零部件特征尺寸约 200 mm，统一最大单元尺寸 1 mm，生成约 1100 万单元；单相风机仿真网格相对粗糙，最大单元 6 mm，约 110 万单元。

本案例使用了哪些软件？

两项研究全部使用达索系统 3DEXPERIENCE 平台的流体动力学工程师（FMK）角色：FMK 流体场景应用完成仿真前处理与求解；FMK 物理结果浏览器完成结果可视化与曲线输出。

作者简介

Dr. Faron Hesse：2016 年获得伦敦帝国理工学院机械工程工学硕士学位，求学期间曾在红牛 F1 车队担任空气动力学性能工程师，随队获得维特尔车手总冠军。之后于伦敦帝国理工学院攻读流体动力学资助研究硕士，又取得车辆空气动力学博士学位。2019 年加入达索系统，担任 T&M 供应商流体行业流程顾问。

Svetlana Bludovskaia Jeronimo：ECAL SIMULIA 流体团队经理，行业流程顾问经理。负责各类行业 CFD 客户项目，涵盖空气动力学、气动声学、热仿真。拥有波鸿鲁尔大学计算工程理学硕士学位，精通仿真驱动工程与流体动力学解决方案。