評(píng)估UVC-LED殺菌效果時(shí),使用光學(xué)、流體等仿真來計(jì)算殺菌率的準(zhǔn)確性有多高?對(duì)于準(zhǔn)備入行的團(tuán)隊(duì),是否有必要配備專業(yè)的模擬分析人員?殺菌率計(jì)算模型又是如何建立起來的?
這是筆者最近在與幾位業(yè)內(nèi)朋友探討的問題,探討過程中大家從最開始的各執(zhí)一詞到達(dá)成共識(shí),筆者心中也漸漸有了清晰的答案。也許大家心中也有同樣的疑問,下面立刻開始此次的分享,同樣是望能拋磚引玉,與君共勉。
定性分析更具實(shí)用性
UVC-LED應(yīng)用是利用肉眼不可見光去滅殺不可見的微生物,我們需要借助工具間接的去研究這一過程。前輩UVC燈管經(jīng)過幾十年的發(fā)展,各家廠商都已經(jīng)總結(jié)出一套實(shí)用的模擬仿真方法去指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì),UVC-LED目前能夠做到什么程度呢?
業(yè)內(nèi)同行分享的UVC-LED應(yīng)用產(chǎn)品仿真圖
眾所周知,微生物的滅殺率與其接收的UV劑量相關(guān),而UV劑量又與照射強(qiáng)度和時(shí)間相關(guān)。殺菌效果是生物敏感性、光學(xué)、流體三者的綜合結(jié)果,在模擬仿真中,只要其中一方有偏差,最終結(jié)果就會(huì)失真。
光學(xué)仿真的準(zhǔn)確性已經(jīng)在白光LED行業(yè)得到了充分的驗(yàn)證,各種仿真工具也相當(dāng)?shù)某墒臁A黧w仿真工具廣泛運(yùn)用于汽車、船舶、飛機(jī)甚至航天工具的設(shè)計(jì)中,只要運(yùn)用得當(dāng)可信度是可以保證的。光學(xué)與流體的耦合算法也早已運(yùn)用在傳統(tǒng)UVC燈管殺菌產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中,因此通過模擬仿真方法可以得到比較準(zhǔn)確的UV劑量。
主要的誤差來源于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)測試。
目前在專業(yè)文獻(xiàn)上可以查到不同微生物的UV滅活劑量表,這個(gè)劑量是針對(duì)254nm波長的傳統(tǒng)UVC燈管而言的,由于微生物對(duì)于不同波長UVC光的敏感性不同,傳統(tǒng)的劑量表不適用于265-280nm波長的UVC-LED。
下面以大腸桿菌(E.coli)為例,使用UVC燈管達(dá)到99%的滅殺率需要的UV劑量為6.6mJ/cm2,使用UVC-LED要高效一些,達(dá)到99.99%的滅殺率兩家同行給出的UV劑量分別約為3mJ/cm2與5mJ/cm2。
源于美國WQA的UVC燈管殺菌劑量
兩家不同的UVC-LED芯片廠提供的殺菌劑量數(shù)據(jù)
目前還沒有權(quán)威機(jī)構(gòu)放出針對(duì)UVC-LED的殺菌劑量表,少數(shù)有能力的廠商可以自行這些數(shù)據(jù)。由于測試方法、設(shè)備的差異,得到的數(shù)據(jù)也不盡相同。假設(shè)我知到產(chǎn)品的UV劑量,我該參考哪家的數(shù)據(jù)去計(jì)算殺菌率呢?還是說我需要自己實(shí)測才是準(zhǔn)確的?
綜上,現(xiàn)階段通過模擬仿真可以獲得比較準(zhǔn)確的UV劑量,但是無法通過UV劑量準(zhǔn)確推算出殺菌率(部分行業(yè)巨頭除外)。目前對(duì)于絕大多數(shù)廠商而言,通過模擬仿真定性的指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)是比較現(xiàn)實(shí)的方案。
定性分析指導(dǎo)設(shè)計(jì)
組建一個(gè)具備專業(yè)仿真能力的專業(yè)的團(tuán)隊(duì)需要一定的投入,我們預(yù)算有限,是否可以省下這筆費(fèi)用?既然模擬仿真也不是很準(zhǔn),是否可以先“參考”同行的方案,后續(xù)只通過不斷的實(shí)測來驗(yàn)證和修改產(chǎn)品設(shè)計(jì)?我們不急著下結(jié)論,先做一個(gè)假設(shè):
假設(shè)拿到了同行的產(chǎn)品,接下來你要怎么改進(jìn)?做哪些改動(dòng)可以不影響殺菌效果還能規(guī)避對(duì)方專利?我們有沒有可能改的比對(duì)手的原版更好?哪家同行的設(shè)計(jì)的值得參考?
然而光憑一個(gè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和肉眼觀察,我們一無所知。這時(shí)候一個(gè)定性的模擬仿真就能幫到我們。例如下面三張圖沒有任何的數(shù)據(jù),我們依然能直觀的看出設(shè)計(jì)的優(yōu)劣:左圖利用規(guī)則的旋流增加水體的照射時(shí)間,中圖利用低雷諾數(shù)結(jié)構(gòu)避免出現(xiàn)短流,右圖雜亂無章的流線表明其流體設(shè)計(jì)不佳,還有很大的改進(jìn)空間。
三款過流式水殺菌產(chǎn)品的流體模擬圖
不妨再做一個(gè)假設(shè):我們都有遇到產(chǎn)品殺菌測試低不合格的時(shí)候,接下來要怎么做,往什么方向提升殺菌率?
往往大家第一反應(yīng)是UV劑量不夠,加燈搞定。然而加燈意味著加錢,你能否確定目前的燈珠已經(jīng)用盡了全力?是否調(diào)整流體結(jié)構(gòu)增加照射時(shí)間比加燈更劃算?即使真要加燈,光功率要加到多少?散熱是否有問題?用單顆大功率還是用幾顆小功率?是單面照射還是上下兩面同時(shí)照射?以上這些改變是只改一個(gè)還是同時(shí)調(diào)整,各調(diào)整多少才能保證最高的性價(jià)比?
下面是一個(gè)空氣殺菌器的風(fēng)道,風(fēng)自右向左吹,左側(cè)有3顆UVC-LED光源。
圖①的殺菌效果不佳,模擬分析直觀的呈現(xiàn)出問題根源在于光照與氣流不匹配,光分布均勻但氣流分布集中在下方。很容易聯(lián)想到兩個(gè)優(yōu)化方向:
優(yōu)化方向A:光源不動(dòng)氣流動(dòng),把氣流調(diào)均勻。需要更改結(jié)構(gòu),考慮噪音和風(fēng)阻問題。
優(yōu)化方向B:流體不動(dòng)光源動(dòng),光源下移增強(qiáng)下方的光密度,適用于風(fēng)道無法調(diào)整的情況。
A、B兩個(gè)方向都能在幾乎不增加成本的情況下提升殺菌效果。試想一下這時(shí)候如果盲目加燈,是不是花了錢還治標(biāo)不治本?
空氣殺菌器優(yōu)化示意
模擬仿真手段哪怕只能幫我們定性的指引方向,都可以大幅度減少后續(xù)測試的時(shí)間和成本。這些節(jié)省的成本往往會(huì)大于模擬分析人員的花費(fèi)。
具有企業(yè)特色的仿真評(píng)估方法
下圖是UVC-LED應(yīng)用產(chǎn)品研發(fā)流程的一部分,仿真設(shè)計(jì)貫穿于產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中,與結(jié)構(gòu)、ID、電子設(shè)計(jì)是緊密聯(lián)系的并行關(guān)系。
產(chǎn)品研發(fā)流程參考
最初,模擬仿真僅能給產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供方向參考。隨著測試反饋的增多,仿真方法在不斷的修正、進(jìn)化,經(jīng)過一段時(shí)間的積累和試錯(cuò),最終會(huì)形成一套符合本公司產(chǎn)品特性的仿真模型,這套模型可以大幅縮短后續(xù)同類產(chǎn)品的研發(fā)周期。
具體的說,在產(chǎn)品進(jìn)行殺菌效果實(shí)測之前,搜集好所有的原始數(shù)據(jù),包括光源參數(shù)、實(shí)際尺寸、模擬仿真的結(jié)果等。殺菌測試時(shí),最好能現(xiàn)場搜集測試數(shù)據(jù),例如環(huán)境溫濕度、實(shí)時(shí)流速、操作手法等。在拿到殺菌報(bào)告后,對(duì)比實(shí)測和模擬的差異,找出誤差原因并修正參數(shù)。根據(jù)修正后的模型指導(dǎo)產(chǎn)品的調(diào)整,并再次測試,循環(huán)上述過程。有趣的是,這個(gè)過程和練習(xí)投籃是十分相似的。
經(jīng)過日積月累的訓(xùn)練,每個(gè)NBA球星都形成了自己獨(dú)特的投籃手法。手法無所謂好壞,能進(jìn)球就行。同樣的,由于各廠家的測試方法、設(shè)備、產(chǎn)品特性、研發(fā)能力差異,得到的仿真模型往往不具備可比性,無法隨意套用。
以上就是此次分享的全部內(nèi)容,愿大家都能利用好模擬仿真工具,做出暢銷的產(chǎn)品。
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(作者:Boat)
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