【技术应用】康明斯使用Simcenter3D Ray Acoustics预测和优化电解槽噪声

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商业挑战
•        在夜晚安静地生产氢气，以降低电力成本并遵守当地法规
•        减少构建大型机器原型的时间和成本，以确保声学合规性
•        寻找一种新方法来模拟具有多个宽频噪声源的大型机器的声学性能
成功的关键
•        利用Simcenter 3D Ray Acoustics射线声学对大型机器的声学性能进行建模和仿真
•        借助于顺畅的学习，在西门子的支持和培训服务下采用仿真软件
结果
•        在制造之前使用仿真准确的预测噪声以促进可持续性
•        利用Simcenter 3D简化模型创建，将仿真准备时间从数小时缩短到数分钟
•        预测系统特性并增强HyLYZER（PEM电解水制氢设备系列）声学性能
从化石燃料到新能源
康明斯总部位于印第安纳州哥伦布市，是全球电力技术领导者，以其柴油发动机和发电机而闻名。全球范围内有60000名团队成员，分散在各个业务部门，在过去的100年里，他们设计和制造电力解决方案。正如Heraclitus所说：“没有什么是永恒的，只有变化。”在这个不断变化的世界里，脱碳是许多公司的商业驱动力，新技术和产品战略对康明斯来说是必不可少的，以推动更可持续的未来。康明斯正在从传统的化石燃料燃烧系统转向采用更清洁的技术，利用其数十年的研究和创新，开发新的电力解决方案，以可持续地利用自然资源。电池系统、燃料电池和氢气生产都包含在这一新的电力组合中。康明斯与西门子数字化工业软件公司合作，使用Simcenter3D软件模拟电解槽的声学特性。Simcenter 3D是西门子Xcelerator软件、硬件和服务业务平台的一部分。



下一代绿色氢能
随着社会开始走向脱碳，清洁氢的作用至关重要。回想一下你的第一节化学课——你学过元素周期表，地球上最简单的元素是氢。氢通常不单独存在于自然界中，必须由含有它的化合物（如水（H2O））产生。到目前为止，世界上大约95%的氢仍然来自化石燃料。康明斯是少数几家在电解(将水分子分解为氢和氧)清洁零碳制氢方面拥有专业知识的公司之一。HyLYZER聚合物电解质膜（PEM）电解槽是一个现场氢生成器，这是康明斯多年来不断改进和创新的成果。该系统的设计便于现场安装。电力和模块化单元产生可扩展的氢气生成系统。
处理权衡
权衡在工程中是很重要的。当在设计阶段早期做出关键决策时;我们如何确保这是最好的选择?以HyLYZER产品为例，夜间的电力通常更便宜，因此在夜间生产氢气具有商业意义。然而，夜间噪声水平必须符合当地严格的噪音法规。有人可能会说，“让我们建立一个原型并测量实际的噪声水平”，如果每个系统都是相同的，这是可以接受的方案，但这些机器非常大，原型成本高昂，而且是可扩展/模块化的。此外，每个模块化配置都可以产生不同的声级，这与最初的物理测试结果不同，更不用说每个安装地点可能有不同的当地噪声法规。因此，物理原型测试的时间和成本限制对康明斯来说风险太大，因此决定利用其丰富的仿真经验，评估潜在的软件解决方案，以确保在产品开发初期符合声学要求。
短时间内预测噪声水平
康明斯在设计噪声、振动和声振粗糙度(NVH)方面一直处于领先地位。由基于仿真的客户集成经理Rohit Saha和VIC客户工程技术顾问Sanjay Kabra领导的康明斯团队已经在利用传统的有限元法(FEM)和边界元法(BEM)来解决组件和子系统级别的性能问题。在HyLYZER系统级别，问题规模达到数千万个自由度(DOF)，尽管高性能计算硬件有所进步，但在计算上仍具有挑战性。传统的声学仿真方法（FEM声学有限元和BEM声学边界元）对于具有多个宽带噪声源的大型模型来说是不切实际的。 康明斯已经与西门子建立了密切的合作关系，他们引入了Simcenter3D Ray Acoustics作为解决方案。与FEM或BEM声学求解器不同，射线声学解决方案不是基于对声场区域的精细离散化，因此可以使用更为粗糙的网格。使用Simcenter3D Ray Acoustics可以帮助您简化模型创建，并使用镶嵌网格将模型准备时间减少到几分钟。这一点，加上固有的快速求解时间，使康明斯能够在几分钟内预测整个频率范围的系统行为。凭借这些增强的预测能力，康明斯将符合声学性能的HyLYZER交付给了最终客户。

易于使用的软件
学习一种新的工具和技术对任何工程师来说都是一项挑战。西门子的支持和培训服务为康明斯的工程师提供了一条实现投资价值的快速途径，使其能够顺利采用并缩短学习曲线。“我的背景是结构有限元分析分析，所以射线声学对我来说是一门新的学科。” Kabr说。“在西门子的指导下，我能够快速上手，建立模型并准备好结果。”“使用Simcenter3D Ray Acoustics将我们的建模和求解时间从几周减少到了几个小时，为每种HyLYZER配置留出了更多的时间进行假设研究。” Kabra说。“我们无法在产品制造和组装后确定性能问题，所以能够在短时间内使用模拟来证明我们的设计，有助于我们满足项目期限，并让我们的客户满意。最终，使用Simcenter3D帮助我们在制造阶段之前实现了更高的产品声学性能置信度。”