加足马力,全速前进

作者:美国旧金山Nebia公司联合创始人兼首席技术官Gabriel Parisi-Amon与机械工程师Corey Lynn Murphey

初创型公司Nebia志在改变淋浴体验。在研发最具创新性的淋浴喷头时,公司的工程师进行了热性能改善,能在减少淋浴用水量的同时,还确保用户倍感舒适温暖。

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通常,保护环境就意味着做出一些个人牺牲,例如花时间分类可回收物品、走路或骑自行车出行、随身携带可重复使用的购物袋。Nebia的创立,旨在同时实现个人利益及环境效益的兼顾。该公司的创新喷头不仅可将一般淋浴的用水量减少70%,而且还能实现更优异的个人体验,这种体验就是早期用户所说的“变革”。

公司的名称源自意大利语nebbia,意思是“雾”或“薄雾”。Nebia的开创性喷头技术受喷气式发动机喷嘴和农业设备喷嘴的启发,能够产生非常微小的水滴,从而不仅可显著减少用水量,而且还能打造出舒适、笼罩全身的暖云团。这是一种真正意义上的革新理念,能够改变世界各地人们每天淋浴的方式。

创新至上,滴水成川

Nebia背后的理念来自联合创始人Carlos Gomez Andonaegui——墨西哥一家健身俱乐部的总经理。2010年,Carlos希望减少俱乐部每天20,000人次淋浴的用水量,但又不能影响洗浴体验的质量。

他和他父亲Emilio(一位退休工程师)设计出了几款早期雾化喷头的原型,能够形成非常微细的水雾。为了完善这个想法并实现商业化,Carlos招募了一个管理团队,其中包括Gabriel Parisi-Amon和Philip Winter。Parisi-Amon此前的工作经验是在苹果公司管理产品供应链,而Winter一直在为针对发展中国家提供清洁水技术而不懈努力。在落实各种专业技术后,Nebia于2013年正式成立。

这是一种真正意义上的革新理念,能够改变世界各地人们每天淋浴的方式。

仿真助力工程工作

然而,Nebia在向国际市场推出创新的淋浴喷头产品之前,研发团队需要克服一个严峻的工程挑战,对于习惯了热气腾腾淋浴的消费者来说,这或许是无法接受的难题。

Nebia的核心雾化技术叫做H2MICRO™,源自农业及航空航天应用,这两个领域通常不考虑水温问题。但在淋浴喷头中应用时,该技术出现了一个严重的工程缺陷:小液滴形成了很大的表面积,这就意味着当喷雾遇到室温空气时,热能会快速丢失。水在刚离开喷头时是热的,但到达淋浴者身上时就凉了很多。Nebia的工程师明白了他们必须解决热损耗问题。

Nebia showerhead
Nebia正在申请专利的H2MICRO喷嘴系列采用ANSYS软件设计,高密度聚合物喷头外壳。

过去,Nebia采用的工程方法是先构建喷头原型,并对其进行测试,然后再创建新的原型。该流程不仅成本高,而且非常耗时。新部件到位、部件装配、新设计的彻底测试,可能需要几周时间才能完成。

创新是Nebia的一贯承诺,因此管理团队开始寻求设计与验证流程的替代方法,以便在充分利用高级工程技术的同时,加速产品的发布速度。一旦 Nebia设计团队开始利用ANSYS CFX和ANSYS Fluent的强大功能来解决热损耗问题,相关情况立即就获得显著改观。令人惊喜的是,一名工程师现在每天能研究12种设计迭代方案的热性能,再也不必针对单个原型设计耗费整整一周的时间仅为进行一次物理测试。

热损耗:一连串的设计挑战

Nebia showerhead
 
Nebia的工程团队创建了一款可改变市场竞争格局的淋浴喷头系统,能在奢华的感受与显著的环保优势之间获得完美平衡,从而通过一个易于安装和使用的直观套件实现美感、功能性与可持续性的全方位结合。

使用ANSYS的CFD解决方案,Nebia可以分析成百上千种喷头设计变量的热效应,例如喷嘴的喷水角度、水滴大小、水流的压力和速度、喷嘴几何结构,以及喷头的内部水流等。

Nebia设计团队发现,每一个因素都在热损耗管理中发挥非常重要的作用。但是,这些设计因素也会影响淋浴体验的其它重要方面,因此公司的工程团队必须做出一系列的设计权衡。

例如,较大的液滴尺寸也许会更有效地保持热能,但可能对人体的撞击力度过大,无法保持品牌所坚持的雾一般的淋浴效果。此外,这可能还会消耗过多的水量,无法达到Nebia严格的节水目标。同样,较快的喷水速度还能减少热损耗,但会给其它性能带来负面效果。

CFD simulation water streams
通过使用ANSYS软件对Nebia喷嘴的水流输出进行仿真,Nebia的工程师可以改变水流的水滴大小,并理解不同水流速度、水滴大小和喷射形式如何影响喷雾中的水滴温度。由于对速度和水滴大小进行了调整,工程师能够优化所需的水滴尺寸范围以保持舒适温度,同时还可满足节水目标。
Water and air temperature simulation
Nebia团队需要同时优化水温和空气温度,而且不仅需要对淋浴喷雾的核心进行优化,喷雾边缘也不例外。这样才能产生暖雾般的效果,对实现公司基础产品的承诺至关重要。
Droplet dispersion simulation
Nebia能够实现更大的水滴喷洒面积,让更大体积的空气被温水滴包围或混合在一起。ANSYS软件可帮助工程师确保用户身体周围很大体积的空气被有效加热,享受独一无二的桑拿室般体验,而这只有Nebia可以提供。
 

Nebia产品研发团队将ANSYS热损耗仿真数据与通过人体实测(将定量与定性结合)收集的实验结果进行了完美结合,从而帮助工程师实现水温、流速和方向、水滴形态及大小以及其它特征的完美平衡,从而打造理想的淋浴体验。使用后期阶段的物理原型验证仿真结果。

通过使用ANSYS软件来仿真不同喷头设计,而非制作和测试早期阶段原型设计,Nebia得以显著减少研发的工作量。实际上,以前需要九个月的研究活动现在仅需一个月的时间。

如今,利用ANSYS进行工程仿真已经成为公司独特优势的一部分。每天都会使用仿真,而且为了确保每个喷头系统组件随时间推移的耐用性,公司最终还计划开始使用ANSYS的有限元分析(FEA)解决方案。

资金涌入

工程仿真为Nebia做出了巨大贡献,能显著加速H2MICRO技术的上市进程。然而,仿真还有另外一项关键应用:其能帮助Nebia吸引用以推出商业产品的所需资金,并与家用水暖行业的大企业展开竞争。

2015年8月,Nebia发起了Kickstarter活动,旨在筹集100,000美元的启动资金。公司在活动中使用了通过ANSYS软件创建的仿真图像,以向潜在投资者提供喷头性能的可视化证明。

Nebia仅用8个小时就实现了100,000美元的目标。36小时后,活动募集资金达到100万美元。为期一个月的活动以预购形式共筹集资金超过310万美元,使其跻身Kickstarter历史上获得投资数量最多的25个项目之一。全世界超过8,600个支持者选择为Nebia的技术进行投资,这充分证明了减少水消耗是真正全球关注的焦点。

此外,Nebia还吸引了一些关心全球清洁水供给、减缓干旱和其他相关水问题的著名投资人和慈善家。与通过Kickstarter项目吸引的投资者一样,这些人也对Nebia技术背后那些通过工程仿真生动演示出来的科技感具有印象深刻。

2016年夏季打入全球市场

随着热损耗问题得到完满解决,Nebia将在2016年夏季着手推出旗舰喷头产品。不过,公司创始人在解决全球迫切关注的耗水量问题方面仅刚刚开始。

Nebia高管之所以将淋浴喷头作为其节水创新的第一步,是因为通常的八分钟淋浴可以消耗20加仑(76公升)水。通过将用水量减到六加仑,Nebia能产生快速深远的影响。例如,如果住在加州的每个人都改用Nebia喷头,那么每年将能够净节水2030亿加仑(7680亿公升)。

展望未来,Nebia的管理团队希望以此为基础,进一步推出其他可对世界产生积极影响的、具有可持续性发展的突破性解决方案。Nebia希望帮助人们重新思考水在他们日常生活中所扮演的角色。需要特别关注的方面是:为全世界的发展中地区提供可持续发展的技术解决方案,帮助解决最关键的节水和水源卫生问题。但是,Nebia同样希望重新诠释和改善几十年来我们一直在使用而且已经习以为常的许多日常水暖技术。

随着Nebia不断研发新产品,在重新设计有关新一代的现有产品时还将继续面临各种高难度的工程挑战。工程仿真仍将是团队工具套件中的重要组成部分,有助于在不降低产品质量或可靠性的前提下缩短和减少产品的研发周期时间和成本。ANSYS软件不仅可帮助Nebia加快推出旗舰喷头产品的进程,而且还将继续助力该公司推出其他革命性的产品,使这些产品在让个人受益的同时,也能履行我们在保护和节约自然资源方面的集体责任。

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