照明制造商使用 Simcenter STAR-CCM+ 来改进聚光灯设计并消除返工

舞台灯光专业制造商丸茂电机株式会社 (Marumo Electric) 作为舞台和电视演播室照明生产设备的制造商，开发、制造和安装灯具和调光系统。该公司在日本拥有很大的市场份额，并为包括歌舞伎座剧场和东京新国立剧院在内的主要剧院和礼堂以及酒店、学校和其他设施提供舞台照明。

丸茂电机于 1919 年在东京成立，截至 2019 年已成立 100 周年。该公司最初是为了制造高压配电盘、电网电阻器和探照灯等产品而成立的，但当 1923 年关东大地震来袭时，它成为公司的转折点，从此公司成为舞台灯光的专业制造商。歌舞伎座剧场致力于表演日本传统戏剧艺术之一的歌舞伎，在 1921 年因短路引起的火灾被烧毁后，当时还在重建中，地震再次将其摧毁。

歌舞伎座剧场重建时，国内制造的舞台灯光调光装置还不存在，类似的产品只由西门子和通用电气 (GE) 在海外生产。然而，那时对日本制造的产品需求旺盛，丸茂电机创始人丸茂富次郎 (Tomijiro Marumo) 因此承担了从照明设计到系统开发的所有工作。丸茂电机成为日本制造舞台灯光的先驱，公司的产品型号名称成为常用行业项目的代名词。

什么是舞台灯光？

灯光用于在舞台上投射阳光穿过树木、海浪、云彩和月亮等图像。或者，在空间有限的舞台上闪耀的灯光唤起了三维空间描绘的感觉，并用于编排效果，例如一天中不断变化的时间。它还会影响观众如何看待表演者。舞台灯光设备大致分为三种类型。

• 聚光灯：强调某些方面
• 泛光灯：均匀照亮整个舞台
• 特效设备：使用设备生成风、浪和火焰等图像

大约有 1,000 盏此类灯悬挂在剧院的舞台上方。舞台上设置了平面照明，舞台两翼的各个看台上都有聚光灯，这些灯光由调光器供电。一切都通过调光控制台在一个地方控制。

聚光灯有两种类型：单透镜和成像光学系统。单透镜光学系统由单个光源和单个透镜组成，而成像光学系统则将光源发出的光束投射到前面的透镜上。该项目的目的是设计和开发单透镜光学系统聚光灯。

为什么需要仿真

舞台灯光中的不规则性是不可接受的，因此不能使用荧光灯或放电灯等光源。这就是为什么卤素灯泡被用作光源的原因。与白炽灯泡等普通灯相比，这些卤素灯泡的功率为 500 至 10,000 瓦，并产生大量热量。卤素灯泡现在用于 90% 的舞台和录音室

然而，随着最近被称为板载芯片 (COB) LED 的进步，使用发光二极管 (LED) 的灯具数量也有所增加，并且完全改用 LED 的演播室数量一直在增加。这些高密度安装的 COB LED 还具有高发光效率，并且散热效果好。LED 的光效为 120 流明/瓦 (Lm/W)，约为卤素灯泡 20 Lm/W 效率的 6 倍，大约 1,000 瓦卤素灯泡的光强度约为 160 瓦。然而，高热通量存在一个问题，因为 COB 灯安装有高密度的 LED，并且 LED 对热敏感。LED 产生的热量会降低其性能并缩短其使用寿命，有时还会导致故障。

此外，由于舞台照明是为剧院和演播室提供照明的，因此光线不得向意外方向渗出。因此，设计必须包括具有通风口和冷却通道的外壳。

此外，灯光悬挂在舞台上方，因此它们的重量必须足够轻。过去，翅片的设计比散热所需的要大。然而，重量增加一倍会让可以悬挂的灯数量减半，这意味着可能没有足够的光线。

这意味着需要复杂的散热设计和更轻的重量。丸茂电机接受了这一挑战，设计了一种基于模型的开发方案，该方案使用流固耦合分析，用于使用 LED 的聚光灯。

为何使用仿真

LED 的最新创新导致了许多不同类型的灯的开发，以响应市场需求。使用 LED 作为光源需要三种设计：光学和散热设计以及调光电路设计，以创造有吸引力的照明。采用仿真对于同时实现这些目标至关重要。

在引入 Siemens Digital Industries Software 的 Simcenter STAR-CCM+ ™ 软件（Simcenter™ 产品组合的一部分）之前，他们使用了用于设计光学器件的软件，以及将有限元法 (FEM) 结构分析与电场和传热分析相结合的软件包。得益于这种传热分析工具，他们连接大于散热所需翅片的设计有所减少。然而，由于没有流体分析功能，他们无法分析流体和固体之间的热传递。

此外，光线不得从灯具中泄漏。因此，外壳通风口的设计就像一个迷宫。关键是在屏蔽和冷却之间找到平衡。仅通过传热分析无法分析流体流动，并且在内部温度最终显著升高之前，一直被认为没有问题的光设计出现了问题。这促使他们考虑引入高端流体分析工具。

丸茂电机之所以选择 STAR-CCM+ Simcenter，是因为它具有兼容日语的图形用户界面 (GUI)，用户友好，并且易于可视化分析结果。

仿真方法及结果

丸茂电机使用面向计算机辅助设计 (CAD) 的 Parasolid® 软件创建分析模型的几何形状。这些模型由散热器组件（图 6，显示加热表面、翅片和热管）和光源组件（图 7，显示基板、LED 芯片和磷光体）组成。许多 LED 芯片在设备上成排排列（见图 7），但 LED 芯片经过简化，以减少用于为分析模型而创建网格的网格数量和工时。

此外，丸茂电机还使用了 Design Manager 附加工具（以前称为 Optimate+）来探索散热器热管连接位置的设计。

丸茂电机在大气域的固体部分周围创建了球体。图 8 显示了组合散热器和光源的固体部分的网格。他们使用多面体网格作为网格类型，并为壁面创建层网格，以便确保边界层的良好精度。丸茂电机还为固体部分创建了网格，以分析它们之间的传热。对于固体部分，他们主要使用多面体网格，并使用薄网格来生成分层网格，以减少翅片组件的网格数量。

丸茂电机将空气指定为流体，并使用了理想的气体状态方程来表示密度。他们使用铝作为散热器和基板的固体特性，氮化镓 (GaN) 用于 LED 芯片，并使用称为“YAG”的钇、铝和石榴石合金作为磷光体。边界条件定义为流体周围的压力出口边界，使用完整的三维模型进行分析，并使用稳态分析将可实现的 K-ε 模型用于湍流模型。

他们得出的结果预测，LED 元件中心的固态温度为 98.8 摄氏度 (ºC)，散热器翅片底部边缘的固态温度为 74.8ºC，加热表面边缘的固态温度为 86.5ºC。这使丸茂电机能够确认热扩散要求得到满足。重力方向朝向图 9 中图像的底部，因此温度在翅片底部变低。图 10 显示了翅片的横截面，显示了温度分布。每个翅片上的温度梯度也很小，结果是异质的。图 11 显示了自然对流中的流场，他们能够确认翅片间距没有问题，因为翅片之间的流动也很平滑。

该项目还进行了验证准确性的实验。图 12 显示了测试设备。在项目开始时，存在一个问题，即温度的分析值最终高于测量值。丸茂电机之所以能够确定固体之间的热阻，是因为润滑脂对设备的影响以及组件功率和发光度的差异导致固体之间的热阻值存在差异。

通过使用校准，丸茂电机现在能够获得几乎等同于测量值的精确结果。

通常在开发灯的一年期间，包括设计、测试、重新设计和测试的周期，丸茂电机需要完成两个设备的测试。出于这个原因，他们在设计中牺牲了重量，设计了大翅片。然而，部署 Simcenter STAR-CCM+ 显著改变了丸茂电机的产品设计方式，使开发时间和制造的测试设备数量减少了35%。丸茂设备开发部门的计算流体动力学 (CFD) 工程师若林凉介 (Ryosuke Wakabayashi) 说：“实施 CFD 意味着无需返工。在采用 Simcenter STAR-CCM+ 之前，我们需要反复生产实际设备并对其进行测试。Simcenter STAR-CCM+ 使高效开发成为可能。”

此外，丸茂电机能够准确预测冷却性能，这也有助于将灯的散热装置重量减轻 50%。

“到目前为止，在设计阶段，我们设计了大型翅片，以便为热扩散留出余地，”开发部门高级经理浅川久史 (Hisashi Asakawa) 说。“Simcenter STAR-CCM+ 实现了冷却性能仿真，使理想设计成为可能，这也有助于使灯变得更轻。”

开辟新天地

丸茂电机现在能够进行更复杂的仿真，包括使用风扇进行强制对流冷却，并且 Simcenter STAR-CCM+ 的使用对产品开发过程的影响越来越大。“通过安装 Simcenter STAR-CCM+，我们能够做以前做不到的事情，”浅川说。“这是最重要的一方面。”

Siemens Digital Industries Software 将继续为丸茂电机提供其 Simcenter 产品组合和 Simcenter STAR-CCM+，通过数字孪生促进产品设计中的预测工程分析，并为日本舞台灯光设备的发展做出贡献。