評(píng)估UVC-LED殺菌效果時(shí)，使用光學(xué)、流體等仿真來(lái)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(zhuān)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(lái)的？
這是筆者最近在與幾位業(yè)內(nèi)朋友探討的問(wèn)題，探討過(guò)程中大家從最開(kāi)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(wèn)，下面立刻開(kāi)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(jiàn)光去滅殺不可見(jiàn)的微生物，我們需要借助工具間接的去研究這一過(guò)程。前輩UVC燈管經(jīng)過(guò)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?。流體仿真工具廣泛運(yùn)用于汽車(chē)、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(guò)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(lái)源于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)測(cè)試。
目前在專(zhuān)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(zhǎng)的傳統(tǒng)UVC燈管而言的，由于微生物對(duì)于不同波長(zhǎng)UVC光的敏感性不同，傳統(tǒng)的劑量表不適用于265-280nm波長(zhǎng)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(guó)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(méi)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(cè)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(shuō)我需要自己實(shí)測(cè)才是準(zhǔn)確的？
綜上，現(xiàn)階段通過(guò)模擬仿真可以獲得比較準(zhǔn)確的UV劑量，但是無(wú)法通過(guò)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(guò)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(zhuān)業(yè)仿真能力的專(zhuān)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(guò)不斷的實(shí)測(cè)來(lái)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(lái)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(zhuān)利？我們有沒(méi)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(wú)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(méi)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(wú)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(guò)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(cè)試低不合格的時(shí)候，接下來(lái)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(qián)，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(wèn)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?xún)r(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(wèn)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(wèn)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(wú)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(qián)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(cè)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(guò)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(cè)試反饋的增多，仿真方法在不斷的修正、進(jìn)化，經(jīng)過(guò)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(lèi)產(chǎn)品的研發(fā)周期。
具體的說(shuō)，在產(chǎn)品進(jìn)行殺菌效果實(shí)測(cè)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(cè)試時(shí)，最好能現(xiàn)場(chǎng)搜集測(cè)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(cè)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(cè)試，循環(huán)上述過(guò)程。有趣的是，這個(gè)過(guò)程和練習(xí)投籃是十分相似的。
經(jīng)過(guò)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(wú)所謂好壞，能進(jìn)球就行。同樣的，由于各廠家的測(cè)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(wú)法隨意套用。
以上就是此次分享的全部?jī)?nèi)容，愿大家都能利用好模擬仿真工具，做出暢銷(xiāo)的產(chǎn)品。
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（作者：Boat）
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