評估UVC-LED殺菌效果時，使用光學(xué)、流體等仿真來計算殺菌率的準(zhǔn)確性有多高？對于準(zhǔn)備入行的團隊，是否有必要配備專業(yè)的模擬分析人員？殺菌率計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)一詞到達成共識，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)出一套實用的模擬仿真方法去指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計，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劑量又與照射強度和時間相關(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仿真工具廣泛運用于汽車、船舶、飛機甚至航天工具的設(shè)計中，只要運用得當(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用在傳統(tǒng)UVC燈管殺菌產(chǎn)品的設(shè)計中，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)文獻上可以查到不同微生物的UV滅活劑量表，這個劑量是針對254nm波長的傳統(tǒng)UVC燈管而言的，由于微生物對于不同波長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)威機構(gòu)放出針對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)去計算殺菌率呢？還是說我需要自己實測才是準(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)計是比較現(xiàn)實的方案。
定性分析指導(dǎo)設(shè)計
組建一個具備專業(yè)仿真能力的專業(yè)的團隊需要一定的投入，我們預(yù)算有限，是否可以省下這筆費用？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)只通過不斷的實測來驗證和修改產(chǎn)品設(shè)計？我們不急著下結(jié)論，先做一個假設(shè)：
假設(shè)拿到了同行的產(chǎn)品，接下來你要怎么改進？做哪些改動可以不影響殺菌效果還能規(guī)避對方專利？我們有沒有可能改的比對手的原版更好？哪家同行的設(shè)計的值得參考？
然而光憑一個內(nèi)部結(jié)構(gòu)和肉眼觀察，我們一無所知。這時候一個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)計的優(yōu)劣：左圖利用規(guī)則的旋流增加水體的照射時間，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)計不佳，還有很大的改進空間。
三款過流式水殺菌產(chǎn)品的流體模擬圖
不妨再做一個假設(shè)：我們都有遇到產(chǎn)品殺菌測試低不合格的時候，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照射？以上這些改變是只改一個還是同時調(diào)整，各調(diào)整多少才能保證最高的性價比？
下面是一個空氣殺菌器的風(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)想到兩個優(yōu)化方向：
優(yōu)化方向A：光源不動氣流動，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：流體不動光源動，光源下移增強下方的光密度，適用于風(fēng)道無法調(diào)整的情況。
A、B兩個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)測試的時間和成本。這些節(jié)省的成本往往會大于模擬分析人員的花費。
具有企業(yè)特色的仿真評估方法
下圖是UVC-LED應(yīng)用產(chǎn)品研發(fā)流程的一部分，仿真設(shè)計貫穿于產(chǎn)品設(shè)計過程中，與結(jié)構(gòu)、ID、電子設(shè)計是緊密聯(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、進化，經(jīng)過一段時間的積累和試錯，最終會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)品進行殺菌效果實測之前，搜集好所有的原始數(shù)據(jù)，包括光源參數(shù)、實際尺寸、模擬仿真的結(jié)果等。殺菌測試時，最好能現(xiàn)場搜集測試數(shù)據(jù)，例如環(huán)境溫濕度、實時流速、操作手法等。在拿到殺菌報告后，對比實測和模擬的差異，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NBA球星都形成了自己獨特的投籃手法。手法無所謂好壞，能進球就行。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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