設(shè)計仿真 | Cradle CFD助力WayRay公司進(jìn)行全息AR導(dǎo)航冷卻系統(tǒng)開發(fā)

WayRay公司總部設(shè)在瑞士。自2012年成立以來，WayRay已經(jīng)建立了自己的內(nèi)部研發(fā)中心、原型制作工廠和一個國際專業(yè)團隊。公司已經(jīng)掌握了從產(chǎn)品概念到原型測試的整個研發(fā)過程，WayRay從一家初創(chuàng)公司蛻變?yōu)槿⒐鈱W(xué)系統(tǒng)、硬件和軟件的全周期制造商。通過這些努力，WayRay公司順利完成了與原始設(shè)備制造商的合作項目，向主要汽車制造商提供了先進(jìn)全息AR技術(shù)，在全球汽車行業(yè)站穩(wěn)了腳跟。

強大的、緊湊的、電子驅(qū)動的性能 

WayRay開發(fā)的全息AR導(dǎo)航系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一是一個帶有激光冷卻系統(tǒng)的激光裝置。激光冷卻系統(tǒng)的設(shè)計過程需要選擇保持激光器運行的熱電元件、熱管和風(fēng)扇，以及解決鑒于熱和質(zhì)量傳遞過程的計算氣體動力學(xué)問題。

圖1：通過擋風(fēng)玻璃投射在路上的虛擬圖像

為了在道路上投射出高質(zhì)量的虛擬圖像(圖1) ，激光裝置的二極管必須有一個恒定的溫度。為了保持這種穩(wěn)定的溫度，WayRay使用了帶有電流控制的Peltier元件。二極管被安裝在Peltier元件的冷面，而其溫度保持不變。熱電元件熱側(cè)的溫度是變化的，取決于環(huán)境溫度、激光二極管晶體的散熱情況、冷卻空氣的流速等。

Peltier元件本質(zhì)上起著“熱泵”的作用：Peltier元件熱側(cè)產(chǎn)生的熱量超過冷側(cè)產(chǎn)生的熱量，這是由恒定電流流過半導(dǎo)體熱電對時產(chǎn)生的電阻引起的。Peltier元件是用熔點約為138°c的低熔點焊料組裝的，因此，在過熱的情況下，由于熱電對的焊接連接被破壞，該元件(以及昂貴的激光器)變得完全無法使用。

由能量產(chǎn)生的熱、壓力、變形 

圖2：激光裝置的模型

因此，激光裝置(圖2) 必須有一個相當(dāng)強大和復(fù)雜的冷卻系統(tǒng)，由散熱器、風(fēng)扇和熱管組成，能夠從Peltier元件中減少和散去熱量。像這樣的冷卻系統(tǒng)的計算是不可能用傳統(tǒng)的分析方法的。因此WayRay研發(fā)中心的專家旨在解決這個問題。

圖3：激光裝置部件的溫度分布場

圖4：空氣溫度分布云圖(縱截面)

CFD軟件有助于更好地理解這些現(xiàn)象。這種類型的分析使得估算激光器組件之間的溫度分布(圖3) 、溫度場(圖4)和冷卻空氣的速度(圖5)成為可能。它還確定了Peltier元件的熱電參數(shù)(熱端和冷端溫度、電流率、壓力、散熱) (圖6) 以及確保Peltier元件穩(wěn)定運行的最大允許環(huán)境溫度。

圖5：空氣速度分布云圖(橫斷面)

難以從物理原型中獲得的視覺效果

引入scSTREAM后，減少了原型測試的數(shù)量，幫助工程師通過回顧視覺結(jié)果更好地理解物理現(xiàn)象。"Cradle CFD分析使WayRay縮短了設(shè)計和原型制作的過程，使工程師能夠可視化和模擬以前無法進(jìn)行物理測量和評估的設(shè)計變化。"- (Maksim Aleksandrov先生)。

Cradle CFD提供了一個概念設(shè)計和工程分析系統(tǒng)，使WayRay的專家能夠迅速進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計變化研究。通過改變晶體的散熱、材料特性、風(fēng)扇速度、散熱器尺寸和其他參數(shù)，可以比較各種設(shè)計方案，排除試錯，這大大減少了準(zhǔn)備和調(diào)試物理模型的時間和金錢。

此外，這些計算實驗允許進(jìn)行設(shè)計敏感性分析，以了解哪些幾何參數(shù)或材料屬性對計算結(jié)果和設(shè)計目標(biāo)有最大的影響。圖6顯示了WayRay公司為一家日本汽車制造商開發(fā)的全息導(dǎo)航系統(tǒng)的激光塊的熱設(shè)計計算結(jié)果。

圖6：Peltier元件的熱電參數(shù)

計算出的網(wǎng)格由2400萬個元素組成，在溫度變化較大的區(qū)域(激光二極管晶體所在的位置) 進(jìn)行了微調(diào)。這種高分辨率網(wǎng)格對于更精確地近似結(jié)構(gòu)元素及其之間的間隙是必要的。然而，盡管有大量的網(wǎng)格元素，在穩(wěn)態(tài)條件下的計算時間只有2個小時(作為比較，使用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的類似計算時間為18小時！)。同時，與實驗結(jié)果相比，計算誤差小于3%。

"CFD從來沒有如此精確和強大。由于scSTREAM的高性能，我們現(xiàn)在能夠快速創(chuàng)建超過1000萬個網(wǎng)格元素的詳細(xì)模型，并每天進(jìn)行許多設(shè)計驗證和優(yōu)化迭代，"- (Maksim Aleksandrov先生) 。

基于仿真結(jié)果，對冷卻系統(tǒng)的熱負(fù)荷和效率進(jìn)行了評估。確定了風(fēng)扇、Peltier元件和散熱器在溫度分布和氣流方面的最佳布置，消除了停滯區(qū)和局部熱區(qū)。確保帕爾貼元件穩(wěn)定功能的最高環(huán)境溫度、激光二極管的溫度以及整個激光冷卻系統(tǒng)運行也是如此。

未來發(fā)展

在未來，WayRay團隊計劃通過將溫度變化輸出到強度和結(jié)構(gòu)分析工具中，更全面地了解結(jié)構(gòu)載荷，膨脹和應(yīng)力。他們還計劃對光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行熱計算，因為Cradle CFD系統(tǒng)可以考慮到熱輻射引起的鏡面反射和折射。

"鑒于Cradle CFD系統(tǒng)可以考慮到熱輻射引起的鏡面反射和折射，我們還計劃對光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行熱計算?？諝鈩恿υ胍舴治鍪俏覀兊牧硪粋€挑戰(zhàn)。 "- (Maksim Aleksandrov先生)。WayRay選擇scSTREAM進(jìn)行熱流體模擬，是因為它具有較高的可操作性、準(zhǔn)確性和易于理解的圖形用戶界面。WayRay的工程師們對scSTREAM的能力感到滿意，渴望繼續(xù)應(yīng)用CFD工具來給出優(yōu)秀的計算結(jié)果，實現(xiàn)更有效的開發(fā)。