Cradle CFD助力WayRay公司进行全息AR导航冷却系统开发

背景

WayRay公司总部设在瑞士。自2012年成立以来，WayRay已经建立了自己的内部研发中心、原型制作工厂和一个国际专业团队。公司已经掌握了从产品概念到原型测试的整个研发过程，WayRay从一家初创公司蜕变为全息光学系统、硬件和软件的全周期制造商。通过这些努力，WayRay公司顺利完成了与原始设备制造商的合作项目，向主要汽车制造商提供了先进全息AR技术，在全球汽车行业站稳了脚跟。

WayRay开发的全息AR导航系统的关键部件之一是一个带有激光冷却系统的激光装置。激光冷却系统的设计过程需要选择保持激光器运行的热电元件、热管和风扇，以及解决鉴于热和质量传递过程的计算气体动力学问题。

图1：通过挡风玻璃投射在路上的虚拟图像    

为了在道路上投射出高质量的虚拟图像(图1) ，激光装置的二极管必须有一个恒定的温度。为了保持这种稳定的温度，WayRay使用了带有电流控制的Peltier元件。二极管被安装在Peltier元件的冷面，而其温度保持不变。热电元件热侧的温度是变化的，取决于环境温度、激光二极管晶体的散热情况、冷却空气的流速等。

Peltier元件本质上起着“热泵”的作用：Peltier元件热侧产生的热量超过冷侧产生的热量，这是由恒定电流流过半导体热电对时产生的电阻引起的。Peltier元件是用熔点约为138°c的低熔点焊料组装的，因此，在过热的情况下，由于热电对的焊接连接被破坏，该元件(以及昂贵的激光器)变得完全无法使用。

由能量产生的热、压力、变形

图2：激光装置的模型

因此，激光装置(图2) 必须有一个相当强大和复杂的冷却系统，由散热器、风扇和热管组成，能够从Peltier元件中减少和散去热量。像这样的冷却系统的计算是不可能用传统的分析方法的。因此WayRay研发中心的专家旨在解决这个问题。

图3：激光装置部件的温度分布场

图4：空气温度分布云图(纵截面)  

CFD软件有助于更好地理解这些现象。这种类型的分析使得估算激光器组件之间的温度分布(图3) 、温度场(图4)和冷却空气的速度(图5)成为可能。它还确定了Peltier元件的热电参数(热端和冷端温度、电流率、压力、散热) (图6) 以及确保Peltier元件稳定运行的最大允许环境温度。

图5：空气速度分布云图(横断面)  

引入scSTREAM后，减少了原型测试的数量，帮助工程师通过回顾视觉结果更好地理解物理现象。"Cradle CFD分析使WayRay缩短了设计和原型制作的过程，使工程师能够可视化和模拟以前无法进行物理测量和评估的设计变化。"- (Maksim Aleksandrov先生)。

Cradle CFD提供了一个概念设计和工程分析系统，使WayRay的专家能够迅速进行参数化设计变化研究。通过改变晶体的散热、材料特性、风扇速度、散热器尺寸和其他参数，可以比较各种设计方案，排除试错，这大大减少了准备和调试物理模型的时间和金钱。

此外，这些计算实验允许进行设计敏感性分析，以了解哪些几何参数或材料属性对计算结果和设计目标有最大的影响。图6显示了WayRay公司为一家日本汽车制造商开发的全息导航系统的激光块的热设计计算结果。

图6：Peltier元件的热电参数  

计算出的网格由2400万个元素组成，在温度变化较大的区域(激光二极管晶体所在的位置) 进行了微调。这种高分辨率网格对于更精确地近似结构元素及其之间的间隙是必要的。然而，尽管有大量的网格元素，在稳态条件下的计算时间只有2个小时(作为比较，使用非结构化网格的类似计算时间为18小时！)。同时，与实验结果相比，计算误差小于3%。

"CFD从来没有如此精确和强大。由于scSTREAM的高性能，我们现在能够快速创建超过1000万个网格元素的详细模型，并每天进行许多设计验证和优化迭代，"- (Maksim Aleksandrov先生) 。

基于仿真结果，对冷却系统的热负荷和效率进行了评估。确定了风扇、Peltier元件和散热器在温度分布和气流方面的最佳布置，消除了停滞区和局部热区。确保帕尔贴元件稳定功能的最高环境温度、激光二极管的温度以及整个激光冷却系统运行也是如此。

在未来，WayRay团队计划通过将温度变化输出到强度和结构分析工具中，更全面地了解结构载荷，膨胀和应力。他们还计划对光学系统进行热计算，因为Cradle CFD系统可以考虑到热辐射引起的镜面反射和折射。

"鉴于Cradle CFD系统可以考虑到热辐射引起的镜面反射和折射，我们还计划对光学系统进行热计算。空气动力噪音分析是我们的另一个挑战。 "- (Maksim Aleksandrov先生)。WayRay选择scSTREAM进行热流体模拟，是因为它具有较高的可操作性、准确性和易于理解的图形用户界面。WayRay的工程师们对scSTREAM的能力感到满意，渴望继续应用CFD工具来给出优秀的计算结果，实现更有效的开发。