¬аше окно в мир —јѕ–
 
Ќовости —татьи јвторы —обыти€ ¬акансии Ёнциклопеди€ –екламодател€м
—татьи

10 апрел€ 2019

ќпыт применени€ программного обеспечени€ scSTREAM при разработке систем охлаждени€ лазерных блоков компании WayRay

—правка: scSTREAM Ц один из программных комплексов MSC Cradle CFD дл€ решени€ задач вычислительной гидрогазовой термодинамики. »значально ѕќ было разработано компанией Software Cradle (ќсака, япони€), вошедшей в состав корпорации MSC Software два года назад.

ѕрограммное обеспечение MSC Cradle CFD используетс€ более тридцати лет. ѕосто€нно развивающиес€ программные инструменты характеризуютс€ исключительно удобным, интуитивно пон€тным интерфейсом и высокой скоростью работы.
ѕодробнее с данным комплексом и другими системами MSC Cradle CFD можно ознакомитьс€ в брошюре Ђѕрограммное обеспечение дл€ решени€ задач гидрогазовой динамики и теплообменаї.

WayRay Ц глобальна€ компани€ со штаб-квартирой, расположенной в Ўвейцарии. — 2012 года компани€ €вл€етс€ ведущим разработчиком голографических AR технологий дл€ подключенных автомобилей. Ѕлагодар€ собственному научно-исследовательскому центру, фабрике по производству прототипов и команде профессионалов, WayRay занимаетс€ разработкой голографических материалов и оптических систем, а также сложной механики, электроники и программного обеспечени€.


ќдним из основных компонентов голографических навигационных систем, разрабатываемых компанией WayRay, €вл€етс€ лазерный блок с системой охлаждени€ лазеров.

ѕроектирование системы охлаждени€ лазеров Ц это детерминированный процесс, включающий в себ€ не только подбор термоэлектрических элементов, тепловых трубок и вентил€торов, обеспечивающих стабильную бесперебойную работу лазеров, но и процедуру решени€ сопр€женной задачи вычислительной газодинамики с учетом процессов тепломассопереноса.

ƒл€ формировани€ качественного голографического изображени€ на лобовом стекле автомобил€ (рис. 1) лазерные диоды должны обладать посто€нной температурой.

scSTREAM

–ис. 1. √олографическое изображение на лобовом стекле автомобил€

ƒл€ поддержани€ стабильной температуры лазерных диодов используютс€ элементы ѕельтье с токовым управлением. ƒиоды монтируютс€ на холодную сторону элемента ѕельтье, температура которой всегда посто€нна. “емпература гор€чей стороны термоэлектрического элемента измен€етс€ в зависимости от температуры окружающей среды, величины тепловыделени€ кристаллов лазерных диодов, расхода и скорости движени€ охлаждающего воздуха и т. д.

Ёлемент ѕельтье функционирует как Ђтепловой насосї Ц выдел€ема€ гор€чей стороной теплова€ мощность превышает мощность на холодной стороне элемента ѕельтье на величину ƒжоулева нагрева, возникающего вследствие сопротивлени€ полупроводниковых термоэлектрических пар при протекании по ним посто€нного электрического тока. Ёлементы ѕельтье собираютс€ легкоплавким припоем с температурой плавлени€ около 138°—. ѕоэтому в случае перегрева элемент (а вместе с ним и дорогосто€щий лазер) полностью придет в негодность по причине разрушени€ па€ного соединени€ термоэлектрических пар.

¬ св€зи с этим лазерные блоки (рис. 2) должны иметь довольно мощную и сложную систему охлаждени€, состо€щую из радиаторов, вентил€торов и тепловых трубок и способную эффективно отводить и рассеивать тепло от элементов ѕельтье.

scSTREAM

–ис. 2. ћодель лазерного блока

–асчет таких систем охлаждени€ невозможен аналитическими методами, поэтому специалисты R&D центра компании WayRay дл€ решени€ данной задачи использовали CFD-анализ, в основе которого лежит метод конечных объемов со структурированной сеткой, реализованный в системе scSTREAM.

ѕодобный анализ позвол€ет оценить распределение температур по компонентам лазерного блока (рис. 3), пол€ температур (рис. 4) и скоростей движени€ (рис. 5) охлаждающего воздуха, а также определить термоэлектрические параметры (температуру гор€чей и холодной сторон, силу тока, напр€жение, выдел€емую теплоту) элементов ѕельтье (рис. 6) и значение максимально допустимой температуры окружающей среды, при которой обеспечиваетс€ стабильна€ работа элементов ѕельтье.

scSTREAM

–ис. 3. ѕол€ распределени€ температур комплектующих лазерного блока

CFD-анализ в scSTREAM сократил процесс проектировани€ и прототипировани€, позволив инженерам визуализировать места внутри блока лазеров, недоступные дл€ измерений и физической оценки.
scSTREAM

–ис. 4. ѕоле распределени€ температур воздуха (продольный разрез)

scSTREAM Ц система концептуального проектировани€ и инженерного анализа, котора€ позволила специалистам WayRay проводить параметрический анализ и быстрые вариативные исследовани€. »змен€€ величину тепловыделени€ кристаллов, свойства материалов, скорость вращени€ вентил€торов, размеры радиаторов и другие параметры, возможно сравнить множество вариантов конструкции, исключа€ метод проб и ошибок, что позвол€ет существенно сократить затраты времени и средств на подготовку и отладку физической модели.
scSTREAM

–ис. 5. ѕоле распределени€ скоростей движени€ воздуха (поперечный разрез)

 роме того, вычислительный эксперимент позвол€ет проводить анализ чувствительности, чтобы пон€ть, какие геометрические параметры или свойства материалов оказывают наибольшее вли€ние на результаты расчетов и значение целевой функции.

Ќа рис. 3-6 представлены результаты термогазодинамических расчетов лазерного блока голографической навигационной системы, разработанной компанией WayRay дл€ одного из €понских автопроизводителей.

scSTREAM

–ис. 6. “ермоэлектрические параметры элементов ѕельтье

–асчетна€ сетка, состо€ща€ из 24 млн элементов, в област€х значительных градиентов температур (области расположени€ кристаллов лазерных диодов) обладала большей дискретностью. “акое высокое разрешение сетки необходимо дл€ точной аппроксимации элементов конструкции и зазоров между ними.

ќднако, несмотр€ на огромное количество сеточных элементов, врем€ расчета в стационарной постановке составило всего 2 часа (дл€ сравнени€, длительность аналогичного расчета с неструктурированной сеткой составила 18 часов). ѕри этом погрешность расчетов в сравнении с результатами экспериментов составила менее 3%.

ѕо результатам расчетов была оценена теплонагруженность и эффективность системы охлаждени€, определена оптимальна€ с точки зрени€ распределени€ температур и воздушных потоков компоновка вентил€торов, элементов ѕельтье и радиаторов, были устранены застойные зоны и локальные термические очаги. ћаксимальна€ температура окружающей среды, при которой обеспечиваетс€ стабильна€ работа элементов ѕельтье, составила 49.5°—. “емпература лазерных диодов 25.2°—, температура гор€чей стороны элемента ѕельтье 61.5°— при тепловыделении на гор€чей стороне 8.5 ¬т. ћаксимальна€ скорость движени€ охлаждающего воздуха составила 7.4 м/с при частоте вращени€ вентил€торов 6100 об/мин.

ѕол€ распределени€ температур в дальнейшем возможно экспортировать в системы прочностного анализа дл€ определени€ термических напр€жений и теплового расширени€ компонентов лазерных блоков.

¬ перспективе инженеры R&D центра компании WayRay планируют проводить также тепловые расчеты оптических систем, так как функционал scSTREAM позвол€ет учитывать отражение и преломление лучей линзами при передаче тепла излучением.

ќ компании MSC Software


MSC Software Ц одна из дес€ти первых компаний-разработчиков программного обеспечени€ и мировой лидер в области виртуального моделировани€, инженерных расчЄтов и услуг, значительно расшир€ющих возможности стандартных промышленных методов и подходов. ¬ качестве надежного партнера MSC Software помогает компани€м улучшать качество, экономить врем€ и средства, св€занные с проектированием и испытанием выпускаемой продукции. ¬ысшие учебные заведени€, научные сотрудники и студенты используют технологии MSC Software дл€ углублени€ индивидуальных навыков, а также расширени€ кругозора в области компьютерного моделировани€. ¬ компании MSC Software работает более 1 300 специалистов в 20 странах мира. ”знать больше о продуктах и услугах MSC Software можно на сайте www.mscsoftware.ru.

MSC Software Ц часть компании Hexagon (Nasdaq Stockholm: HEXA B; hexagon.com), ведущего мирового поставщика решений в области информационных технологий, позвол€ющих повышать качество изделий и производительность предпри€тий в различных отрасл€х по всему миру.


„итайте также:


¬акансии:

јктуальное обсуждение

RSS-лента комментариев

ƒавид Ћевин
ƒавид Ћевин
ќт редактора: ƒл€ реального внедрени€ »», облаков, BIM и любых инноваций требуетс€ посто€нна€ всеобща€ коррекци€ менталитета
ѕроект ЂЌародное —јѕ–-интервьюї

—лучайна€ стать€:

isicad Top 10

—амые попул€рные материалы

   ‘орумы isicad:

isicad-2010 isicad-2008
isicad-2006 isicad-2004

ќ проекте

ѕриглашаем публиковать на сайте isicad.ru новости и пресс-релизы о новых решени€х и продуктах, о проводимых меропри€ти€х и другую информацию. јдрес дл€ корреспонденции - info@isicad.ru

ѕроект isicad нацелен на

  • укрепление контактов между разработчиками, поставщиками и потребител€ми промышленных решений в област€х PLM и ERP...
ѕодробнее

»нформаци€ дл€ рекламодателей


¬се права защищены. © 2004-2019 √руппа компаний «Ћ≈ƒј—»

ѕерепечатка материалов сайта допускаетс€ с согласи€ редакции, ссылка на isicad.ru об€зательна.
¬ы можете обратитьс€ к нам по адресу info@isicad.ru.