背景

WayRay公司總部設在瑞士。自2012年成立以來，WayRay已經建立了自己的內部研發中心、原型制作工廠和一個國際專業團隊。公司已經掌握了從產品概念到原型測試的整個研發過程，WayRay從一家初創公司蛻變為全息光學系統、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備制造商的合作項目，向主要汽車制造商提供了先進全息AR技術，在全球汽車行業站穩了腳跟。

強大的、緊湊的、電子驅動的性能

WayRay開發的全息AR導航系統的關鍵部件之一是一個帶有激光冷卻系統的激光裝置。激光冷卻系統的設計過程需要選擇保持激光器運行的熱電元件、熱管和風扇，以及解決鑒于熱和質量傳遞過程的計算氣體動力學問題。

圖1：通過擋風玻璃投射在路上的虛擬圖像

為了在道路上投射出高質量的虛擬圖像(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。熱電元件熱側的溫度是變化的，取決于環境溫度、激光二極管晶體的散熱情況、冷卻空氣的流速等。

Peltier元件本質上起著“熱泵”的作用：Peltier元件熱側產生的熱量超過冷側產生的熱量，這是由恒定電流流過半導體熱電對時產生的電阻引起的。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) 必須有一個相當強大和復雜的冷卻系統，由散熱器、風扇和熱管組成，能夠從Peltier元件中減少和散去熱量。像這樣的冷卻系統的計算是不可能用傳統的分析方法的。因此WayRay研發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(熱端和冷端溫度、電流率、壓力、散熱) (圖6) 以及確保Peltier元件穩定運行的最大允許環境溫度。

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量，幫助工程師通過回顧視覺結果更好地理解物理現象。"Cradle CFD分析使WayRay縮短了設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行物理測量和評估的設計變化。"- (Maksim Aleksandrov先生)。

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

此外，這些計算實驗允許進行設計敏感性分析，以了解哪些幾何參數或材料屬性對計算結果和設計目標有最大的影響。圖6顯示了WayRay公司為一家日本汽車制造商開發的全息導航系統的激光塊的熱設計計算結果。

圖6：Peltier元件的熱電參數

計算出的網格由2400萬個元素組成，在溫度變化較大的區域(激光二極管晶體所在的位置) 進行了微調。這種高分辨率網格對于更精確地近似結構元素及其之間的間隙是必要的。然而，盡管有大量的網格元素，在穩態條件下的計算時間只有2個小時(作為比較，使用非結構化網格的類似計算時間為18小時!)。同時，與實驗結果相比，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，我們現在能夠快速創建超過1000萬個網格元素的詳細模型，并每天進行許多設計驗證和優化迭代，"- (Maksim Aleksandrov先生) 。

基于仿真結果，對冷卻系統的熱負荷和效率進行了評估。確定了風扇、Peltier元件和散熱器在溫度分布和氣流方面的最佳布置，消除了停滯區和局部熱區。確保帕爾貼元件穩定功能的最高環境溫度、激光二極管的溫度以及整個激光冷卻系統運行也是如此。

未來發展

在未來，WayRay團隊計劃通過將溫度變化輸出到強度和結構分析工具中，更全面地了解結構載荷，膨脹和應力。他們還計劃對光學系統進行熱計算，因為Cradle CFD系統可以考慮到熱輻射引起的鏡面反射和折射。

"鑒于Cradle CFD系統可以考慮到熱輻射引起的鏡面反射和折射，我們還計劃對光學系統進行熱計算。空氣動力噪音分析是我們的另一個挑戰。 "- (Maksim Aleksandrov先生)。WayRay選擇scSTREAM進行熱流體模擬，是因為它具有較高的可操作性、準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，渴望繼續應用CFD工具來給出優秀的計算結果，實現更有效的開發。

（來源：海克斯康）