ניהול העומס התרמי של ציוד לייזר בעוצמה גבוהה הוא אתגר הנדסי קריטי המשפיע ישירות על ביצועים, אמינות ובטיחות תפעולית. כמו מערכות לייזר לדחוף לעבר כוחות פלט גבוהים יותר וגורמים קטנים יותר, החום שנוצר במהלך הניתוח - לעתים קרובות מעל מאות או אלפי וואט - יש להסיר ביעילות כדי למנוע את זרימתם של מחלות תרמיות, שמירה על איכות קרן הדם, ולהרחיב את חיי הדינמיקה של נוזל Computational (CD) במיוחד עם כלי קירור מורכבים, כמו פצעוני חום, אשר מופעלים, החלים, לפתח, לפתח, לפתח פתרונות קירור מורכבים, ולהוביל, לפתח מודלים חיוניים, עיצוב יעיל יותר, ריפוי, ריפוי, ואפקטיביים, ריפוי, ולפתח מודלים מורכבים, ואפקטיביים קריטיים, ולפתח מודלים קירור, ולפתח תהליכי קירור, ומניעה, ולפתח.

האתגר החריף של לייזרים בעוצמה גבוהה

לייזרים בעלי עוצמה גבוהה - בשימוש בחיתוך תעשייתי, נביחות, כלי נשק אנרגיה מכוונים ומחקר מדעי - חי חום אינטנסיבי כמו תוצר לוואי של רווח אופטי וגימור חשמלי-לאופטימי. בלייזרים של מדינת מוצק, למשל, גביש לייזר או לצבור חומר עומס בינוני סופג אנרגיה משאבה מאולץ, רק חלק ממנו מומר לתוך אור קוהרנטי; השאר הופך חום זה יכול להיות גורם תרמיל (כמורקטיבי) אפילו מכווץ של לחץ אווירי, אפילו מכווץ יותר מגובה על ידי קירור חשמלי מודרני, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, רק אלקטרוניקה המודרנית, 000, רק אלקטרוניקה, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 מכווץ יותר ויותר, 000, 000, 000, 000, 000, 000 מכווץ יותר ויותר מכווץ מערכת קירור יעיל יותר ויותר, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 מהפך לתוך אור חזק יותר ויותר מהפך חום, 000, 000, 000 מכווץ יותר ויותר מהפך חום, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 מהפך להיות מואצת,

גישות ניסיוניות מסורתיות לתכנון קירור - בניית אבטיפוס מרובים, הפעלתם תחת עומס, ומדידה טמפרטורות - הן יקרות וזמן-consuming.יתר על כן, דפוסי זרימה פנימיים ורכיבי חום משטח קשה למדוד ישירות, משאירה מעצבים עם נתונים לא שלמים.CD מטפל במגבלות אלה על ידי מתן ראייה מלאה של מהירות, טמפרטורה וקטורים חום לאורך כל המערכת יכול כמעט לבדוק עשרות של קירור, תכונות גיאומטרידות אחד, כדי לקחת את הזמן.

למה אני מרגיש קדחת לייזר מגניב סימלציה

Ansys Fluent הוא פותר CFD המוביל הידוע לטיפול החזק שלה של העברת חום, זרמים סוערים, ותופעות מרובות-phase - כולם רלוונטיים לקירור לייזר.ה הסופי שלה תומך מגוון רחב של מודלים פיזיים כולל:

  • מודלים של זרימה Laminar ו- turbulent (k-ε, k- ⁇ SST, מעבר SST, וכו ')
  • העברת חום על פני ממשקים בעלי השפעה מוצקה
  • מודלים של קרינה על פני השטח
  • שלב מאכזב מודל להורדת או חלקיק קירור ריסוס
  • תחבורה רב-מינים עם דור חום מהתגובות הכימיות (אם ישים)

עבור ציוד לייזר, היכולת מודל העברת חום הוא חשוב במיוחד כי מקור החום (עלישבן גבישי, מערך דיודות לייזר או סיבים coil) הוא מוטבע לעתים קרובות בתוך מוצק כי הוא קריר על ידי נוזל חיצוני. פלורנט באופן אוטומטי זוגות את משוואה האנרגיה בדומיינים מוצקים ונוזלים, פתרון בו זמנית עבור טמפרטורה חום פלוקס בממשק.זה מבטל את הצורך עבור שכבת חימום מוגדר, אשר בדרך כלל לא ידוע, כמו גם תכונות לא ידועות.

קישור חיצוני:0 (Official Ansys Fluent product page)

שלב אחר צעד - A Step-by Step-by Step

סימולציה מוצלחת מתחילה עם הגדרה זהירה של הגיאומטריה, השמ, תכונות חומריות, תנאי גבול, מודלים פיזיקה.התתת הבאה מתארת את השלבים העיקריים.

יצירת גאומטריה ומאשינג

המשימה הראשונה היא ליצור מודל 3D של רכיב לייזר ואת מערכת הקירור שלה.זה יכול להיעשות ב Ansys DesignModeler, SpaceClaim, או מיובא מתוכנות CAD חיצוניות.עבור סטיות מורכבות, מומלץ לפשט את פרטי ה-Asy (כמו מילוי קטן, חוטים, או מזרזים - שאינם משפיעים על התנהגות תרמית אלא להגדיל את ספירת תאי הלייזר המשתנים באופן מפורש.

נכסים חומריים

תכונות חומריות מדויקות הן קריטיות.עבור החלקים המוצקים (עלישבן של אלסר, כיור חום, ערוצים מגניבים), לציין מוליכות תרמית, יכולת חום מסוימת, צפיפות, ו - אם יש לשקול לחצים תרמיים - יעילות של התרחבות תרמית ומודולוס של יאנג.חומרים הנדסיים רבים יש תכונות מסוימות תלות טמפרטורה; עבור לייזרים עתירי טמפרטורה גבוהה, אלה יש לכלול.

תנאים

תנאים מטושטשים מגדירים כיצד המערכת אינטראקציה עם הסביבה שלה.תנאים נפוצים עבור סימולציות קירור לייזר כוללים:

  • (FLT:0) Inlet:BuildFLT:1 , ציין קצב זרימה מסיבית קריר או מהירות, יחד עם טמפרטורה אינלט. A שטוח או מפותח פרופיל מהירות ניתן לבחור.
  • (ב) ⁇ :0Outlet:ureFLT:1) בדרך כלל להגדיר כלחץ לחץ על לחץ מד מגושם.
  • מקור חום רב (W/m3) החל על האזור של גביש לייזר או מערך דיוודה.העומס החום הכולל מחולק על ידי נפח האזור שנוצר חום חום חום.במקרים מסוימים, שפעת חום פני השטח (W/m2) על גבול עשוי להיות מתאים יותר אם החום נוצר בממשק.
  • (ב) לקירות חיצוניים:0 (External Wall: FLT:1 Convective or adiabatic Conditions. for a convection to ambient air, ציין חום העברה יעילה וטמפרטורה מאוזנת.
  • (ב) אם הגיאומטריה היא סימטרית, השתמש במטוס סימטריה כדי להפחית את העלות החישובית.

מודלים לפיזיקה

בחר את המודלים המתאימים על בסיס משטר זרימה ומצב העברת חום.רוב ערוצי קירור לייזר לפעול בזרימה סוערת (מספרים של רייננים מעל 4000), ולכן מודל טורחות נדרש.מודל k- ⁇ SST הוא פופולרי עבור פשרה טובה שלה בין דיוק ועוצמה, במיוחד עבור זרמים עם הפרדה או ריפוי.אם הזרם הוא laminar (למשל, microchannels), ניתן לעתים קרובות לטשטש את ה-aphtretraam) באמצעות דלקת לייזר (atra-to-to-to-to-to-to-face) או לפירוק) אך ניתן לפירוק של מערכת (atravedowture).

לרוץ את הסימפוזיון

ברגע שההגדרה הושלמה, הסימולציה היא ראשונית ונפתלתר.הפתרים של פלונט יכולים לפעול במצב יציב (הנפוץ ביותר לייזרים מתמשכים גליים) או טרנסנדנדנד (עבור לייזרים עם עומס חום קצר-טווח) , פתורי מדינת Steady הם מהירים יותר ומספקים את חלוקת הטמפרטורה, המהווה את הדאגה העיקרית עבור רוב עיצובי הקירור.

במהלך הפתרון, לפקח על שאריות עבור המשכיות, רכיבים מהירים, אנרגיה, וכמויות סוערות. Convergence הוא בדרך כלל הוכרז כאשר טיפות שאריות על ידי שלושה פקודות של גודל ומשתנה מפתח (למשל, טמפרטורה מקסימלית, טמפרטורת היציאה הממוצעת) ייצוב.זה תרגול טוב ליצור גם נקודת מעקב במיקום החמים ביותר הצפוי ולוודא כי הטמפרטורה שלה אינה משתנה עם עוד ועוד.

ניתוח תוצאות וזיהוי נקודות חמות

עיבוד פוסט מבוצע ב Ansys CFD-Post או ישירות בתוך כלי הדמיה של שפעת.

  • (ב) ויקרא י"א: ויקרא י"ד: "בְּבְתִּים וְכָל הָאָרֶץ" (בראשית כ"ד, כ"ד)
  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

מהנדסים צריכים לשים לב מיוחד לאזורים שבהם הטמפרטורה עולה על הגבול התפעולי הבטוח של רכיב לייזר.לדוגמה, Nd:YAG קריסטלים לפעול בדרך כלל מתחת 100 מעלות צלזיוס, בעוד מערך דיודות לייזר עשוי להיכשל מעל 50 מעלות צלזיוס. הסימולציה מספקת נתונים כמותיים כדי להעריך אם מערכת הקירור עונה על מגבלות אלה. ירידה בלחץ על פני הערוצים הקרניים היא עוד פלט חשוב, כפי שהיא קובעת דרישות משאבה.

אסטרטגיות אופטימיזציה באמצעות Ansys Fluent

מעבר לסימולציה יחידה, מהנדסים לעתים קרובות צריך להתאים את מערכת הקירור לביצועים, עלות, ומניפולציה. Ansys Fluent יכול להיות משולב עם Ansys Workbench לביצוע מחקרים parametric, עיצוב ניסויים (DOE), ואופטימיזציה של פני השטח התגובה יכול לכלול רוחב ערוץ, גובה, ספיגה, קצב זרימה, טיפוס קריר, וגיאומטריה.

ראשי התיבות Parametric סוויפס

ב Ansys Workbench, קבוצה של פרמטרים קלט (למשל, עומק ערוץ, מהירות אינלט) יכול להיות קשור ל- Fluent וסחף באופן אוטומטי. Output פרמטרים (למשל, טמפרטורה מקסימלית, ירידה בלחץ) נרשמת לכל וריאציות.זה יוצר חלל עיצוב שניתן לבצע ויזואלית וניתח.

אופטימיזציה מבוססת-Gateation

המפת של פלונט מאפשר אופטימיזציה צורה שבו הכלי מצמיד את הרגישות של פונקציה אובייקטיבית (למשל, צמצום טמפרטורת שיא) לשינויים בגיאומטריה.התוצאה היא קבוצה של הצעות צורה שניתן ליישם ישירות ב- CAD, המוביל עיצובים לא אינטואיטיביים כי תצורה מסורתית רפורמות.

אופטימיזציה טופולוגיה

עבור עיצוב כיור חום, מודול אופטימיזציה של אנליס יכול לקבוע את ההפצה האופטימלית של חומר מוצק כדי למקסם את העברת חום בעוד minimizing מסה.התפוקה היא גיאומטריה מושג שניתן לחדד עבור ייצור תוספים.

יישומים אמיתיים ומקריות

Ansys Fluent שימשה באופן נרחב בתעשיית הלייזר.לדוגמה, חוקרים מאוניברסיטת שטוטגרט סימולציה הקירור של לייזר בעל עוצמה גבוהה דק-דיסק באמצעות ערוצים מטורפים כדי לשפר את העברת החום.הסימולציה גילתה כי דפוס של צמח ה-Herringbone הפחית את ה ⁇ התרמית על פני הדיסק ב-40% בהשוואה לערוצים חלק.

קישור חיצוני: (FLT:0) מחקר מאמר על סימולציה של דירוק לייזר (הנדסת לייזר, 2018)FLT:1

קישור חיצוני: 0 (Ansys case study on Laser קירור

יתרונות עיצוב Simulation-Driven

אימוץ סימולציה של קירור לייזר מציע יתרונות מוחשיים לאורך מחזור חיי המוצר:

  • (FLT:0) ,הזמן הפיתוח והעלות: FIRLT:1 , Virtual Prototyping מבטל מחזורים רבים של בנייה פיזית. עיצוב, אשר לאחר שבועות ספורים ניתן להשלים בתוך ימים.
  • (FLT:0) תובנות תרמיות:FLT:1 CFD מספק נתונים שקשה או בלתי אפשרי למדוד באופן ניסיוני, כגון ⁇ טמפרטורה פנימית וקורטיזציות מקומיות.
  • (FLT:0) ביצועים אופציונליים:FLT:1Buildal פרמטר מחקרים פרמטרים שיטתיים ואלגוריתמי אופטימיזציה מניבים עיצובים להשגת טמפרטורות שיא נמוכות יותר, יותר התפלגות טמפרטורה אחידה, וירידה בלחץ נמוך יותר.
  • (FLT:0) אמינות מוכחת: FLT:1hil על ידי מניעת כתמים חמים וריכוזי מתח תרמיים, סימולציה מסייעת להאריך את חיי רכיבי לייזר, צמצום כשלי שדה ועלויות אחריות.
  • (FLT:0) בחירה חומרית מתואמת: FLT:1 Simulation מאפשר החלפת חומרים קלה (למשל, נחושת לעומת אלומיניום חום הכיור) להעריך את העודף בין ביצועים תרמיים למשקל.

מגמות עתידיות ב- לייזר Thermal Simulation

התפקיד של סימולציה בקירור לייזר מתפתח עם התקדמות מחשוב ביצועים גבוהים, למידת מכונה וטכנולוגיה תאומים דיגיטלית. Ansys Fluent הוא יותר ויותר מצמד מודלים מסדרה מופחתת כדי לאפשר ניטור תרמי בזמן אמת של מערכות לייזר בפעולה. אלגוריתמים למידה מכונה ניתן לאמן על נתונים סימולציה כדי לחזות התנהגות תרמית עבור תנאים הפעלה לא נבדקים, המאפשרת בקרת קירור הסתגלות גבוהה.בנוסף, סימולציות מרובות פיזיות כי זוג עם מכונאי לייזר מקיף (D) ו-מחדש) עם סימולציה משולבת (מנקה) באמצעות סגסוגת חום (מחדש) ו-מחדשהת) ואפקטים מתקדמים יותר (מחדשהת) ואפקטיביאופטיבית) באמצעות סימולציה משולבת יותר (מחדש) באמצעות סימולציה משולבת יותר (מחדש) סימולציה משולבת יותר עבור מצבים גמישהת) ואפקטיבי) סימולציה משולבת (מחדש) סימולציה משולבת יותר עבור מצבים גמישהפחתת טמפרטורה יעילה יותר עבור מחלות דלקתית) ואפקטיביים (מחדשהפחתת תפקוד דלקת לייזר (דלקת לייזר (מחדש) סימולציה משולבת (מחדש) ואפקטים) באמצעות סימולציה משולבת (מחדש) באמצעות סימולציה משולבת (מחדש) סימולציה משולבת) סימולציה משולבת יותר עבור מצבים הפעלה מחדש, 000)

קישור חיצוני:0 (Ansys blog on multiphysicsסימולציה עבור לייזרים

מסקנה

סימל את הקירור של ציוד לייזר בעוצמה גבוהה עם Ansys Fluent היא גישה חזקה כי מטפל האתגרים ניהול תרמי קריטי של מערכות לייזר מודרניות.מהגדרת גיאומטריה מדויקת תנאי גבול לרוץ אופטימיזציה parametric ומינוף אדפטורים אדמדנים, מהנדסים יש ערכת כלים מקיפה לרשותם.התוצאה היא לא רק מוצרים לייזר יעילים ואמינים יותר, אלא גם מהירה יותר זמן לשוק ופיתוח מופחתת דרישות לייזר כדי להמשיך את ה-Cretiveric.