Analisi CFD: storie di successo

La termo-fluidodinamica computazionale,  o CFD, è uno strumento di simulazione  utilizzato per analizzare complessi  fenomeni termici e fluidodinamici. È  fondamentale per stabilire le prestazioni  di prodotti e/o sistemi e per garantire  la sicurezza di molti prodotti industriali  e che utilizziamo quotidianamente. Ciò  consente all’utente di prevedere le prestazioni  dei prodotti prima di effettuare  un test fisico e ad ottenere un design  ottimizzato già dalle prime fasi del processo  di sviluppo.  In alcuni casi, la simulazione può sostituire  del tutto i test fisici. Implementare  un software di simulazione consente di  comprendere questo tipo di flussi utilizzando  strumenti semplici alla portata  di tutti. Ne dà testimonianza il caso della  WayRay che fece uso della soluzione  scSTREAM sviluppata da Software Cradle,  MSC Software, per simulare i sistemi  di refrigerazione del loro navigatore  in AR (realtà aumentata).

Il caso

WayRay è nota per aver seguito lo sviluppo del primo sistema olografico di navigazione AR. Dal 2012, la società è leader nello sviluppo di tecnologie olografiche di AR legate all’automotive e si conta tra le prime realtà in materia di sviluppo olografico di materiale e sistemi ottici. Tra le componenti più importanti del sistema di navigazione olografico sviluppato da WayRay c’è un’unità laser con un apposito sistema di refrigerazione. Il progetto comprende non solo la selezione degli elementi termoelettrici (dissipatori di calore, ventole) che forniscono una stabilità ininterrotta nell’operatività dei laser, ma anche la procedura per risolvere i problemi associati alla dinamica computazionale dei gas. Per la formazione di un’immagine olografica di qualità nel parabrezza di una macchina (Fig. 1) i diodi laser richiedono una temperatura costante.

Per mantenere quindi la temperatura costante dei diodi il team utilizza la cella Peltier. In questo modo i diodi sono montati nel lato più freddo della cella Peltier a una temperatura costante. La temperatura del lato più caldo dell’elemento termoelettrico varia a seconda della temperatura ambiente, della dissipazione del calore dei cristalli di diodi, del flusso e velocità del movimento dell’aria, ecc. La cella di Pelteir funziona come una pompa di calore: il calore del lato più caldo diventa più potente nel lato freddo della cella di Peltier secondo l’effetto Joule, e si solleva per via della resistenza delle coppie di semiconduttori termoelettrici con una costante corrente elettrica. Gli elementi all’interno della cella sono assemblati tramite una saldatura a basso punto di fusione con un punto di fusione di circa 138 °C. Così, nel caso di surriscaldamento, la cella (e con essa un costosissimo laser) sarebbero stati ridotti a una connessione brasata di coppie termoelettriche. In questo contesto, le unità laser (Fig. 2) dovrebbero avere un sistema di refrigerazione abbastanza potente e complesso, consistente in radiatori, ventilatori e heat pipes capaci di prelevare e di disperdere, in modo efficace, il calore all’interno degli elementi della cella Peltier.

Diventa impossibile fare un calcolo di un sistema di refrigerazione del genere avvalendosi dei metodi di analisi tradizionali perciò gli specialisti del Centro Ricerca WayRay hanno l’utilizzo della Fluidodinamica Computazionale (CFD) basato sul metodo dei volumi finiti. La scelta è ricaduta sulla soluzione scSTREAM, di MSC Software sviluppata da Software Cradle.

I risultati

Una analisi di questo tipo consente di stimare la distribuzione della temperatura lungo le componenti dell’unità laser (Fig. 3), le temperature del campo (Fig. 4) e la velocità di spostamento (Fig. 5) dell’aria fredda.

Determina altresì i parametri termoelettrici (temperatura dei lati caldi e freddi, forza attuale, voltaggio, potenza termica) degli elementi della cella Peltier (Fig. 6) nonché il valore massimo ammissibile della temperatura ambiente sotto il quale è comunque stabile l’operazione degli elementi della cella Peltier.

L’analisi CFD di scSTREAM riduce notevolmente il processo di design e prototipazione consentendo agli ingegneri di visualizzare i punti inaccessibili per la misurazione e per l’analisi fisica all’interno del blocco laser. Il sistema di scSTREAM per la progettazione concettuale e la sua metodologia per l’analisi permettono agli specialisti di realizzare analisi parametriche e di gestire velocemente modifiche geometriche progettuali. Modificando il valore della dissipazione di calore dei cristalli, delle proprietà dei materiali, della velocità dei ventilatori, dimensioni del radiatore e altri parametri, diventa possibile confrontare un ampio ventaglio di alternative di design evitando una procedura di tipo trial and error. Il tutto consente a WayRay una significativa riduzione di tempi e denaro speso nella preparazione e debugging dei modelli fisici. Inoltre questo tipo di esperimenti computazionali consentono di effettuare delle analisi di sensitività che portino alla comprensione dei diversi parametri geometrici e delle proprietà dei materiali e il loro impatto nel calcolo dei risultati e degli obiettivi di progetto. Il sistema di navigazione, sviluppato per una nota casa automobilistica giapponese, consiste in una griglia di calcolo con 24 milioni di elementi. In zone dove vengono riscontrati elevati gradienti di temperatura (laddove i cristalli di diodi laser sono localizzati) sono stati realizzati degli infittimenti locali della griglia di calcolo. Una griglia di risoluzione così alta è necessaria per ottenere una discretizzazione accurata degli elelementi strutturali e dello spazio che intercorre tra di essi. Malgrado il vasto numero di elementi nella griglia, i tempi di calcolo per un’analisi stazionaria sono di sole 2 ore (tenendo conto che la durata di un calcolo similare con una griglia non strutturata sarebbe stato di 18 ore). In questo caso, il margine di errore, paragonato ai risultati sperimentali, è stato di meno del 3%. Basandosi sui risultati, sono stati calcolati il carico termico e l’efficienza del sistema di refrigerazione, consentendo l’ottimizzazione della disposizione dei ventilatori dal punto di vista delle temperature, dei flussi d’aria, degli elementi Peltier e dei radiatori, delle zone di ristagno e di creazione del calore. Come ultima verifica, viene assicurato il massimo valore della temperatura ambiente alla quale l’operatività degli elementi sia ancora stabile. La temperatura della cella Peltier è di 49.5 °C. Quella dei diodi laser di 25.2 °C., cioè la temperatura del lato caldo della cella. Ad una temperatura della cella Peltier di 61.5°C sul lato caldo, il flusso termico è di 8.5W. La velocità massima dell’aria di raffreddamento è di 7.4m/s, con una velocità di rotazione della ventola di 6100 rpm. Il campo di distribuzione della temperatura viene successivamente esportato e analizzato per determinare lo stress termico e l’espansione termica dei blocchi dei componenti laser. Nel futuro, gli ingegneri del Centro di Ricerca WayRay contano di condurre calcoli termici di sistemi ottici con l’aiuto di scSTREAM. La soluzione di MSC sviluppata da Software Cradle consentirà di analizzare, tramite le proprie funzionalità, la riflessione e refrazione dei raggi delle lenti durante la trasmissione del calore.

Crediti

MSC Software Italia ringrazia Maksim Aleksandrov, CAE Engineer, PhD, WAYRAY (www. wayray.com) e Denis Nekhaev, Technical Consultant, MSC Software Russia (www.mscsoftware. ru) di questo contributo. Articolo pubblicato su: www.cradle-cfd.com/casestudy

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