“Ansys 2025 全球仿真大會”仿真應(yīng)用大賽優(yōu)秀作品展示

本屆仿真應(yīng)用大賽最終評選出 30 篇 TOP 優(yōu)秀作品，分別榮獲一、二、三等獎及行業(yè)最佳實(shí)踐獎。近 200 位來自汽車、半導(dǎo)體、高科技、能源等行業(yè)的仿真精英參賽，他們以前沿思維與創(chuàng)新實(shí)踐，充分展現(xiàn)了仿真技術(shù)的無限潛能。我們將陸續(xù)為大家分享獲獎佳作，帶您一同領(lǐng)略仿真賦能創(chuàng)新的非凡力量，希望用戶能從中汲取靈感、啟迪思路。

作品名稱：基于熱電制冷器和電阻加熱片的偏轉(zhuǎn)鏡熱管理方案研究

作者： 徐中民 | 深圳先進(jìn)光源研究院研究員

關(guān)鍵詞：熱管理、熱電制冷器、電阻加熱片、偏轉(zhuǎn)鏡、Ansys Multiphysics

作者說

本案例利用了Ansys多物理場耦合分析軟件，無論從建模、網(wǎng)格劃分和求解，還是后處理，很好地處理了裝配體之間的熱傳導(dǎo)、結(jié)構(gòu)熱變形以及接觸面設(shè)置等諸多問題，對于樣機(jī)的工程設(shè)計(jì)提供了參考數(shù)據(jù)，并提升了設(shè)計(jì)效率，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

在S3FEL中在1 MHz重復(fù)頻率模式下工作的反射鏡面臨著顯著的熱負(fù)荷，需要校正其面形誤差以保持X射線相干傳輸。雖然REAL方案可以補(bǔ)償面形誤差以滿足要求，但過多的熱能導(dǎo)致反射鏡溫度和變形的大幅增加。為了解決溫度升高和能耗問題，提出了一種基于帕爾貼效應(yīng)的熱管理方案，利用七個(gè)熱電制冷器和十九個(gè)電阻加熱片組成的主動補(bǔ)償系統(tǒng)來校正反射鏡面形。本文還提出了一個(gè)包含了帕爾貼效應(yīng)的修正反射鏡面形補(bǔ)償數(shù)學(xué)模型。通過優(yōu)化施加到熱電制冷器的電流和電阻加熱片上的熱通量，結(jié)果顯示最大溫度和變形都有顯著降低。高度誤差RMS降低到亞納米級別，斜率誤差RMS降低到100 nrad以下。與REAL方案相比，能耗減少了57%以上，證實(shí)了使用熱電制冷器對于降低能耗是有效的。

挑戰(zhàn)/需求

作者所在機(jī)構(gòu)希望通過仿真工具解決REAL面形補(bǔ)償方案引入的副作用，就是需要額外的熱功率來校正反射鏡的面形，這對于長期運(yùn)行來說是不經(jīng)濟(jì)的。針對S3FEL在1 MHz重復(fù)頻率模式下工作的偏轉(zhuǎn)鏡，在實(shí)施REAL方案的基礎(chǔ)上提出了一種基于帕爾貼效應(yīng)的多個(gè)熱電制冷器方案來解決這個(gè)能耗問題。

使用工具

Ansys Multiphysics

最終成果

本文提出的新方案，一方面用熱電制冷器冷卻光斑附近的區(qū)域以減少反射鏡的溫度和變形，另一方面用電阻加熱片補(bǔ)償表面面形，并為偏轉(zhuǎn)鏡變形提出了改進(jìn)的數(shù)學(xué)模型，從而解決了高重復(fù)頻率FEL光束線中的高熱負(fù)載反射鏡使用REAL方案進(jìn)行面形補(bǔ)償導(dǎo)致高功耗和過高溫升的問題。

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