積鼎 VirtualFlow 案例 環(huán)路熱管相變換熱模擬，實(shí)現(xiàn)微通道氣液兩相、單相及流固耦合仿真計(jì)算

微通道熱管技術(shù)正引領(lǐng)多個(gè)行業(yè)邁向更高效、更環(huán)保的未來(lái)。在制冷空調(diào)領(lǐng)域，微通道換熱器以其高效傳熱與緊湊設(shè)計(jì)，成為提升能效的關(guān)鍵；在通信與電子行業(yè)，它有效解決了高密度設(shè)備散熱難題，助力綠色節(jié)能；交通運(yùn)輸業(yè)中，微通道換熱器助力新能源汽車及傳統(tǒng)車輛空調(diào)系統(tǒng)升級(jí)，同時(shí)拓展至軌道交通與航空領(lǐng)域。化工與能源行業(yè)同樣受益，微通道技術(shù)提高了熱交換效率，促進(jìn)了清潔能源的高效利用。此外，在生物醫(yī)療領(lǐng)域，微通道技術(shù)的精確溫控為藥物傳遞、細(xì)胞培養(yǎng)等提供了新可能。

1. 項(xiàng)目背景

環(huán)路熱管是指一種回路閉合環(huán)型熱管。一般由蒸發(fā)器、冷凝器、儲(chǔ)液器以及蒸氣和液體管線構(gòu)成。其工作原理為：對(duì)蒸發(fā)器施加熱載荷，工質(zhì)在蒸發(fā)器毛細(xì)芯外表面蒸發(fā)，產(chǎn)生的蒸氣從蒸氣槽道流出進(jìn)入蒸氣管線，繼而進(jìn)入冷凝器冷凝成液體并過(guò)冷，回流液體經(jīng)液體管線進(jìn)入液體干道對(duì)蒸發(fā)器毛細(xì)芯進(jìn)行補(bǔ)給，如此循環(huán)，而工質(zhì)的循環(huán)由蒸發(fā)器毛細(xì)芯所產(chǎn)生的毛細(xì)壓力驅(qū)動(dòng)，無(wú)需外加動(dòng)力。由于冷凝段和蒸發(fā)段分開，環(huán)路式熱管廣泛應(yīng)用于能量的綜合應(yīng)用以及余熱的回收。

環(huán)路熱管能將制冷機(jī)的冷量遠(yuǎn)距離傳輸至受控元件,同時(shí)隔離制冷機(jī)對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的電磁和機(jī)械震動(dòng)干擾，環(huán)路熱管管線具有一定的柔性，方便在航天器內(nèi)靈活布局。

由于冷凝段和蒸發(fā)段分開，環(huán)路式熱管廣泛應(yīng)用于能量的綜合應(yīng)用以及余熱的回收。但是其結(jié)構(gòu)緊湊、面對(duì)長(zhǎng)距離以及多點(diǎn)復(fù)雜的高熱流密度熱源的散熱現(xiàn)象，普通的測(cè)量設(shè)備很難精確的測(cè)量相變過(guò)程的溫度、速度等參數(shù)的變化；同時(shí)試驗(yàn)的周期較長(zhǎng)，費(fèi)用很高，導(dǎo)致研發(fā)周期和成本都急劇增加。

針對(duì)上述現(xiàn)象，用戶單位某物理研究所提出需要環(huán)路熱管相變換熱整體解決方案，幫助其在熱管的研發(fā)設(shè)計(jì)前期，用仿真替代一部分試驗(yàn)，縮短研發(fā)周期。

項(xiàng)目目標(biāo)

積鼎基于公司現(xiàn)有的VirtualFlow軟件，通過(guò)對(duì)兩相流動(dòng)的毛細(xì)力和沸騰換熱、冷凝換熱的研究，完善相關(guān)的求解算法和物性參數(shù)庫(kù)，形成熱管相變冷卻的整體解決方案。其可用于模擬吸液芯的毛細(xì)現(xiàn)象、蒸發(fā)管的沸騰、冷凝器的冷凝等復(fù)雜現(xiàn)象，解決熱管試驗(yàn)參數(shù)不易測(cè)量和試驗(yàn)成本高等問(wèn)題。

軟件可以對(duì)流體回路的部件及換熱器等進(jìn)行微觀的氣液兩相、單相、流固耦合等模擬仿真計(jì)算，提取所仿真的物理現(xiàn)象及趨勢(shì)，并能與理論計(jì)算比較驗(yàn)證。

2. 解決方案及優(yōu)勢(shì)

主要算法和計(jì)算流程

軟件具備在含有不凝性氣體的工質(zhì)中計(jì)算蒸發(fā)及冷凝相變的能力，適用于蒸發(fā)器、冷凝器等存在不凝性氣體的設(shè)備的相變計(jì)算。采用該軟件進(jìn)行不凝性氣體凝結(jié)和蒸發(fā)相變數(shù)值模擬時(shí)，多相流模型均采用mixture模型，并啟用組分輸運(yùn)模型，分別求解連續(xù)方程、體積分?jǐn)?shù)方程、動(dòng)量方程、能量方程和組分?jǐn)U散方程，蒸發(fā)和冷凝過(guò)程中的相變通過(guò)UDF（User Define Function）在體積分?jǐn)?shù)方程、能量方程和組分輸運(yùn)方程中分別添加質(zhì)量源項(xiàng)、能量源項(xiàng)和相等的質(zhì)量源項(xiàng)實(shí)現(xiàn)。本軟件提供組分輸運(yùn)模型，其為基于組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的輸運(yùn)方程解，可利用預(yù)先定義的蒸發(fā)及冷凝機(jī)制對(duì)蒸發(fā)及冷凝過(guò)程進(jìn)行模擬。在自研軟件中考慮到多組分的輸運(yùn)時(shí)，將混合氣體作為一個(gè)研究的整體，利用多組分模型可以很好地解決含有兩種或者兩種以上組分的系統(tǒng)。當(dāng)啟用多組分輸運(yùn)模型后需要注意對(duì)于該混合物體系的控制方程求解，其中同樣包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程以及多組分方程。

軟件計(jì)算結(jié)果

蒸發(fā)器部件仿真結(jié)果顯示，壁溫結(jié)果與實(shí)驗(yàn)趨勢(shì)一致。冷凝器部件仿真結(jié)果顯示，壁溫結(jié)果與實(shí)驗(yàn)趨勢(shì)一致。下面為具體的計(jì)算計(jì)算結(jié)果。

在50W功率下2D軸對(duì)稱條件下，蒸發(fā)器內(nèi)的流場(chǎng)最終達(dá)到穩(wěn)態(tài)。同樣這里也重新定義了入口的質(zhì)量流量。設(shè)置孔徑

計(jì)算的結(jié)果如下圖。

【蒸發(fā)器計(jì)算】

蒸發(fā)器的液相體積分?jǐn)?shù)

蒸發(fā)器內(nèi)各統(tǒng)計(jì)量隨時(shí)間的變化：a)相變速率；b)液體/氣體總體積；c)質(zhì)量流量 蒸發(fā)器壁溫計(jì)算結(jié)果與測(cè)量結(jié)果比較

該算例采用了可壓縮勻相流計(jì)算模型，采用3D模型計(jì)算丙烯工況。計(jì)算冷凝器的結(jié)果如下。仿真結(jié)果中的溫度為橫截面上的流體均溫，可以比壁溫溫度高在冷凝器下游測(cè)量溫度升至230K，仿真中下游流體均溫保持不變。未考慮與外界環(huán)境的換熱。

?(a)各測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)關(guān)系 (b)各測(cè)點(diǎn)截面內(nèi)的流體平均溫度

【整機(jī)仿真】

環(huán)路熱管的整個(gè)系統(tǒng)仿真結(jié)果如下，整機(jī)仿真結(jié)果顯示，隨著熱流密度的增高，冷凝器中的液體體積先減后增。

方案優(yōu)勢(shì)

針對(duì)環(huán)路熱管的計(jì)算，方案的主要特色與優(yōu)勢(shì)如下：

軟件具備氣液兩相模型，可模擬微納米尺度如空隙尺度的多孔介質(zhì)、微納結(jié)構(gòu)等吸液芯的毛細(xì)潤(rùn)濕和蒸發(fā)過(guò)程；可以考慮并預(yù)測(cè)毛細(xì)能力及蒸發(fā)換熱性能。

支持在微通道納米尺度中計(jì)算兩相相變，可用于表面凝結(jié)和核態(tài)沸騰的相變過(guò)程計(jì)算，以及計(jì)算在相變過(guò)程中的換熱情況。

支持Lee模型與RPI壁面沸騰模型，可根據(jù)此對(duì)池沸騰及大空間冷凝相變進(jìn)行數(shù)值模擬。

在處理熱虹吸問(wèn)題時(shí)，通過(guò)模擬蒸發(fā)相變，觸發(fā)熱虹吸效應(yīng)，進(jìn)而研究熱邊界及固體結(jié)構(gòu)對(duì)虹吸過(guò)程流量、流速的影響。

可根據(jù)計(jì)算的兩相流動(dòng)狀態(tài)自動(dòng)切換所采用的兩相流模型，適用的多相流典型形態(tài)包括界面流、離散相以及混合流，在實(shí)際多相流問(wèn)題中，這三種多相流問(wèn)題存在空間和時(shí)間上變化的可能，軟件根據(jù)兩相之間的存在狀態(tài)可以自動(dòng)采用不同的多相流模型，提升計(jì)算準(zhǔn)確性。

利用高精度的界面捕捉技術(shù)進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算，可以計(jì)算不同毛細(xì)數(shù)(capillary number)對(duì)微通道內(nèi)氣泡形狀的影響，以及計(jì)算由于表面張力的不同引起質(zhì)量移動(dòng)的馬蘭戈尼效應(yīng)。

3. 成果及效益

通過(guò)使用軟件對(duì)環(huán)路熱管進(jìn)行相變換熱仿真，其蒸發(fā)器和冷凝器的溫度變化與試驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)一致，其中蒸發(fā)器的壁溫與試驗(yàn)值偏差基本控制在1.5℃以內(nèi)。同時(shí)，針對(duì)熱管內(nèi)部的微小通道結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)測(cè)量難度大、測(cè)試設(shè)備成本高等問(wèn)題，通過(guò)相變的仿真計(jì)算，可以高精度模擬毛細(xì)力現(xiàn)象、蒸發(fā)器的液體沸騰換熱現(xiàn)象以及冷凝器的高溫蒸汽冷凝現(xiàn)象，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)氣液兩相的體積分?jǐn)?shù)、介質(zhì)以及壁面的溫度。

此外，通過(guò)仿真手段，有效的減少熱管設(shè)計(jì)前期的部件和整體試驗(yàn)次數(shù)，研發(fā)周期縮短2/3，整體的人力成本和試驗(yàn)設(shè)備成本減少一半以上。

通過(guò)一段時(shí)間的使用，客戶給予了積極的反饋：“軟件可自動(dòng)生成笛卡爾網(wǎng)格，比Fluent等軟件節(jié)約一半以上的時(shí)間；同時(shí)，具備多種蒸發(fā)和冷凝等相變算法，能夠運(yùn)用在不同的場(chǎng)景；軟件還可以針對(duì)不同的材料，進(jìn)行多孔介質(zhì)和毛細(xì)力計(jì)算，這點(diǎn)優(yōu)于同類軟件；軟件能夠較為逼真的復(fù)現(xiàn)熱管相變冷卻的整個(gè)流程和現(xiàn)象，達(dá)到國(guó)際主流cfd軟件的計(jì)算精度?！?/strong>