积鼎 VirtualFlow 案例 环路热管相变换热模拟，实现微通道气液两相、单相及流固耦合仿真计算

微通道热管技术正引领多个行业迈向更高效、更环保的未来。在制冷空调领域，微通道换热器以其高效传热与紧凑设计，成为提升能效的关键；在通信与电子行业，它有效解决了高密度设备散热难题，助力绿色节能；交通运输业中，微通道换热器助力新能源汽车及传统车辆空调系统升级，同时拓展至轨道交通与航空领域。化工与能源行业同样受益，微通道技术提高了热交换效率，促进了清洁能源的高效利用。此外，在生物医疗领域，微通道技术的精确温控为药物传递、细胞培养等提供了新可能。

1. 项目背景

环路热管是指一种回路闭合环型热管。一般由蒸发器、冷凝器、储液器以及蒸气和液体管线构成。其工作原理为：对蒸发器施加热载荷，工质在蒸发器毛细芯外表面蒸发，产生的蒸气从蒸气槽道流出进入蒸气管线，继而进入冷凝器冷凝成液体并过冷，回流液体经液体管线进入液体干道对蒸发器毛细芯进行补给，如此循环，而工质的循环由蒸发器毛细芯所产生的毛细压力驱动，无需外加动力。由于冷凝段和蒸发段分开，环路式热管广泛应用于能量的综合应用以及余热的回收。

环路热管能将制冷机的冷量远距离传输至受控元件,同时隔离制冷机对光学系统的电磁和机械震动干扰，环路热管管线具有一定的柔性，方便在航天器内灵活布局。

由于冷凝段和蒸发段分开，环路式热管广泛应用于能量的综合应用以及余热的回收。但是其结构紧凑、面对长距离以及多点复杂的高热流密度热源的散热现象，普通的测量设备很难精确的测量相变过程的温度、速度等参数的变化；同时试验的周期较长，费用很高，导致研发周期和成本都急剧增加。

针对上述现象，用户单位某物理研究所提出需要环路热管相变换热整体解决方案，帮助其在热管的研发设计前期，用仿真替代一部分试验，缩短研发周期。

项目目标

积鼎基于公司现有的VirtualFlow软件，通过对两相流动的毛细力和沸腾换热、冷凝换热的研究，完善相关的求解算法和物性参数库，形成热管相变冷却的整体解决方案。其可用于模拟吸液芯的毛细现象、蒸发管的沸腾、冷凝器的冷凝等复杂现象，解决热管试验参数不易测量和试验成本高等问题。

软件可以对流体回路的部件及换热器等进行微观的气液两相、单相、流固耦合等模拟仿真计算，提取所仿真的物理现象及趋势，并能与理论计算比较验证。

2. 解决方案及优势

主要算法和计算流程

软件具备在含有不凝性气体的工质中计算蒸发及冷凝相变的能力，适用于蒸发器、冷凝器等存在不凝性气体的设备的相变计算。采用该软件进行不凝性气体凝结和蒸发相变数值模拟时，多相流模型均采用mixture模型，并启用组分输运模型，分别求解连续方程、体积分数方程、动量方程、能量方程和组分扩散方程，蒸发和冷凝过程中的相变通过UDF（User Define Function）在体积分数方程、能量方程和组分输运方程中分别添加质量源项、能量源项和相等的质量源项实现。本软件提供组分输运模型，其为基于组分质量分数的输运方程解，可利用预先定义的蒸发及冷凝机制对蒸发及冷凝过程进行模拟。在自研软件中考虑到多组分的输运时，将混合气体作为一个研究的整体，利用多组分模型可以很好地解决含有两种或者两种以上组分的系统。当启用多组分输运模型后需要注意对于该混合物体系的控制方程求解，其中同样包括连续性方程、动量方程以及多组分方程。

软件计算结果

蒸发器部件仿真结果显示，壁温结果与实验趋势一致。冷凝器部件仿真结果显示，壁温结果与实验趋势一致。下面为具体的计算计算结果。

在50W功率下2D轴对称条件下，蒸发器内的流场最终达到稳态。同样这里也重新定义了入口的质量流量。设置孔径

计算的结果如下图。

【蒸发器计算】

蒸发器的液相体积分数

蒸发器内各统计量随时间的变化：a)相变速率；b)液体/气体总体积；c)质量流量 蒸发器壁温计算结果与测量结果比较

该算例采用了可压缩匀相流计算模型，采用3D模型计算丙烯工况。计算冷凝器的结果如下。仿真结果中的温度为横截面上的流体均温，可以比壁温温度高在冷凝器下游测量温度升至230K，仿真中下游流体均温保持不变。未考虑与外界环境的换热。

 (a)各测点对应关系 (b)各测点截面内的流体平均温度

【整机仿真】

环路热管的整个系统仿真结果如下，整机仿真结果显示，随着热流密度的增高，冷凝器中的液体体积先减后增。

方案优势

针对环路热管的计算，方案的主要特色与优势如下：

软件具备气液两相模型，可模拟微纳米尺度如空隙尺度的多孔介质、微纳结构等吸液芯的毛细润湿和蒸发过程；可以考虑并预测毛细能力及蒸发换热性能。

支持在微通道纳米尺度中计算两相相变，可用于表面凝结和核态沸腾的相变过程计算，以及计算在相变过程中的换热情况。

支持Lee模型与RPI壁面沸腾模型，可根据此对池沸腾及大空间冷凝相变进行数值模拟。

在处理热虹吸问题时，通过模拟蒸发相变，触发热虹吸效应，进而研究热边界及固体结构对虹吸过程流量、流速的影响。

可根据计算的两相流动状态自动切换所采用的两相流模型，适用的多相流典型形态包括界面流、离散相以及混合流，在实际多相流问题中，这三种多相流问题存在空间和时间上变化的可能，软件根据两相之间的存在状态可以自动采用不同的多相流模型，提升计算准确性。

利用高精度的界面捕捉技术进行数值仿真计算，可以计算不同毛细数(capillary number)对微通道内气泡形状的影响，以及计算由于表面张力的不同引起质量移动的马兰戈尼效应。

3. 成果及效益

通过使用软件对环路热管进行相变换热仿真，其蒸发器和冷凝器的温度变化与试验结果趋势一致，其中蒸发器的壁温与试验值偏差基本控制在1.5℃以内。同时，针对热管内部的微小通道结构，试验测量难度大、测试设备成本高等问题，通过相变的仿真计算，可以高精度模拟毛细力现象、蒸发器的液体沸腾换热现象以及冷凝器的高温蒸汽冷凝现象，准确预测气液两相的体积分数、介质以及壁面的温度。

此外，通过仿真手段，有效的减少热管设计前期的部件和整体试验次数，研发周期缩短2/3，整体的人力成本和试验设备成本减少一半以上。

通过一段时间的使用，客户给予了积极的反馈：“软件可自动生成笛卡尔网格，比Fluent等软件节约一半以上的时间；同时，具备多种蒸发和冷凝等相变算法，能够运用在不同的场景；软件还可以针对不同的材料，进行多孔介质和毛细力计算，这点优于同类软件；软件能够较为逼真的复现热管相变冷却的整个流程和现象，达到国际主流cfd软件的计算精度。”

方案总结

本软件可以对流体回路的部件及换热器等进行微观的气液两相、单相、流固耦合等模拟仿真计算，提取所仿真的物理现象及趋势，并与理论计算比较验证。以用户提供的某型热管物理参数为输入，可以仿真计算该型热管随着功率变化的瞬态温度变化趋势，仿真获得的结果与用户提供的实验结果相比较，趋势一致。

相变和瞬态计算的精度和收敛性，一直以来都是流体仿真的难点。本软件通过算法和工程实践相结合，可以高精度的模拟环路热管中吸液芯的毛细现象、蒸发冷凝等相变过程，填补国产软件在这个领域的空白，同时计算精度和效率比肩国外主流软件。

基于软件在沸腾换热、冷凝换热和毛细力现象等方面有高精度的预测能力，所以可以在化工、核电、汽车、电子电器、生物等相变换热场景较多的行业进行推广应用。

审核编辑 黄宇