熱管作為一種高效的傳熱元件，其工作原理基于熱傳導(dǎo)和相變過程。它通常由管殼、吸液芯和端蓋組成，內(nèi)部充注適量的工作液體。在不消耗外部能源的情況下快速傳遞熱量。熱管因其高效的熱傳導(dǎo)性能，被廣泛應(yīng)用于各種需要有效散熱的領(lǐng)域，如航空航天器的熱控、電子設(shè)備的冷卻等。盡管熱管在實(shí)際應(yīng)用中已經(jīng)展現(xiàn)出了其優(yōu)越的性能，但在設(shè)計(jì)和優(yōu)化過程中仍然面臨諸多挑戰(zhàn)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試雖然能夠提供真實(shí)的數(shù)據(jù)，但往往成本高昂且周期長。此外，實(shí)驗(yàn)條件難以完全控制，可能會(huì)受到環(huán)境因素的影響。因此，仿真技術(shù)在熱管設(shè)計(jì)和優(yōu)化過程中起到了至關(guān)重要的作用。

熱管模擬仿真目的

通過CFD技術(shù)模擬熱管的實(shí)際工作過程，以預(yù)測(cè)和優(yōu)化其熱傳輸性能。仿真可以實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)目的：

設(shè)計(jì)優(yōu)化：基于仿真數(shù)據(jù)，可以調(diào)整熱管的幾何形狀、管徑、管長、翅片結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵參數(shù)，以最大化其熱傳輸效率。

性能預(yù)測(cè)：通過CFD技術(shù)，可以預(yù)測(cè)熱管在不同工況下的溫度分布、壓力變化、傳熱效率以及響應(yīng)速度等關(guān)鍵參數(shù)。

流動(dòng)與傳熱特性分析：揭示熱管內(nèi)部的流體流動(dòng)和傳熱特性，觀察到流體在熱管內(nèi)的流動(dòng)路徑、流速分布、壓力分布以及溫度分布等關(guān)鍵信息。

穩(wěn)定性與可靠性評(píng)估：

評(píng)估熱管在不同運(yùn)行條件下的穩(wěn)定性和可靠性。包括長時(shí)間運(yùn)行、負(fù)荷變化、環(huán)境變化等多種情況。

熱管仿真的難點(diǎn)

物理模型復(fù)雜性：

熱管仿真涉及到兩相流、多組分流動(dòng)、相變現(xiàn)象、復(fù)雜的傳熱機(jī)制以及毛細(xì)力驅(qū)動(dòng)的回流效應(yīng)，這些都需要高精度的數(shù)學(xué)模型來描述。

邊界條件設(shè)置：準(zhǔn)確設(shè)定熱管兩端及壁面的熱通量、壓力、濕度等邊界條件是仿真結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵，而在實(shí)際情況中這些條件可能會(huì)隨時(shí)間和空間變化。

微尺度效應(yīng)：部分熱管內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有微觀特征，如微槽、多孔介質(zhì)等，這類微尺度效應(yīng)對(duì)傳熱有顯著影響，但建模難度較大。

數(shù)值計(jì)算挑戰(zhàn)：求解涉及非線性方程組的穩(wěn)定性、收斂性和計(jì)算資源需求較高，特別是在處理大規(guī)模三維模型時(shí)。

專業(yè)的熱管模擬仿真模塊

HeatPipePro是專用于熱管內(nèi)部流動(dòng)、傳熱和傳質(zhì)仿真的模塊。它能夠精確分析熱管中的吸液芯毛細(xì)驅(qū)動(dòng)流動(dòng)問題，揭示流體在微小通道中的流動(dòng)機(jī)制；能夠有效處理吸液芯表面的兩相相變問題，準(zhǔn)確模擬液體蒸發(fā)和氣體冷凝過程；能分析冷凝器內(nèi)部壁面的冷凝問題，評(píng)估冷凝效率和冷凝液分布；能夠全面分析整個(gè)熱管回路的工作狀態(tài)，預(yù)測(cè)其在不同工作條件下的性能表現(xiàn)，為熱管產(chǎn)品的研發(fā)提供有力支持。

功能特點(diǎn)

● 采用可壓縮兩相流模型處理熱管內(nèi)部壓力、溫度變化條件下的流體問題。●多孔介質(zhì)模型和毛細(xì)力模型耦合使用,保證了毛細(xì)芯內(nèi)兩相流動(dòng)的順利進(jìn)行。●沸騰冷凝相變模型可以準(zhǔn)確描述熱管內(nèi)部相變問題。●可對(duì)整個(gè)熱管系統(tǒng)進(jìn)行仿真,通過分析不同設(shè)計(jì)參數(shù)(充液率、幾何尺寸等)計(jì)算結(jié)果,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)。

微槽道熱管

典型應(yīng)用案例

■航天器熱管相變冷卻

熱管相變傳熱的物理過程復(fù)雜，涉及兩相流動(dòng)、換熱、傳質(zhì)等現(xiàn)象，為時(shí)間與空間多尺度兩相流形態(tài)。軟件采用高效的Lee模型進(jìn)行蒸發(fā)、冷凝現(xiàn)象的計(jì)算，多相流模型采用均相模型，可以模擬相變熱管的熱傳遞全過程。

■蒸發(fā)器部件仿真中的應(yīng)用

軟件通過模擬蒸發(fā)器內(nèi)的毛細(xì)壓力模型和沸騰模型，分析了蒸發(fā)器在不同工況下的性能表現(xiàn)，并驗(yàn)證了冷凝器內(nèi)蒸汽冷凝過程受多種因素影響，為蒸發(fā)器和冷凝器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了有力支持。

積鼎科技成立于2008年，是國產(chǎn)自主流體仿真軟件研發(fā)及技術(shù)服務(wù)的高新技術(shù)企業(yè)。公司具有10余年CFD仿真技術(shù)開發(fā)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，核心產(chǎn)品與技術(shù)已成功為中國航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究院、中國航發(fā)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)研究所、上海空間推進(jìn)研究所、西安航天動(dòng)力研究所等航空航天客戶提供專業(yè)的流體仿真解決方案。

審核編輯 黃宇