微通道熱管技術正引領多個行業邁向更高效、更環保的未來。在制冷空調領域，微通道換熱器以其高效傳熱與緊湊設計，成為提升能效的關鍵；在通信與電子行業，它有效解決了高密度設備散熱難題，助力綠色節能；交通運輸業中，微通道換熱器助力新能源汽車及傳統車輛空調系統升級，同時拓展至軌道交通與航空領域。化工與能源行業同樣受益，微通道技術提高了熱交換效率，促進了清潔能源的高效利用。此外，在生物醫療領域，微通道技術的精確溫控為藥物傳遞、細胞培養等提供了新可能。

1. 項目背景

環路熱管是指一種回路閉合環型熱管。一般由蒸發器、冷凝器、儲液器以及蒸氣和液體管線構成。其工作原理為：對蒸發器施加熱載荷，工質在蒸發器毛細芯外表面蒸發，產生的蒸氣從蒸氣槽道流出進入蒸氣管線，繼而進入冷凝器冷凝成液體并過冷，回流液體經液體管線進入液體干道對蒸發器毛細芯進行補給，如此循環，而工質的循環由蒸發器毛細芯所產生的毛細壓力驅動，無需外加動力。由于冷凝段和蒸發段分開，環路式熱管廣泛應用于能量的綜合應用以及余熱的回收。

環路熱管能將制冷機的冷量遠距離傳輸至受控元件,同時隔離制冷機對光學系統的電磁和機械震動干擾，環路熱管管線具有一定的柔性，方便在航天器內靈活布局。

由于冷凝段和蒸發段分開，環路式熱管廣泛應用于能量的綜合應用以及余熱的回收。但是其結構緊湊、面對長距離以及多點復雜的高熱流密度熱源的散熱現象，普通的測量設備很難精確的測量相變過程的溫度、速度等參數的變化；同時試驗的周期較長，費用很高，導致研發周期和成本都急劇增加。

針對上述現象，用戶單位某物理研究所提出需要環路熱管相變換熱整體解決方案，幫助其在熱管的研發設計前期，用仿真替代一部分試驗，縮短研發周期。

項目目標

積鼎基于公司現有的VirtualFlow軟件，通過對兩相流動的毛細力和沸騰換熱、冷凝換熱的研究，完善相關的求解算法和物性參數庫，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現象、蒸發管的沸騰、冷凝器的冷凝等復雜現象，解決熱管試驗參數不易測量和試驗成本高等問題。

軟件可以對流體回路的部件及換熱器等進行微觀的氣液兩相、單相、流固耦合等模擬仿真計算，提取所仿真的物理現象及趨勢，并能與理論計算比較驗證。

2. 解決方案及優勢

主要算法和計算流程

軟件具備在含有不凝性氣體的工質中計算蒸發及冷凝相變的能力，適用于蒸發器、冷凝器等存在不凝性氣體的設備的相變計算。采用該軟件進行不凝性氣體凝結和蒸發相變數值模擬時，多相流模型均采用mixture模型，并啟用組分輸運模型，分別求解連續方程、體積分數方程、動量方程、能量方程和組分擴散方程，蒸發和冷凝過程中的相變通過UDF（User Define Function）在體積分數方程、能量方程和組分輸運方程中分別添加質量源項、能量源項和相等的質量源項實現。本軟件提供組分輸運模型，其為基于組分質量分數的輸運方程解，可利用預先定義的蒸發及冷凝機制對蒸發及冷凝過程進行模擬。在自研軟件中考慮到多組分的輸運時，將混合氣體作為一個研究的整體，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。當啟用多組分輸運模型后需要注意對于該混合物體系的控制方程求解，其中同樣包括連續性方程、動量方程以及多組分方程。

軟件計算結果

蒸發器部件仿真結果顯示，壁溫結果與實驗趨勢一致。冷凝器部件仿真結果顯示，壁溫結果與實驗趨勢一致。下面為具體的計算計算結果。

在50W功率下2D軸對稱條件下，蒸發器內的流場最終達到穩態。同樣這里也重新定義了入口的質量流量。設置孔徑

計算的結果如下圖。

【蒸發器計算】

蒸發器的液相體積分數

蒸發器內各統計量隨時間的變化：a)相變速率；b)液體/氣體總體積；c)質量流量 蒸發器壁溫計算結果與測量結果比較

該算例采用了可壓縮勻相流計算模型，采用3D模型計算丙烯工況。計算冷凝器的結果如下。仿真結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。未考慮與外界環境的換熱。

?(a)各測點對應關系 (b)各測點截面內的流體平均溫度

【整機仿真】

環路熱管的整個系統仿真結果如下，整機仿真結果顯示，隨著熱流密度的增高，冷凝器中的液體體積先減后增。

方案優勢

針對環路熱管的計算，方案的主要特色與優勢如下：

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、微納結構等吸液芯的毛細潤濕和蒸發過程；可以考慮并預測毛細能力及蒸發換熱性能。

支持在微通道納米尺度中計算兩相相變，可用于表面凝結和核態沸騰的相變過程計算，以及計算在相變過程中的換熱情況。

支持Lee模型與RPI壁面沸騰模型，可根據此對池沸騰及大空間冷凝相變進行數值模擬。

在處理熱虹吸問題時，通過模擬蒸發相變，觸發熱虹吸效應，進而研究熱邊界及固體結構對虹吸過程流量、流速的影響。

可根據計算的兩相流動狀態自動切換所采用的兩相流模型，適用的多相流典型形態包括界面流、離散相以及混合流，在實際多相流問題中，這三種多相流問題存在空間和時間上變化的可能，軟件根據兩相之間的存在狀態可以自動采用不同的多相流模型，提升計算準確性。

利用高精度的界面捕捉技術進行數值仿真計算，可以計算不同毛細數(capillary number)對微通道內氣泡形狀的影響，以及計算由于表面張力的不同引起質量移動的馬蘭戈尼效應。

3. 成果及效益

通過使用軟件對環路熱管進行相變換熱仿真，其蒸發器和冷凝器的溫度變化與試驗結果趨勢一致，其中蒸發器的壁溫與試驗值偏差基本控制在1.5℃以內。同時，針對熱管內部的微小通道結構，試驗測量難度大、測試設備成本高等問題，通過相變的仿真計算，可以高精度模擬毛細力現象、蒸發器的液體沸騰換熱現象以及冷凝器的高溫蒸汽冷凝現象，準確預測氣液兩相的體積分數、介質以及壁面的溫度。

此外，通過仿真手段，有效的減少熱管設計前期的部件和整體試驗次數，研發周期縮短2/3，整體的人力成本和試驗設備成本減少一半以上。

通過一段時間的使用，客戶給予了積極的反饋：“軟件可自動生成笛卡爾網格，比Fluent等軟件節約一半以上的時間；同時，具備多種蒸發和冷凝等相變算法，能夠運用在不同的場景；軟件還可以針對不同的材料，進行多孔介質和毛細力計算，這點優于同類軟件；軟件能夠較為逼真的復現熱管相變冷卻的整個流程和現象，達到國際主流cfd軟件的計算精度。”

方案總結

本軟件可以對流體回路的部件及換熱器等進行微觀的氣液兩相、單相、流固耦合等模擬仿真計算，提取所仿真的物理現象及趨勢，并與理論計算比較驗證。以用戶提供的某型熱管物理參數為輸入，可以仿真計算該型熱管隨著功率變化的瞬態溫度變化趨勢，仿真獲得的結果與用戶提供的實驗結果相比較，趨勢一致。

相變和瞬態計算的精度和收斂性，一直以來都是流體仿真的難點。本軟件通過算法和工程實踐相結合，可以高精度的模擬環路熱管中吸液芯的毛細現象、蒸發冷凝等相變過程，填補國產軟件在這個領域的空白，同時計算精度和效率比肩國外主流軟件。

基于軟件在沸騰換熱、冷凝換熱和毛細力現象等方面有高精度的預測能力，所以可以在化工、核電、汽車、電子電器、生物等相變換熱場景較多的行業進行推廣應用。

審核編輯 黃宇