VirtualFlow | 基于热限制相变和流固耦合模型的冷板共轭传热相变仿真
冷板在电子设备领域应用极为广泛，如航空电子设备、汽车电子设备等。由于现代设备越来越集成化及模块化，要求以更小的体积、更轻的重量提供更优越的性能，使得在各级电子封装上产生高的功率密度，而电子元件上高热量的聚集是造成设备可靠性降低的主要原因。 本文将利用积鼎通用流体仿真软件VirtualFlow对水平冷板的共轭换热进行模拟，主要涉及相变过程的流动和传热传质问题，通过分析为高热流电子设备散热设备设计提供指导。仿真过程将用到VirtualFlow自主开发的热限制相变模型和流固耦合模型。01 热限制相变模型 饱和温度相变模型，即界面两侧流体对界面的热扩散正好被相变潜热抵消。使用该模型的时候，需要确保界面处的网格足够小，以保证流体网格中心与界面之间的换热计算是准确的。02 耦合模型 计算流固耦合传热问题的首要问题是建立界面两端的温度与热通量之间的关系，使耦合求解流体域和固体域的温度场成为可能。贴体网格的情形，流固界面和网格界面正好重合，可由下面的公式建立界面两边网格温度与界面热通量的关系:上式中，表示流固的热传导系数的调和平均，表示、之间的距离，下标表示界面。VirtualFlow引入IST技术，使用笛卡尔网格，以非贴体的方式描述任意复杂界面，流固界面与网格之间界面不重合。以下是VirtualFlow的处理方式。一般VirtualFlow中，通过Heaviside阶梯函数打开或者关闭特定区域的流场求解。当共轭传热模块关闭时，阶梯函数H在流体域内为1，在固体域内为0（如果不打开TSolid功能）。当开启共轭传热模块时，阶梯函数H为固体阶梯函数和流体阶梯函数的复合，即在全体计算域内皆是1，因此固体和流体内的温度场同时求解。03 模型输入及设置 【仿真条件】工作压力为1.68MPa，饱和温度为333.11K； 进口过冷度为5K，流量为0.1m3/h； 热源芯片热功率20kW，环境温度为20℃； 固体材料为铝。 以下是流固共轭换热几何模型，外部是固体域，内部为流体域。冷媒物性参数及输入条件如下所示。流固共轭换热几何模型 以下是关于固体热源和相变的VirtualFlow设置。04 计算结果 从图中可以看出，液态冷媒从入口进入，随着不断被加热温度达到饱和温度，液态冷媒开始发生相变，成为汽态冷媒，随着继续加热，有的位置的温度明显升的较高，蒸汽的体积分数达到最大，如冷板上侧离热源最近，蒸汽的体积分数达到1.0，完全相变；而与其相对的另一侧，蒸汽体积分数在0.5 左右，并没有完全相变。05 总结 1、在共轭传热相变模拟中，VirtualFLow开发了相应的模型，并在多个领域实现了应用和验证，在国产软件中实现了完全自主。2、共轭传热几何处理，商软处理方式是，将固体域导入到前处理软件，再提取流体域，再做共节点处理，最后划分网格导入到求解器中。而VirtualFlow只需导入固体域，软件会自动提取流体域，还能自动生成网格，大大节省了前处理时间。（参考阅读：多层级网格划分技术如何做到便捷、高效？）3、VirtualFLow作为具备完全自主知识产权的国产软件，可根据用户需求进行深度二次开发。通用计算流体力学软件VirtualFlow，具备行业领先的网格建模与求解技术，和丰富的多相流物理模型及先进的相变模型，可模拟单相和多相/多组分物质流动、传热、界面追踪、粒子追踪、相变、水合物反应等复杂问题，可为工业各行业用户提供专业级流体仿真解决方案。 来源：多相流在线
图1 泄洪中的三峡大坝
图2 几何模型与网格划分
