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

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

2. 解决方案及优势  

• 主要算法和计算流程

• 软件计算结果

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。

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

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。

【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。”