微通道熱管技術(shù)正引領(lǐng)多個行業(yè)邁向更高效、更環(huán)保的未來。在制冷空調(diào)領(lǐng)域，微通道換熱器以其高效傳熱與緊湊設(shè)計，成為提升能效的關(guān)鍵；在通信與電子行業(yè)，它有效解決了高密度設(shè)備散熱難題，助力綠色節(jié)能；交通運輸業(yè)中，微通道換熱器助力新能源汽車及傳統(tǒng)車輛空調(diào)系統(tǒng)升級，同時拓展至軌道交通與航空領(lǐng)域。化工與能源行業(yè)同樣受益，微通道技術(shù)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(yī)療領(lǐng)域，微通道技術(shù)的精確溫控為藥物傳遞、細胞培養(yǎng)等提供了新可能。
環(huán)路熱管是指一種回路閉合環(huán)型熱管。一般由蒸發(fā)器、冷凝器、儲液器以及蒸氣和液體管線構(gòu)成。其工作原理為：對蒸發(fā)器施加熱載荷，工質(zhì)在蒸發(fā)器毛細芯外表面蒸發(fā)，產(chǎn)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(jīng)液體管線進入液體干道對蒸發(fā)器毛細芯進行補給，如此循環(huán)，而工質(zhì)的循環(huán)由蒸發(fā)器毛細芯所產(chǎn)生的毛細壓力驅(qū)動，無需外加動力。由于冷凝段和蒸發(fā)段分開，環(huán)路式熱管廣泛應(yīng)用于能量的綜合應(yīng)用以及余熱的回收。
環(huán)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(tǒng)的電磁和機械震動干擾，環(huán)路熱管管線具有一定的柔性，方便在航天器內(nèi)靈活布局。
由于冷凝段和蒸發(fā)段分開，環(huán)路式熱管廣泛應(yīng)用于能量的綜合應(yīng)用以及余熱的回收。但是其結(jié)構(gòu)緊湊、面對長距離以及多點復(fù)雜的高熱流密度熱源的散熱現(xiàn)象，普通的測量設(shè)備很難精確的測量相變過程的溫度、速度等參數(shù)的變化；同時試驗的周期較長，費用很高，導(dǎo)致研發(fā)周期和成本都急劇增加。
針對上述現(xiàn)象，用戶單位某物理研究所提出需要環(huán)路熱管相變換熱整體解決方案，幫助其在熱管的研發(fā)設(shè)計前期，用仿真替代一部分試驗，縮短研發(fā)周期。
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(xiàn)象及趨勢，并能與理論計算比較驗證。
主要算法和計算流程
在50W功率下2D軸對稱條件下，蒸發(fā)器內(nèi)的流場最終達到穩(wěn)態(tài)。同樣這里也重新定義了入口的質(zhì)量流量。設(shè)置孔徑
。計算的結(jié)果如下圖。
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蒸發(fā)器的液相體積分數(shù)
蒸發(fā)器內(nèi)各統(tǒng)計量隨時間的變化：a)相變速率；b)液體/氣體總體積；c)質(zhì)量流量
蒸發(fā)器壁溫計算結(jié)果與測量結(jié)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(jié)果如下。仿真結(jié)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(huán)境的換熱。
(a)各測點對應(yīng)關(guān)系 (b)各測點截面內(nèi)的流體平均溫度
環(huán)路熱管的整個系統(tǒng)仿真結(jié)果如下，整機仿真結(jié)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。
針對環(huán)路熱管的計算，方案的主要特色與優(yōu)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(zhì)、微納結(jié)構(gòu)等吸液芯的毛細潤濕和蒸發(fā)過程；可以考慮并預(yù)測毛細能力及蒸發(fā)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(jié)和核態(tài)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(jù)此對池沸騰及大空間冷凝相變進行數(shù)值模擬。
在處理熱虹吸問題時，通過模擬蒸發(fā)相變，觸發(fā)熱虹吸效應(yīng)，進而研究熱邊界及固體結(jié)構(gòu)對虹吸過程流量、流速的影響。
可根據(jù)計算的兩相流動狀態(tài)自動切換所采用的兩相流模型，適用的多相流典型形態(tài)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(jù)兩相之間的存在狀態(tài)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(shù)進行數(shù)值仿真計算，可以計算不同毛細數(shù)(capillary number)對微通道內(nèi)氣泡形狀的影響，以及計算由于表面張力的不同引起質(zhì)量移動的馬蘭戈尼效應(yīng)。
通過使用軟件對環(huán)路熱管進行相變換熱仿真，其蒸發(fā)器和冷凝器的溫度變化與試驗結(jié)果趨勢一致，其中蒸發(fā)器的壁溫與試驗值偏差基本控制在1.5℃以內(nèi)。同時，針對熱管內(nèi)部的微小通道結(jié)構(gòu)，試驗測量難度大、測試設(shè)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(xiàn)象、蒸發(fā)器的液體沸騰換熱現(xiàn)象以及冷凝器的高溫蒸汽冷凝現(xiàn)象，準確預(yù)測氣液兩相的體積分數(shù)、介質(zhì)以及壁面的溫度。
此外，通過仿真手段，有效的減少熱管設(shè)計前期的部件和整體試驗次數(shù)，研發(fā)周期縮短2/3，整體的人力成本和試驗設(shè)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(wǎng)格，比Fluent等軟件節(jié)約一半以上的時間；同時，具備多種蒸發(fā)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(zhì)和毛細力計算，這點優(yōu)于同類軟件；軟件能夠較為逼真的復(fù)現(xiàn)熱管相變冷卻的整個流程和現(xiàn)象，達到國際主流cfd軟件的計算精度。”
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(xiàn)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(shù)為輸入，可以仿真計算該型熱管隨著功率變化的瞬態(tài)溫度變化趨勢，仿真獲得的結(jié)果與用戶提供的實驗結(jié)果相比較，趨勢一致。
相變和瞬態(tài)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(jié)合，可以高精度的模擬環(huán)路熱管中吸液芯的毛細現(xiàn)象、蒸發(fā)冷凝等相變過程，填補國產(chǎn)軟件在這個領(lǐng)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(xiàn)象等方面有高精度的預(yù)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(yè)進行推廣應(yīng)用。
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