熱管作為一種高效的傳熱元件，其工作原理基于熱傳導和相變過程。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性能，被廣泛應用于各種需要有效散熱的領域，如航空航天器的熱控、電子設備的冷卻等。盡管熱管在實際應用中已經(jīng)展現(xiàn)出了其優(yōu)越的性能，但在設計和優(yōu)化過程中仍然面臨諸多挑戰(zhàn)。實驗測試雖然能夠提供真實的數(shù)據(jù)，但往往成本高昂且周期長。此外，實驗條件難以完全控制，可能會受到環(huán)境因素的影響。因此，仿真技術在熱管設計和優(yōu)化過程中起到了至關重要的作用。

熱管模擬仿真目的

通過CFD技術模擬熱管的實際工作過程，以預測和優(yōu)化其熱傳輸性能。仿真可以實現(xiàn)以下幾個目的：

設計優(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、翅片結構等關鍵參數(shù)，以最大化其熱傳輸效率。

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

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

穩(wěn)定性與可靠性評估：

評估熱管在不同運行條件下的穩(wěn)定性和可靠性。包括長時間運行、負荷變化、環(huán)境變化等多種情況。

熱管仿真的難點

物理模型復雜性：

熱管仿真涉及到兩相流、多組分流動、相變現(xiàn)象、復雜的傳熱機制以及毛細力驅動的回流效應，這些都需要高精度的數(shù)學模型來描述。

邊界條件設置：準確設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果準確性的關鍵，而在實際情況中這些條件可能會隨時間和空間變化。

微尺度效應：部分熱管內(nèi)部結構具有微觀特征，如微槽、多孔介質等，這類微尺度效應對傳熱有顯著影響，但建模難度較大。

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

專業(yè)的熱管模擬仿真模塊

HeatPipePro是專用于熱管內(nèi)部流動、傳熱和傳質仿真的模塊。它能夠精確分析熱管中的吸液芯毛細驅動流動問題，揭示流體在微小通道中的流動機制；能夠有效處理吸液芯表面的兩相相變問題，準確模擬液體蒸發(fā)和氣體冷凝過程；能分析冷凝器內(nèi)部壁面的冷凝問題，評估冷凝效率和冷凝液分布；能夠全面分析整個熱管回路的工作狀態(tài)，預測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

● 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。●多孔介質模型和毛細力模型耦合使用,保證了毛細芯內(nèi)兩相流動的順利進行。●沸騰冷凝相變模型可以準確描述熱管內(nèi)部相變問題。●可對整個熱管系統(tǒng)進行仿真,通過分析不同設計參數(shù)(充液率、幾何尺寸等)計算結果,實現(xiàn)產(chǎn)品優(yōu)化設計。

微槽道熱管

典型應用案例

■航天器熱管相變冷卻

熱管相變傳熱的物理過程復雜，涉及兩相流動、換熱、傳質等現(xiàn)象，為時間與空間多尺度兩相流形態(tài)。軟件采用高效的Lee模型進行蒸發(fā)、冷凝現(xiàn)象的計算，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)器部件仿真中的應用

軟件通過模擬蒸發(fā)器內(nèi)的毛細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)器和冷凝器的設計和優(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)及技術服務的高新技術企業(yè)。公司具有10余年CFD仿真技術開發(fā)應用經(jīng)驗，核心產(chǎn)品與技術已成功為中國航空發(fā)動機研究院、中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所、上海空間推進研究所、西安航天動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