冷板在電子設(shè)備領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛，如航空電子設(shè)備、汽車電子設(shè)備等。由于現(xiàn)代設(shè)備越來(lái)越集成化及模塊化，要求以更小的體積、更輕的重量提供更優(yōu)越的性能，使得在各級(jí)電子封裝上產(chǎn)生高的功率密度，而電子元件上高熱量的聚集是造成設(shè)備可靠性降低的主要原因。

本文將利用積鼎通用流體仿真軟件VirtualFlow對(duì)水平冷板的共軛換熱進(jìn)行模擬，主要涉及相變過(guò)程的流動(dòng)和傳熱傳質(zhì)問(wèn)題，通過(guò)分析為高熱流電子設(shè)備散熱設(shè)備設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。仿真過(guò)程將用到VirtualFlow自主開(kāi)發(fā)的熱限制相變模型和流固耦合模型。

01 熱限制相變模型

飽和溫度相變模型，即界面兩側(cè)流體對(duì)界面的熱擴(kuò)散正好被相變潛熱抵消。使用該模型的時(shí)候，需要確保界面處的網(wǎng)格足夠小，以保證流體網(wǎng)格中心與界面之間的換熱計(jì)算是準(zhǔn)確的。

02 耦合模型

計(jì)算流固耦合傳熱問(wèn)題的首要問(wèn)題是建立界面兩端的溫度與熱通量之間的關(guān)系，使耦合求解流體域和固體域的溫度場(chǎng)成為可能。

貼體網(wǎng)格的情形，流固界面和網(wǎng)格界面正好重合，可由下面的公式建立界面兩邊網(wǎng)格溫度與界面熱通量的關(guān)系:

VirtualFlow引入IST技術(shù)，使用笛卡爾網(wǎng)格，以非貼體的方式描述任意復(fù)雜界面，流固界面與網(wǎng)格之間界面不重合。以下是VirtualFlow的處理方式。

一般VirtualFlow中，通過(guò)Heaviside階梯函數(shù)打開(kāi)或者關(guān)閉特定區(qū)域的流場(chǎng)求解。當(dāng)共軛傳熱模塊關(guān)閉時(shí)，階梯函數(shù)H在流體域內(nèi)為1，在固體域內(nèi)為0（如果不打開(kāi)TSolid功能）。當(dāng)開(kāi)啟共軛傳熱模塊時(shí)，階梯函數(shù)H為固體階梯函數(shù)和流體階梯函數(shù)的復(fù)合，即在全體計(jì)算域內(nèi)皆是1，因此固體和流體內(nèi)的溫度場(chǎng)同時(shí)求解。

03 模型輸入及設(shè)置

【仿真條件】

工作壓力為1.68MPa，飽和溫度為333.11K；進(jìn)口過(guò)冷度為5K，流量為0.1m³/h；熱源芯片熱功率20kW，環(huán)境溫度為20℃；固體材料為鋁。

以下是流固共軛換熱幾何模型，外部是固體域，內(nèi)部為流體域。冷媒物性參數(shù)及輸入條件如下所示。

流固共軛換熱幾何模型

以下是關(guān)于固體熱源和相變的VirtualFlow設(shè)置。

04 計(jì)算結(jié)果

從圖中可以看出，液態(tài)冷媒從入口進(jìn)入，隨著不斷被加熱溫度達(dá)到飽和溫度，液態(tài)冷媒開(kāi)始發(fā)生相變，成為汽態(tài)冷媒，隨著繼續(xù)加熱，有的位置的溫度明顯升的較高，蒸汽的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到最大，如冷板上側(cè)離熱源最近，蒸汽的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到1.0，完全相變；而與其相對(duì)的另一側(cè)，蒸汽體積分?jǐn)?shù)在0.5 左右，并沒(méi)有完全相變。

05 總結(jié)

1、在共軛傳熱相變模擬中，VirtualFLow開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的模型，并在多個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了應(yīng)用和驗(yàn)證，在國(guó)產(chǎn)軟件中實(shí)現(xiàn)了完全自主。

2、共軛傳熱幾何處理，商軟處理方式是，將固體域?qū)氲角疤幚碥浖?，再提取流體域，再做共節(jié)點(diǎn)處理，最后劃分網(wǎng)格導(dǎo)入到求解器中。而VirtualFlow只需導(dǎo)入固體域，軟件會(huì)自動(dòng)提取流體域，還能自動(dòng)生成網(wǎng)格，大大節(jié)省了前處理時(shí)間。

3、VirtualFLow作為具備完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)產(chǎn)軟件，可根據(jù)用戶需求進(jìn)行深度二次開(kāi)發(fā)。

通用計(jì)算流體力學(xué)軟件VirtualFlow，具備行業(yè)領(lǐng)先的網(wǎng)格建模與求解技術(shù)，和豐富的多相流物理模型及先進(jìn)的相變模型，可模擬單相和多相/多組分物質(zhì)流動(dòng)、傳熱、界面追蹤、粒子追蹤、相變、水合物反應(yīng)等復(fù)雜問(wèn)題，可為工業(yè)各行業(yè)用戶提供專業(yè)級(jí)流體仿真解決方案。