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展現出了其優越的性能,但在設計和優化過程中仍然面臨諸多挑戰。實驗測試雖然能夠提供真實的數據,但往往成本高昂且周期長。此外,實驗條件難以完全控制,可能會受到環境因素的影響。因此,仿真技術在熱管設計和優化過程中起到了至關重要的作用。
通過CFD技術模擬熱管的實際工作過程,以預測和優化其熱傳輸性能。仿真可以實現以下幾個目的:
設計優化:基于仿真數據,可以調整熱管的幾何形狀、管徑、管長、翅片結構等關鍵參數,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。
流動與傳熱特性分析:揭示熱管內部的流體流動和傳熱特性,觀察到流體在熱管內的流動路徑、流速分布、壓力分布以及溫度分布等關鍵信息。
穩定性與可靠性評估:
評估熱管在不同運行條件下的穩定性和可靠性。包括長時間運行、負荷變化、環境變化等多種情況。
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。
數值計算挑戰:求解涉及非線性方程組的穩定性、收斂性和計算資源需求較高,特別是在處理大規模三維模型時。
專業的熱管模擬仿真模塊
HeatPipePro是專用于熱管內部流動、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,準確模擬液體蒸發和氣體冷凝過程;能分析冷凝器內部壁面的冷凝問題,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,預測其在不同工作條件下的性能表現,為熱管產品的研發提供有力支持。
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部相變問題。●可對整個熱管系統進行仿真,通過分析不同設計參數(充液率、幾何尺寸等)計算結果,實現產品優化設計。
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、傳質等現象,為時間與空間多尺度兩相流形態。軟件采用高效的Lee模型進行蒸發、冷凝現象的計算,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。
■蒸發器部件仿真中的應用
軟件通過模擬蒸發器內的毛細壓力模型和沸騰模型,分析了蒸發器在不同工況下的性能表現,并驗證了冷凝器內蒸汽冷凝過程受多種因素影響,為蒸發器和冷凝器的設計和優化提供了有力支持。
積鼎科技成立于2008年,是國產自主流體仿真軟件研發及技術服務的高新技術企業。公司具有10余年CFD仿真技術開發應用經驗,核心產品與技術已成功為中國航空發動機研究院、中國航發沈陽發動機研究所、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的流體仿真解決方案。
審核編輯 黃宇
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