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對水平冷板的共軛換熱進(jìn)行模擬，主要涉及相變過程的流動和傳熱傳質(zhì)問題，通過分析為高熱流電子設(shè)備散熱設(shè)備設(shè)計提供指導(dǎo)。仿真過程將用到VirtualFlow自主開發(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)流體對界面的熱擴(kuò)散正好被相變潛熱抵消。使用該模型的時候，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算是準(zhǔn)確的。

02 耦合模型

計算流固耦合傳熱問題的首要問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Heaviside階梯函數(shù)打開或者關(guān)閉特定區(qū)域的流場求解。當(dāng)共軛傳熱模塊關(guān)閉時，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TSolid功能）。當(dāng)開啟共軛傳熱模塊時，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，即在全體計算域內(nèi)皆是1，因此固體和流體內(nèi)的溫度場同時求解。

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；而與其相對的另一側(cè)，蒸汽體積分?jǐn)?shù)在0.5 左右，并沒有完全相變。

05 總結(jié)

1、在共軛傳熱相變模擬中，VirtualFLow開發(fā)了相應(yīng)的模型，并在多個領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了應(yīng)用和驗證，在國產(chǎn)軟件中實現(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，軟件會自動提取流體域，還能自動生成網(wǎng)格，大大節(jié)省了前處理時間。

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

通用計算流體力學(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、傳熱、界面追蹤、粒子追蹤、相變、水合物反應(yīng)等復(fù)雜問題，可為工業(yè)各行業(yè)用戶提供專業(yè)級流體仿真解決方案。