[发明专利]一种三维平板水热管数值计算方法

说明书

本发明公开了一种三维平板水热管数值计算方法，包括以下步骤：根据真实设计参数建立平板水热管三维几何模型；运用网格划分软件对平板水热管几何模型进行网格划分；将网格导入到计算流体力学软件中，依据真实情况设置热管的边界条件；设置瞬态计算所需要的初始条件；编制UDF计算蒸发/冷凝质量流率、吸液芯‑蒸气界面上的温度和压力，以及每时间步的液体和蒸气密度；使用计算流体力学软件对三维平板水热管内的流动传热进行计算。本发明方法能够运用计算流体力学手段对非定常高热流密度热管的运行进行计算，计算具有较好的稳定性以及收敛性，并为新出现的热管设计提供参考。

技术领域

本发明属于热工水力数值计算技术领域，具体涉及一种三维平板水热管数值计算方法。

背景技术

热管是一种被动传热装置，因其能以最小的损失提供有效的热传递而在热系统中得到了广泛的应用。随着芯片级热流通量达到200-300W/cm²，热管开发的驱动力之一是需要可靠地管理电子系统的散热，同时保持设备温度达到规格要求。其操作的被动性以及在表面温度只发生微小变化的情况下在合理距离内传递热量的能力，使其在电子冷却和封装设计中特别具有吸引力。热管也被广泛用作散热器。它利用潜热交换来实现高传热率。不断增加的电子芯片的功率密度要求这些器件的性能得到优化，以便能够有效地从电子芯片中去除热量，同时限制芯片和环境之间的温差。该装置所采用的毛细管多孔介质(吸液芯)是影响热管和蒸气腔传热效率的主要因素。吸液芯也决定了最大热传输能力。对吸液芯中相变传热传质特性的研究，有助于优化吸液芯设计，提高相变冷却装置的性能。

在瞬态运行中，热管中的系统压力随着吸液芯中的液/汽界面发生汽化和冷凝而发生变化。由于液汽密度比较大，相变率的微小变化会引起系统压力的较大变化。通过克劳修斯-克拉珀龙方程，系统压力反过来改变界面压力，从而改变饱和温度。蒸发和冷凝速率取决于界面蒸发阻力，而界面蒸发阻力既取决于界面压力，也取决于体积压力。此外，系统压力也通过理想气体定律直接改变蒸气密度。这些非线性关系会在数值格式的收敛方面造成困难，特别是在高热量添加时。

发明内容

本发明的目的在于提供一种平板水热管的数值计算方法，该方法能够运用计算流体力学手段对非定常高热流密度热管的运行进行计算，计算具有较好的稳定性以及收敛性，并为新出现的热管设计提供参考。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种三维平板水热管数值计算方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：通过几何模型建立软件solidworks依据真实的设计创建平板水热管三维几何模型，该三维几何模型包括管壁、吸液芯、蒸气腔以及蒸发段和冷凝段；

步骤2：运用网格划分软件对步骤1中得到平板水热管几何模型进行网格划分；

步骤3：将步骤2划分的网格导入到计算流体力学软件中，分别将热管的蒸发段和冷凝段设置为热流边界条件和对流边界条件，其他壁面设置为绝热壁面，并依据真实情况设置蒸发段加热的热流密度以及冷凝段的换热系数和冷却剂温度，设置吸液芯的孔隙率；

步骤4：设置瞬态计算所需要的初始条件：设置初始蒸汽质量为0，初始化温度场，并令初始蒸气区域工作压强为当前温度下的饱和压力；

步骤5：采用用户定义程序UDF来计算气液交界面质量流率、吸液芯-蒸气交界面处的温度和压力，以及每时间步的液体和蒸气密度：

步骤5-1：假设液体工质和蒸气工质的相变发生在吸液芯和蒸气腔界面，根据交界面处的能量守恒方程，计算交界面处的温度T_i：

交界面处的能量守恒方程表示为：

其中：