叶祖樑-液两相流仿真技术研究与应用实践.pdf

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1、2025 ANSYS,Inc.气液两相流仿真技术研究与应用实践叶祖樑/中兴通讯股份有限公司技术探索总结展望案例实践背景介绍背景介绍 挑战：芯片集成度和封装复杂性提高，功率密度不断升高，散热成为瓶颈业界最大芯片热流密度预期可达200W/cm2以上芯片温度过高的后果：降频削弱算力、漏电流激增推高功耗、故障率提升、封装热应力增大背景介绍越来越热的芯片 解决思路：两相散热凭借超高换热能力，成为关键技术方案之一沸腾换热的换热系数可以达到104 W/m2K以上，显著优于单相对流技术原理：液态工质吸热蒸发为气态，气体迁移到冷凝区域放热凝结为液体。液体在重力、毛细力、泵驱的作用之下回流到受热区，完成工质流动循

2、环芯片热流密度不断升高两相散热具有很高的换热系数 多相流与气液两相流背景介绍气液两相流 在一定温度下，与液体处于相平衡的蒸气所具有的压强称为饱和压力。同一物质在不同温度下有不同的饱和蒸气压，并随着温度的升高而增大。固体壁面温度高于液体饱和温度，液体在固液界面附近形成气泡，从而实现热量由固体壁面传给发生相变的液体的能量传递过程 分类：池沸腾、液膜沸腾、流动沸腾 蒸汽与温度低于其饱和温度的固体壁面接触时，就会放出汽化潜热而凝结成液体依附于壁面上 分类：膜状凝结、珠状凝结多相流（Multiphase flow）：两种或两种以上不同相态的物质（如气体、液体、固体）同时存在的流动体系气液两相流：多相流的

3、一种。气体和液体组合在一起，具有相间界面的流动体系，是常见的一种流体流动现象，如液体沸腾、蒸汽冷凝、油气运输等。两相流可以是一种物质的两相状态，如水和水蒸气；也可以是两种物质的两相状态，如水和空气饱和温度/压力沸腾换热冷凝换热 两相散热部件全景图目前在通讯电子产品中，热管、VC、3DVC等利用工质蒸发冷凝两相流动进行高效换热的散热部件的应用越来越广泛，已经发展成为涵盖一维、二维、三维多种形态，超薄、拉远、大尺寸多种场景的热管理解决方案随着技术演进，两相散热部件的形态越来越复杂，为了得到性能更佳的散热器，需要对气液流动和换热的现象和机理有更深的了解，仿真正向设计的重要性因此凸显背景介绍两相散热部

4、件的正向设计需求两相散热部件一维形态吸液芯热管超薄热管重力热管柔性热管二维形态三维形态3D VC超薄VC吹胀板环路热管脉动热管3D脉动热管分离式热管分离式热管铜VC铝VC软件名称ANSYS FluentCOMSOL MultiphysicsOpenFOAMSTAR-CCM+优点模型丰富：提供多种多相流模型，如VOF模型、混合物模型、欧拉模型等，可用于模拟蒸发冷凝等相变现象UDF功能支持高度的自定义仿真，拓展了仿真可能性适合多物理场耦合问题，如热-流、流-固、热-电、热-结构等，可方便地进行多物理场的耦合仿真开源免费：可自由使用和修改源代码，无成本网格生成技术先进：搭载了独特的多面体网格生成技术

5、，能高效处理复杂几何模型提供多种多相流模型提供UDF用于扩展软件功能缺点计算资源要求高，对硬件配置要求较高，计算时间可能较长计算速度较慢，尤其在处理大规模复杂模型时，计算效率相对较低学习曲线陡：需要一定的编程基础和Linux操作知识，上手难度大计算资源要求高，对硬件配置要求较高，计算时间可能较长适用领域适用于各类工业领域，广泛应用于航空航天、汽车、能源等行业，市场占有率高，用户群体庞大学术界使用也较多，有较多论文资源可以借鉴学习适用于科研和工程中的复杂多物理场耦合问题，常用于电子、生物医学、化工等领域适用于学术研究和复杂流体流动、化学反应等现象的模拟适用于工业领域，尤其在汽车、船舶、航空等行业

6、应用广泛，适合复杂的多相流、燃烧等问题的仿真 软件对比背景介绍为什么选择Ansys Fluent综合考虑软件功能丰富性、模型自定义的可行性、以及学术研究中使用的广泛性，选择Ansys Fluent作为研究工具技术探索 两相流仿真技术技术探索两相流仿真技术1）连续介质模型：应用最广泛的方法2）离散介观格子类方法：暂无成熟商业软件3）分子气体动力学模型：学术前沿研究阶段气液界面算法：为了获得汽泡或者液滴的形状，需要对气体和液体之间的相界面进行追踪或者捕捉当前常用的是VOF方法气液相变模型：为了模拟沸腾蒸发和冷凝现象，需要在仿真过程中使用相变模型计算传质量和换热量当前常用的是Lee模型VOF（Vol