谈周妥-两相散热器结冰鼓胀失效机理的仿真研究.pdf

1、2025 ANSYS,Inc.两相散热器结冰鼓胀失效机理的仿真研究谈周妥/中兴通讯股份有限公司目录1.背景：两相散热器的结冰问题2.方法：数学模型3.垂直热管的结冰规律研究4.两相散热翅片的结冰规律研究5.总结1.背景：两相散热器的结冰问题以热管（Heat Pipe）、均热板（Vapor Chamber）为代表的铜-水两相散热器水是当前最优相变介质。气液相变的高效传热原理，数十倍于铜材的导热系数重要散热物料，广泛应用于各类ICT产品中2000 W/mK 相变传热200400 W/mK 金 银 铜 铝VS蒸发吸热冷凝放热饱和态附近交替循环实现热量传递汽态工质迁移液态工质回流1.1 两相散热器的工

2、作原理1/151.背景：两相散热器的结冰问题温度循环后鼓胀失效fin片脱落密封失效芯片、PCB板顶伤接触恶化短路烧毁材料级损失，性能下降系统级损失，产品报废温度循环水在低温下结冰，体积膨胀9%1.2 两相散热器结冰问题热管VC两相散热器结冰问题已严重影响产品可靠性！正常散热器失效散热器2/151.背景：两相散热器的结冰问题1.3 两相散热器结冰问题的仿真研究意义 机理不明 改进困难低温贮存实验温度循环实验毛细结构支撑结构充液量 拦截困难封闭腔体无法观测多因素相互影响温降速率温降温域保温时间设计因素？环境因素？蒸汽空间壳体厚度加工狭缝减少水量性能下降数值仿真是研究 两相散热器结冰鼓胀机理的 有力

3、工具！结冰过程可视化 明晰冰层演化规律 定位结冰鼓胀机理可视化参数化针对性 模拟多种 外部环境变化 温度、冰相定量规律 给出实验指导 结冰机理明晰 针对性设计 性能、可靠性双赢3/152.方法：数学模型2.1 控制方程（开放空间内水结冰过程）（1）连续方程（2）动量方程（3）能量方程Solidification/Melting Model 将固液混合区视为多孔介质，通过液相体积分数动态反映相变过程已集成在ANSYS Fluent4/152.方法：数学模型2.2 控制方程（多孔介质内水结冰过程，引入孔隙率修正）（1）连续方程（2）动量方程（3）能量方程局部热平衡模型（LTE）铜的高导热性快速均质

4、化温度场；缓慢降温使过程准静态；微孔尺度下热弛豫时间极短5/152.方法：数学模型2.3 求解设置模型 瞬态求解 层流 能量方程 凝固-融化模型 重力边界条件求解器设置 外壳对流边界条件 环境温度随时间变化（UDF）SIMPLE 算法 离散方法：梯度：网格最小二乘 压力：二阶 动量：二阶迎风 能量：二阶迎风材料 流体：水 流体：水（多孔介质）固体：铜使用Ansys Fluent 完成求解设置、方程迭代、计算结果提取6/153.垂直热管的结冰规律研究3.1 几何模型与边界条件几何模型：外壳外壳、毛细毛细、蒸汽蒸汽以及根据多于水量换算的积水积水。外部温度随时间变化，模拟温降过程。对外壳施加第三类边

5、界条件：Ansys Space Claim=()25C-40C2C/min5C/min11C/min三种温降速率：积水毛细外壳Ansys MeshingFluent UDF 变温 边界 网格划分 几何建模 7/153.2 热管结冰过程复现 释放显热阶段：环温降至-40C，水释放显热，热管壳体维持在0C以上；毛细结冰阶段：外层毛细开始结冰，释放潜热，壳体温度维持0C，；积水结冰阶段：积水先在 鼓胀阶段：先在水面结冰，形成“冰包水”，内部积水后结冰导致鼓胀观测截面3.垂直热管的结冰规律研究使用Ansys CFD-Post 完成计算结果后处理8/153.垂直热管的结冰规律研究3.2 热管结冰过程复现

6、Brut et al.,Appl.Therm.Eng.(2023);Gerber et al.,PNAS(2022)液面结冰，形成“冰包水”；内部游离水再结冰造成 鼓胀实验过程得到良好复现，仿真结论与实验匹配毛细层快速、均匀结冰tt+ta.液面先结冰，形成封闭空间tt+tb.冰包水鼓胀，破裂9/153.垂直热管的结冰规律研究3.3 不同温降速率下的结冰时间预测温域-40C，不同温降速率下的水体积分数随时间变化曲线，体积分数到达0则完全结冰。温降速率下降，热管内完全结冰所需保温时间逐渐缩短。为保障风险拦截，11C/min，5C/min，2C/min保温时间