(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210567986.5 (22)申请日 2022.05.24 (71)申请人 西安交通大 学 地址 710000 陕西省西安市咸宁西路28号 (72)发明人 陈宇杰　凌空　靳姝琦　陶文铨　 (74)专利代理 机构 西安合创非凡知识产权代理 事务所(普通 合伙) 61248 专利代理师 高志永 (51)Int.Cl. G06F 30/28(2020.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 30/10(2020.01) G06F 111/10(2020.01) G06F 113/08(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 流动沸腾传热精细化模拟方法 (57)摘要 本发明涉及流动沸腾传热精细化模拟方法， 基于耦合了VOF和LS方法优势的界面捕捉方法 VOSET， 充分考虑流固耦合传热、 微液层、 动态接 触角等因素的影响， 并引入合理的核化密度模 型， 构建了一套可适用于三维矩形细微通道内流 动沸腾传热研究的数值模拟方法， 实现更加合 理、 精确的流动沸腾传热数值模拟。 本发明克服 了现有方法在流固耦合传热、 界面捕捉、 汽泡成 核、 微液层描述等方面的不足， 实现流动沸腾传 热过程的准确描述。 利用精细化数值模拟方法对 流动沸腾流型和传热过程进行仿真， 可得到通道 内流场、 温度场、 沸腾流型和加热壁面温度分布 等详细的信息， 为电子器件高效冷却、 航天航空 和核能等领域高效两相热管理系统设计提供理 论和技术支撑。 权利要求书1页 说明书13页 附图3页 CN 114896910 A 2022.08.12 CN 114896910 A 1.流动沸腾传热精细化模拟方法， 其特征在于： 耦合了VOF和LS方法优势的界面捕捉方 法VOSET， 引入核化密度模 型， 构建一套适用于三 维矩形细微通道内流动沸腾传热研究 的数 值模拟方法， 实现更加合理、 精确的流动沸腾传热 数值模拟， 模拟方法包括以下步骤： （1） 对几何、 物性、 网格参数等初始化， 生成网格； （2） 通过核化密度模型在加热壁面上进行成核点布置， 并保存每个核化点对应的成核 条件； （3） 给定 速度、 压力、 体积分数和距离函数的初始场； （4） 通过一个移位因子 ， 计算动态接触角， 并利用接触角更新壁面虚拟节点 的距离函数值； （5） 根据流体体积分数， 采用PLIC方法进行汽液界面重构， 迭代求解距离函数， 迭代次 数为3次， 再迭代过程中 需要根据步骤 （4） 进行虚拟节点的距离函数值更新； （6） 根据Heaviside  函数和距离函数， 更新当前时层的物性参数， 并根据CSF模型计算 表面张力； （7） 利用流速计算毛细数， 根据Tayl or关系式计算初始微液层厚度； （8） 根据傅里叶导热定律获得微液层蒸发热流， 并将其作为源项加入加热壁面中， 采用 热流和温度连续原则， 考虑耦合传热， 一体化 求解整个流体和固体温度场； （9） 根据当前时层的温度场和能量跳跃模型求 解由于相变而导 致的连续 性方程源项； （10） 基于上一时层的速度和物性， 根据动量方程显式计算 假拟速度； （11） 根据假拟速度和相变源项计算压力方程的源项， 求 解压力泊松方程， 更新压力场； （12） 根据显式动量方程， 更新速度场； （13） 根据当前时层的速度场和步骤 （5） 重构的界面求解通过每个网格界面的流体体积 分数， 并根据VOF 方程更新 流体体积分数； （14） 根据流固界面热流和温度 连续求解固壁温度， 并根据固壁温度判断是否有汽核产 生， 如有成核点被激活， 则放置一个人工汽泡； （15） 判断是否模拟达 到预设时间， 如没有达 到， 则返回步骤 （3） ， 开始新 一时层的求 解。 2.根据权利要求1所述的流动沸腾传热精细化模拟方法， 其特征在于： 不断循环步骤 （4）~（15） 直至达到预设 的模拟时间， 并且根据预设 的时间间隔输出中间结果， 对结果进行 图形化后处 理， 预设的模拟时间为用户自定义的计算时长 。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 114896910 A 2流动沸腾传热精 细化模拟方 法 技术领域 [0001]本发明属于核能、 航天航空、 电子器件散热技术领域， 具体涉及流动沸腾传热精细 化模拟方法。 背景技术 [0002]随着工业和科技的发展， 各种耗能设备的发热量不断增大， 需采用高效散热方法 保障设备安全稳定运行。 传统的散热方式包括风冷、 热管冷却、 冲击射流冷却 等。 目前的研 究表明， 风冷技术可实现的最大换热强度不超过1  MW/m2； 冲击射流可实现6  MW/m2的换热 强度， 但功耗较大， 且容易造成设备损伤。 微电子设备的局 部热流可达到10  MW/m2以上， 传 统的换热技术已经无法满足要求。 沸腾传热是一种常见的现象， 如日常生活中烧开水， 沸腾 过程会发生剧烈的相变， 并产生大量的汽泡破坏热边界层， 实现高效换热。 沸腾换热与传统 无相变换热技术相比， 在相同的能耗下可较大程度地提高换热强度。 因此， 沸腾传热被广泛 用于核能、 航天航空、 电子器件散热等领域。 [0003]沸腾一般分为池沸腾 （大容器沸腾） 和流动沸腾， 池沸腾主要包含核态沸腾、 过渡 沸腾和膜态沸腾三个状态区域。 其中， 核态沸腾由于其高换热系数， 低过热度的优点， 是换 热器的最佳工作区域。 提高汽化核心密度、 降低起始沸腾条件 （Onset  of nucleate   boiling,  ONB） 是提高核态沸腾传热系数的有效手段。 目前众多 学者通过改变壁面粗糙度、 换热面形状、 润湿性等手段来实现这一目的。 随着设备热流增大， 核态沸腾强度不断增大， 当超过临界热流密度 （Critical  heat flux, CHF） 时， 大量汽泡生成， 连成汽膜覆盖换热表 面， 导致热阻大大增大， 换热表面温度飞升， 甚至烧坏设备。 因此， 通过提高表面润湿性、 毛 细芯吸以及调控汽泡行为等手段来提高CHF， 从而保障设备运行安全是池沸腾研究的另外 一个重点。 流动沸腾发生时， 大量蒸汽产生， 与液体 混合流动， 形成不同的流型， 流动传热过 程十分复杂。 对于常规的宏观管内流动沸腾而言， 当热流密度较小时， 管内只产生少量汽 泡， 形成汽泡流； 随着热流增大， 越来越多汽泡产生， 聚并形成延长大汽泡， 形成弹状流； 大 汽泡可能进一步聚并， 形成环状流动。 不同流型下的换热性能差异较大， 因此不同的流型的 产生和转变规律是流动沸腾传热的研究重点。 此外， 一旦热源长时间无法与冷却液体接触， 局部温度迅速上升， 威胁设备安全运行， 但目前流动沸腾C HF的触发机理尚无定论。 [0004]随着微机电系统 （Micro ‑Electro‑Mechanical  System, MEMS） 的发展， 各类设备 的集成度不断提高， 单位体积内的发热量进一步增大， 并且散热空间进一步缩小， 给设备热 管理带来了严峻的挑战。 因此， 强化沸腾传热成为众多 学者研究 的热点。 明确沸腾传热机理 是探寻强化沸腾传热方法最有效的途径之一。 沸腾传热涉及汽泡的成核、 生长、 聚并和脱 离， 跨越多个尺度， 机理和规律十分复杂， 存在众多影响因素。 并且， 随着尺度的降低， 宏观 尺度的沸腾传热理论在微细尺度下的适用性存在不确定性， 关于沸腾传热机理的研究还有 很大的空间。 目前， 主要的沸腾传热研究手段依旧是实验， 通过实验 数据建立沸腾传热两相 流相关的理论以及经验关联式， 为沸腾传热的实际工程应用提供指导。 但是， 随着先进高集 成度设备的发展， 实验研究 的局限性愈发凸显， 尤其是微细尺度下的沸腾传热。 在微细尺度说　明　书 1/13 页 3 CN 114896910 A 3