相變
關注創建者：南京青松熱設計工作室 創建時間：2020-05-30
相變的視頻教程
Fluent多相流模型采用UDF相變程序模擬液氣相變
Fluent模擬液氣相變，相變程序采用VOF多相流，相變程序UDF，源文件和UDF程序在附件里面。視頻教程包括了建模、分網、設置、計算、UDF加載和后處理過程。
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LS-DYNA二氧化碳相變爆破（煤巖定向增透氣體爆破技術）
具體包括： 1.講解二氧化碳相變爆破技術的工程應用和理論技術科普； 2.學會模擬二氧化碳相變爆破建模和氣體爆破參數設置； 3.學會煤巖定向致裂的設置方法，可推廣應用于切縫藥包爆破、聚能爆破、射孔爆破等技術； 4.學會HJC本構模型+mat_add_erosion模擬裂紋； 5.學會RHT本構模型輸出損傷云圖模擬裂紋； 6.講解后處理如何輸出云圖、輸出單元時程曲線、測量裂紋長度、保存excel
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Fluent專家-udf-案例1-液體的蒸發相變模擬
案例簡介 本案例對二維容器內水的蒸發相變過程進行模擬分析，容器底部被持續加熱，容器內裝滿水，液面為自由液面，與底部接觸的水蒸發形成水蒸汽氣泡，并逐漸上竄至液面逸出，屬于動態變化過程。 本案例通過udf來定義了水與水蒸汽之間的轉換。 知識點：幾何建模、網格劃分、求解設置、液體水蒸發相變udf、解釋udf、vof多相流、后處理等等
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相變的實例教程
特別是在面對長距離、多點復雜熱源的散熱需求時，精確測量相變過程中的溫度、速度等參數變得極為困難，傳統的試驗方法不僅周期長、成本高，而且難以獲取全面準確的數據，這嚴重制約了熱管技術的進一步發展和應用。
積鼎科技CFD解決方案，助力熱管相變換熱仿真
積鼎科技基于自主研發的VirtualFlow軟件，為熱管領域的相變換熱問題提供了全方位的仿真解決方案。該方案通過對兩相流動的毛細力和沸騰換熱、冷凝換熱的深入研究，完善了相關的求解算法和物性參數庫，形成了熱管相變冷卻的整體解決方案。
（一）強大的算法與計算流程
VirtualFlow軟件具備在含有不凝性氣體的工質中計算蒸發及冷凝相變的能力，適用于蒸發器、冷凝器等設備的相變計算。
其多相流模型采用mixture模型，并啟用組分輸運模型，分別求解連續方程、體積分數方程、動量方程、能量方程和組分擴散方程。
蒸發和冷凝過程中的相變通過UDF在體積分數方程、能量方程和組分輸運方程中分別添加質量源項、能量源項和相等的質量源項實現。
這種算法能夠精確地模擬吸液芯的毛細現象、蒸發管的沸騰、冷凝器的冷凝等復雜現象，為熱管的設計與優化提供了堅實的技術支持。
（二）準確、可靠的計算結果
在實際案例中，VirtualFlow軟件展現了優秀的計算精度和可靠性。以某物理研究所的環路熱管項目為例，在50W功率下2D軸對稱條件下，蒸發器內的流場最終達到穩態，其液相體積分數、相變速率、液體/氣體總體積、質量流量等參數的計算結果與實驗趨勢高度一致。
蒸發器壁溫計算結果與測量結果的偏差基本控制在1.5℃以內，冷凝器部件仿真結果同樣表現出色。整機仿真結果顯示，隨著熱流密度的增高，冷凝器中的液體體積先減后增，這一結果與實際物理現象相符，充分驗證了軟件的準確性和可靠性。
展開 流固共軛換熱幾何模型
以下是關于固體熱源和相變的VirtualFlow設置。
04 計算結果
從圖中可以看出，液態冷媒從入口進入，隨著不斷被加熱溫度達到飽和溫度，液態冷媒開始發生相變，成為汽態冷媒，隨著繼續加熱，有的位置的溫度明顯升的較高，蒸汽的體積分數達到最大，如冷板上側離熱源最近，蒸汽的體積分數達到1.0，完全相變；而與其相對的另一側，蒸汽體積分數在0.5 左右，并沒有完全相變。
05 總結
1、在共軛傳熱相變模擬中，VirtualFLow開發了相應的模型，并在多個領域實現了應用和驗證，在國產軟件中實現了完全自主。
2、共軛傳熱幾何處理，商軟處理方式是，將固體域導入到前處理軟件，再提取流體域，再做共節點處理，最后劃分網格導入到求解器中。而VirtualFlow只需導入固體域，軟件會自動提取流體域，還能自動生成網格，大大節省了前處理時間。
3、VirtualFLow作為具備完全自主知識產權的國產軟件，可根據用戶需求進行深度二次開發。
通用計算流體力學軟件VirtualFlow，具備行業領先的網格建模與求解技術，和豐富的多相流物理模型及先進的相變模型，可模擬單相和多相/多組分物質流動、傳熱、界面追蹤、粒子追蹤、相變、水合物反應等復雜問題，可為工業各行業用戶提供專業級流體仿真解決方案。
展開 我們所說的物質的物理特性，都是在一定相態下所具有的，相態變化--相變了，流水成了堅冰；鋼筋鐵骨成了鋼水鐵水，諸多的物理特性都面目全非。
眾所周知，溫度、壓力是物質相變的重要原因。（為了便于討論，我們先把引起相變的兩因素中，暫時固定一個，即在一個標準大氣壓下，溫度對相變的作用。）溫度的作用雖然至關重要，然而只有達到了某一特定值，相變才能發生，這就是我們熟知的熔點、沸點，在大多情況下，溫度變化并不能導致相變，只能使物質發生熱脹冷縮。
熱脹冷縮
隨著溫度的變化，物質會熱脹冷縮，溫度升高體積增大。人們已經很精密的測量到一些物體隨溫度升高時長度增加，精確地記錄了一些物體的線膨脹系數。
因為物質是是由原子構成，熱脹了，肯定是原子之間的間隙增大、或是原子半徑脹大了。為什么溫度升高能夠增加間隙、增大半徑？
"溫度"最初是人類對外界冷熱的感知，現代有了各種溫度計來測量物質的冷熱程度。溫度實質上就是核外電子運轉的速度。核外電子速率加快，宏觀的表現就是溫度升高。
核外電子繞著原子核快速運轉著，價和電子則是繞著兩個核心進行價和運轉。溫度升高，核外電子速率加快，使得向心力加大，運轉的半徑也略微加大，結構元也略微加大，宏觀的表現是熱脹。反之，溫度降低，核外電子速率降低，減小了向心力--運轉半徑--結構元，宏觀的表現是冷縮。
然而，有的物質是冷脹熱縮，如零下4℃的水和冰。
溫度的作用
溫度對物質形態及結構的作用是巨大的。而熱脹冷縮的這種熱脹是有限的，這個限度是隨著溫度的升高，物質自身的狀態發生了變化。
如果溫度壓力超過了一定限度，物質的形態會發生巨大的變化，物質不只是簡單的熱脹冷縮，而是物質的相態發生了變化--相變，即：隨著物質的溫度升高、固體能相變成液體、液體能相變成氣體。
展開 材料發生相變時，人們早已知道熱容可以明顯增加，密度的變化很小，可以忽略，而通常認為熱擴散系數不受影響。
（a）相變過程中的熱擴散系數（lm）、相變反應速率和比熱之間的關系，（b）Cu2Se, Cu2S, Ag2S, 和Ag2Se的相變反應速率隨溫度的變化
（a）Cu2Se, Cu2S, Ag2S和Ag2Se的真實熱導率，（b）基于真實熱導率計算得到的Cu-2Se相變過程中的熱電優值zT
材料相變會吸收或釋放部分熱量，進而無法使用經典的熱傳導方程描述相變過程中的熱流輸運。研究團隊引入相變動力學方程進行校正，成功得到了適用于相變過程的熱傳導方程?；谠摲匠?，發現相變可能會顯著影響材料熱擴散系數的測量。研究團隊引入了相變反應速率（B因子）來描述相變與熱擴散系數的關系，對于Ag2Se，B因子非常低，因此相變對熱擴散系數幾乎無影響。
相變時材料的真實熱導率需要同時去除額外增加的熱容和降低的熱擴散系數。高溫下材料的定容熱容為杜隆珀替值，因此很容易去除增加的熱容。而對熱擴散系數，基于校正后的熱輸運方程，可成功從測量的熱擴散系數中扣除相變的貢獻。采用該方法，成功獲得Cu2S，Cu2Se，Ag2S和Ag2Se四種材料在相變過程中的真實熱導率，其中Cu2Se的熱導率吻合采用表面熱損失法和3ω方法測量的數值，而校正后Cu2S和Ag2S的熱導率特性則與電輸運性能以及一級相變的特征相一致。
研究還發現，具有一級相變特征的Cu2S，Ag2S和Ag2Se材料在相變過程中熱導率沒有額外變化，從低溫相的數值直接過渡至高溫相的數值。但是，具有二級相變特征的Cu2Se在相變過程中熱導率出現顯著降低，在相變臨界點時達到最低點，表明二級相變過程中的臨界漲落可強烈散射聲子，降低熱導率。
展開 非相變熱管制作成功了
此非相變熱管是一種根據與利用物質相變而導熱的原理相反的原理，即利用控制物質相變而導熱的原理制造出來的熱管。
其在導熱過程中完全無相變現象發生。
與相變熱管相比，其導熱速度能更快，導熱密度能更大。
初步實驗證明，目前制造出來的非相變熱管除了仍部分受到地球重力作用影響，垂直向下導熱效果還不理想外，其他相變熱管的缺點幾乎都已克服。特別是不凝氣體發生和工質回流不濟等功能性缺陷被從根本上解決了。（根據原理，只要繼續努力找到某個臨界值，非相變熱管的任意方向導熱是可以實現的。）
根據這個原理設計的制作工藝能利用任意管材和工質，以及利用工質的任意相態進行熱管制作并獲得相應的高效導熱結果。
非相變熱管的制造成功，并以其制作工藝的更加簡單化和更便于維修等優勢，將使熱管能以更低廉的價位，更長的使用壽命，更迅速，更大規模地走向熱傳導和熱交換應用領域。
普通相變熱管是利用相變原理導熱。而非相變熱管是利用控制相變來導熱。
相變原理讓物質受熱膨脹并發生相變，運動；然后釋熱，收縮，相變，運動，循環。在這樣的過程中，物質通過形變吸熱和釋熱并循環運動。
非相變原理是控制物質的隨熱（隨溫度）形變，從而迫使熱更快地通過各物質單元傳導出去。
前者是攜熱運動。后者是非攜熱運動。
如果用普通人能理解的例子來說明的話，前者就像是一組人用不斷奔跑的辦法傳送物質；后者為一組人排成行，用一個傳一個的辦法傳遞物質。
相變原理創造的是能盡快的奔跑條件和更便捷的路徑。
非相變原理創造的是盡可能統一的傳遞步驟和傳遞幅度。
精靈前段時間只是根據一些實驗數據和現象提出了非相變熱管設想。
最近才偶然悟出了進行非相變控制的道理，并使其變成了事實。
這主要是制造控制技術，與用什么工質無關。
其實，早在半年多前，精靈就夢想實現熱管中工質的熱諧振（或共振）狀態。卻一直苦于無法找到適當的方法。
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在此期間，由于未發生相變，間隔器的形狀保持不變。第四步，溫度從 37.85℃ 升高到 50.85℃，由于此步中未發生主要的相變，計算再次快速收斂。第五步，溫度升高到 51.85℃，收斂速度變慢，大部分形狀恢復發生在此步中。第六步，將溫度冷卻至 37.85℃，間隔器的形狀保持不變。
圖 2. 溫度條件示意圖
4、運行仿真。
為深入理解并量化電解液相變吸熱在熱失控傳熱中的作用，本研究建立了精細模型，核心創新在于量化表征電解液吸熱相變及其對后續傳熱的影響。模型驗證表明：電池表面溫度計算與實驗結果高度吻合(決定系數R2 > 0.9)。該模型為儲能系統安全設計提供了重要手段工具。
挑戰/需求
圖2.
UMAT / VUMAT 的二次開發： 當標準材料庫無法覆蓋新興材料（如具有形狀記憶效應的鎳鈦合金、相變誘發塑性的TRIP鋼、或者超高周疲勞退化材料）時，最高階的仿真工程師必須依賴Fortran或C++編寫用戶自定義材料子程序（UMAT用于Abaqus/Standard隱式求解，VUMAT用于Abaqus/Explicit顯式求解）。
33%）
參展企業：?約400家?，覆蓋20多個國家和地區
觀眾預期：超2萬人次
?核心聚焦領域?：
AI智算中心、智能汽車、半導體等高熱流密度場景下的熱管理技術
液冷散熱規?；瘧?展品范圍（六大板塊）
?導熱散熱石墨?：石墨烯、導熱石墨材料、石墨散熱膜、石墨化薄膜等
?導熱散熱材料?：導熱粉體（氧化鋁、球鋁等）、石墨烯薄膜、液態金屬導熱片、相變材料
浸沒式液冷（高端爆發）：單機柜支持 200–900kW，PUE 低至 1.04；兩相浸沒成主流，國產相變工質與金剛石銅材料降本提效。
混合 / 芯片級液冷：冷板 + 浸沒復合方案；微流控冷卻嵌入芯片內部，散熱效率提升 2–3 倍，適配 200W/cm2 以上熱流密度。
為解決該產品在量產中出現的硬度離散、局部組織異常和變形偏大等問題，項目團隊引入模鍛+熱處理鏈式仿真分析方法，將鍛造階段的溫度場、應變分布、流線狀態與熱處理階段的相變、應力、變形進行一體化關聯分析，最終建立了更穩定的工藝方案。
在此期間，由于未發生相變，間隔器的形狀保持不變。第四步，溫度從 37.85℃ 升高到 50.85℃，由于此步中未發生主要的相變，計算再次快速收斂。第五步，溫度升高到 51.85℃，收斂速度變慢，大部分形狀恢復發生在此步中。第六步，將溫度冷卻至 37.85℃，間隔器的形狀保持不變。
圖 2. 溫度條件示意圖
4、運行仿真。
隨后，研究人員施加了短激光脈沖，使自由電子從金納米粒子跳到二氧化釩超材料上，從而產生短暫的相變。
二氧化釩開關與現有的硅基芯片兼容，并在光譜的近紅外和可見區域工作。近紅外光對于電信和光通信至關重要，而可見光對于傳感器和顯微鏡至關重要。
表面等離子體光子學超材料還可以幫助磁盤上的熱輔助磁存儲器的存儲——通過在寫入時加熱磁盤上的小點來增加存儲器存儲。
隨后，研究人員施加了短激光脈沖，使自由電子從金納米粒子跳到二氧化釩超材料上，從而產生短暫的相變。
二氧化釩開關與現有的硅基芯片兼容，并在光譜的近紅外和可見區域工作。近紅外光對于電信和光通信至關重要，而可見光對于傳感器和顯微鏡至關重要。
表面等離子體光子學超材料還可以幫助磁盤上的熱輔助磁存儲器的存儲——通過在寫入時加熱磁盤上的小點來增加存儲器存儲。
例如規格：?0.15mm，長度100mm的鈦絲，我們根據《表2鈦絲電阻計算表》R=ρL/S，通過帶入電阻率計算得：
奧氏體狀態下的電阻值是5.66Ω
馬氏體狀態下的電阻值是4.53Ω
我們在第6節中提到，鈦絲的相變溫度是個范圍值，且存在逆向滯后的現象，且有大約20°的溫度區間。
