氣液增壓技術的案例
2025大賽優秀作品 | 氣液兩相流仿真技術研究與應用實踐
近 200 位來自汽車、半導體、高科技、能源等行業的仿真精英參賽，他們以前沿思維與創新實踐，充分展現了仿真技術的無限潛能。我們將陸續為大家分享獲獎佳作，帶您一同領略仿真賦能創新的非凡力量，希望用戶能從中汲取靈感、啟迪思路。
作品名稱：氣液兩相流仿真技術研究與應用實踐
作者： 葉祖樑 | 中興通訊股份有限公司 熱設計高級系統工程師
關鍵詞：氣液兩相流，Ansys Fluent，散熱器設計優化
作者說
Ansys Fluent提供多種多相流模型，如VOF模型、混合物模型、歐拉模型等，可用于模擬氣液兩相流蒸發冷凝相變現象。綜合考慮軟件功能豐富性、模型自定義的可行性、以及學術研究中使用的廣泛性，Ansys Fluent很適合作為氣液兩相流仿真的研究工具。
對六種不同蒸發流道的仿真結果顯示，優化方案對比無流道可提升蒸發量29%
熱管、VC等兩相散熱部件在各類電子產品中應用廣泛，是解決局部高熱流密度散熱問題的重要方案。兩相部件內傳熱傳質機理復雜，當前業界主要通過打樣實測的方式研究，缺乏有效的仿真正向設計方法。本研究梳理了兩相流仿真技術的情況，基于Ansys Fluent VOF+Lee模型的方法建立了正向設計能力，開展重力熱管、蒸發流道、3D散熱器的仿真實踐，仿真精度達到80%以上，指導了散熱器的設計優化，具有良好的工程價值。此外，本研究思考并提出未來氣液兩相流仿真的發展方向，為行業提供了參考。
挑戰/需求
芯片功率密度不斷升高，散熱成為瓶頸。兩相散熱憑借超高換熱能力，成為關鍵技術方案之一。
展開 同是LevelSet技術，國產CFD軟件VirtualFlow如何在捕捉氣液界面時更精準和高質量守恒？
1、VirtualFlow界面流模型
VF中有兩種處理界面流的方法，分別是VOF方法和LevelSet方法，兩種方法各有千秋，相關的不同與優劣，在本公眾號的文章《LMFD應用 | LBM直接求解水平集方程，實現氣液/液液兩相流模擬》中有詳細的介紹，有感興趣的讀者可參考閱讀。VirtualFlow中的VOF模型與其他CFD仿真軟件是一樣的，但是在LevelSet模型上獨到之處。與其他商業軟件相比，VirtualFlow的LevelSet模型不但可以精確捕捉氣液界面，而且可以盡可能的做到了質量守恒。下面對VirtualFlow中LevelSet模型原理和設置進行較為全面的介紹。其LevelSet模型設置的界面如下圖所示：
界面寬度系數：
最小單元格大小與界面寬度之間的比率，該系數的大小確定了界面的清晰度。不同的界面寬度系數對交界面清晰度的影響如下圖展示，可以很直觀的發現，在網格尺寸一定的情況下，該值越小，界面厚度越薄，界面越清晰。但是太小會導致計算的不穩定，一般保持默認值1即可。在VirtualFlow中的LevelSet模型有眾多調節參數，其中界面寬度系數對界面清晰度的影響尤其重要。
H函數：用于定義光滑界面區域氣體和液體比例的函數類型。在VirtualFlow中提供了三種H函數，分別是Tanh、Linear和Sharp，通常采用默認設置即可。
Delta函數：用于計算界面處Dirac delta函數的方法，它表示為H函數的梯度，通常采用默認設置即可。
Ls Narrowband：此選項對LevelSet函數更新范圍相關，如果選定該選項，則LevelSet僅在界面周圍的區域進行更新。
展開 ：基于液體門控技術的新型磁彈性膜實現自驅動氣/液釋放調控
液體門控膜作為一種合理設計的液基自適應材料，與傳統膜材料相比具有抗污染和節能的優勢，為智能材料發展創造了嶄新的機會，在能源、生物醫學、環境治理、航空航天等領域具有廣泛而深遠的應用前景。2020年，世界權威化學組織國際純粹和應用化學聯合會（IUPAC）將“液體門控技術”評為該年度全球“化學領域十大新興技術”之一。近年來，基于液體門控技術開發的智能膜系統吸引了越來越多的關注，各種環境驅動的系統已經被構建，但自驅動的液體門控系統尚未實現，這對于實際應用中的小型化和便攜式器件集成具有重要意義。
近期，廈門大學侯旭教授團隊基于液體門控技術開發了一種新型的自驅動磁彈性液體門控膜系統，在外加磁場作用下發生彎月形的形變，實現了氣體輸運的可控開/關，并能夠有效降低液體輸送的門控壓力閾值。利用磁場作為機械力，能夠在無需額外環境壓力驅動設備的條件下，對氣體和液體的釋放進行自驅動調節。
研究團隊從理論和實驗上討論了磁彈性膜的彈性形變、系統界面設計和抗污行為以及氣液輸運的穩定性，為實現氣體和液體釋放的主動調控提供了一種通用、簡便的方法。此外，結合快速、遠程無接觸操作的方式，該研究將在可視化氣/液混合物含量監測、節能多相分離、遠程藥物控釋等應用領域大有裨益。
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