微通道兩相流仿真的案例
CMFD軟件對比：國外商軟與VirtualFlow在微通道兩相流仿真領域的預報效果
積鼎科技依托 VirtualFlow 數值計算仿真平臺，運用先進數值模擬方法，可開展氣液兩相流多相動力學及其特性的數值模擬研究。在眾多工程應用中，高密度和高粘度比的多相流發揮著關鍵作用，然而，對這類流動進行穩健且準確模擬的方法仍有待完善。本文針對工業界廣泛應用的兩款多相流數值計算（CMFD）軟件 —— 國外商軟與積鼎科技的 VirtualFlow，在狹小管道兩相流仿真預報方面展開全面對比。兩款軟件核心差異在于采用不同的常用兩相流模擬方法：國外商軟采用 VOF 方法，VirtualFlow 則采用 Level Set 方法。對比發現，兩款軟件預報的流動拓撲結構存在顯著不同。對于氣泡流，VirtualFlow 的預報結果能夠捕捉到氣泡內部的再循環流動，而國外商軟的 VOF 方法計算結果中未觀察到明顯的再循環流動。在段塞流場景下，國外商軟與 VirtualFlow 關于段塞形成及頻率的結果偏差顯著。其中，VirtualFlow 的計算結果呈現出周期性的段塞形成，與前人（Chen 2002）的實驗結果基本一致；而國外商軟基于 VOF 方法的計算結果未能捕捉到周期性的段塞形成過程。
一、引言
近年來，工業界始終在同時推動微流動工程應用部件的性能發展和小型化發展，特別在芯片實驗室、生物MEMS和微冷卻電子設備等領域。在這些部件的微流動通道中，會發生傳熱和傳質過程，可以通過使用多相流來增加傳熱和傳質的過程。更進一步地深入探索兩相流機理特性，如界面拓撲結構和壓降等方面，可以進一步提高微流動工程應用部件性能的重要控制參數的合理性。
近年來，CMFD技術在工業界和學界的應用越來越多，CMFD方法中的自由表面跟蹤方法如今已成為商業軟件中不可或缺的重要組成部分。我們要認識到，各種數值算法和數值模型目前在這一領域還無法提供物理上100%完全可靠的結果。
展開 細胞通過微通道的仿真
本篇文檔展示了細胞通過柔性和非柔性微通道的過程。基于COMSOL軟件的單向流-固耦合方法模擬了兩種情形：1、細胞通過柔性微通道時，通道壁會發生變形，細胞變形相對較小，在壁面的振動下，細胞在幾乎不發生變形的情況下能順利通過通道；2、細胞通過非柔性微通道時，通道壁變形很小，細胞會在縮頸段發生變形，從而順利通過通道，出通道后，細胞會逐漸恢復變形。效果展示如下：
感興趣的朋友，或者有類似課題需要研究的，歡迎加我交流！
錐形微通道內液滴的自運輸仿真 ￥500
錐形微通道是一種具有逐漸變窄的結構，它在微流體領域中扮演著重要的角色。錐形微通道的設計可以在流體中產生壓力變化，從而推動自流輸運。在錐形微通道中，當流體從寬端流向窄端時，通道的寬度減小，通道的剖面積減小，流速增加，而根據質量守恒定律，流體的質量流量保持不變。根據伯努利方程，流體速度增加會導致壓力降低。因此，在錐形微通道中，由于幾何上的突變，流體在通道中產生了驅動力，推動自身沿著通道從寬到窄運輸。這種自運輸現象可以在微流體技術中發揮重要作用，如在微流控芯片和微流控設備中。通過設計合適的錐形微通道結構，可以實現流體混合、分離、粒子分選和藥物輸送等應用。此外，錐形微通道還能夠提供更快速的反應速度、更高的靈敏度和更小的樣品消耗。
本案例建立的錐形微通道模型如圖1所示。為更好地量化分析錐形微通道流體自運輸機制，將微通道內的流體簡化為液滴，在仿真模型中將液滴的初始位置設為微通道中間，為實現液滴固-液邊界張力驅動，將微通道內壁設為濕潤邊界，且液滴與微通道內壁相切，微通道兩端與大氣連通，無外加荷載，數值仿真結果如圖2所示。
圖1 幾何模型
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展開 基于COMSOL仿真多通道微流體混合過程 ￥500
<p>本案例設計了一種新型十級多通道結構，用于藥物與培養液進行混合，并通過COMSOL軟件仿真了其混合的動態過程，結果如下圖所示：</p><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/202109/4238008bf3ab4e88879d6815c1cac35d.gif" alt="Untitled.gif"></p><p>感興趣的朋友可下載模型源文件，詳細了解仿真過程。</p><p><br></p>
展開 
T型接頭及螺旋線微通道內流體混合仿真 ￥1000
本案例基于COMSOL軟件建立了T型結構和螺旋微通道模型，基于多物理場耦合模塊仿真得到了T型接頭入口處兩種溶液流入后的混合流動過程，模型及仿真結果如圖所示：
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高效冷卻硅基微通道散熱器的設計、制造及表征---采用FloEFD進行仿真分析 ￥100
隨著集成電路的迅猛發展（尤其是在射頻微波領域），三維高性能集成電路如GaN等功放器件已廣泛應用于小型化的、微系統產品中。由此也帶來了電子設備及系統中功耗、熱流密度的迅速增加。3D集成電路中持續累積的熱耗已經限制了其應用，如何快速有效的進行散熱是該領域亟需解決的問題。本文針對三種不同微流道散熱結構，建立了三維CFD模型來研究其流阻性能和散熱能力。為了驗證數值計算的結果，本文通過深硅刻蝕和陽極鍵合工藝分別加工了直通、蛇形微流道散熱器，另外，通過薄膜工藝加工了氮化鋁基TaN薄膜電阻用以模擬真實器件發熱。設計并加工了熱測試夾具，自行搭建了液冷測試系統來進行不同結構的熱性能測試。測試結果進一步驗證了仿真的合理性，最終采用蛇形散熱結構實現了443W/cm2的熱流密度。
展開 積鼎 VirtualFlow 案例 | 環路熱管相變換熱模擬，實現微通道氣液兩相、單相及流固耦合仿真計算
仿真結果中的溫度為橫截面上的流體均溫，可以比壁溫溫度高在冷凝器下游測量溫度升至230K，仿真中下游流體均溫保持不變。未考慮與外界環境的換熱。
(a)各測點對應關系 (b)各測點截面內的流體平均溫度
【整機仿真】
環路熱管的整個系統仿真結果如下，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。
方案優勢
針對環路熱管的計算，方案的主要特色與優勢如下：
軟件具備氣液兩相模型，可模擬微納米尺度如空隙尺度的多孔介質、微納結構等吸液芯的毛細潤濕和蒸發過程；可以考慮并預測毛細能力及蒸發換熱性能。
支持在微通道納米尺度中計算兩相相變，可用于表面凝結和核態沸騰的相變過程計算，以及計算在相變過程中的換熱情況。
支持Lee模型與RPI壁面沸騰模型，可根據此對池沸騰及大空間冷凝相變進行數值模擬。
在處理熱虹吸問題時，通過模擬蒸發相變，觸發熱虹吸效應，進而研究熱邊界及固體結構對虹吸過程流量、流速的影響。
可根據計算的兩相流動狀態自動切換所采用的兩相流模型，適用的多相流典型形態包括界面流、離散相以及混合流，在實際多相流問題中，這三種多相流問題存在空間和時間上變化的可能，軟件根據兩相之間的存在狀態可以自動采用不同的多相流模型，提升計算準確性。
利用高精度的界面捕捉技術進行數值仿真計算，可以計算不同毛細數(capillary number)對微通道內氣泡形狀的影響，以及計算由于表面張力的不同引起質量移動的馬蘭戈尼效應。
3. 成果及效益
通過使用軟件對環路熱管進行相變換熱仿真，其蒸發器和冷凝器的溫度變化與試驗結果趨勢一致，其中蒸發器的壁溫與試驗值偏差基本控制在1.5℃以內。
展開 利用lammps模擬LJ流體在微通道中為二維流動
2.1.問題描述
本次研究擬采用LJ體系模擬二維Couette flow，Couette flow（庫愛特流）指的是粘性流體在相對運動著的兩平行平板之間的層流流動。這個流動是由作用在流體上的粘性力和與平板平行的外部壓力推動的。本次研究通過固定底端，移動頂端來制造Couette flow。
2.2.模型描述
具體模型如圖2.1所示。本次模擬采用LJ約化單位，初始晶體模型為六方最密堆積結構，晶格參數為0.7，沿x（100）方向為20倍晶格長度，y方向（010）為20倍晶格長度。此次模型為2維模型，x為流動方向，因此設置為周期性邊界。y方向采用收縮邊界，以模擬平板移動。采用OVTIO進行模型可視化處理。在模擬流動前先設置流動區域和平板區域。具體方式為采用velocity和fix setforce命令固定底端和頂端1倍晶格長度的區域作為平板。對中間的流體區域采用速度標定法進行控溫。在進行流動模擬時，為頂端的固定區域設置沿x方向的初速度為5.0，其他方向速度為0。底端繼續保持固定。流動模擬一共運行100000步。
圖2.1：模型示意圖
2.3結果整理與分析
圖2.2展示了在初始1000步，50000步和100000步時流體原子沿著y方向的x方向速度（vx）的分布情況。從圖中可以看出有平板與流體之間粘性力帶起的流體運動存在著明顯的滯后現象。這樣的滯后體現在空間和時間尺度上。在空間尺度表現為從固定端到移動端存在著明顯的速度梯度。從時間尺度上表現為流體的速度隨著時間逐漸增加。同時還利用OVITO分析了沿y軸不同位置原子的移動軌跡，如圖2.3所示。這里也可以清楚的看的靠近頂端移動平板的原子在相同時間內有著更長的移動距離。這樣的可視化可為Couette flow的直觀分析帶來更大的便利。
展開 前沿 | 自匹配光源編碼的散射介質信息傳遞微通道
基于這種差異，我們推定：在相干照明模式下，整塊毛玻璃構成類似光闌的信道，只是該信道是被毛玻璃的隨機相位分布編碼過；非相干照明模式下，毛玻璃的整體編碼信道失效，但毛玻璃隨機相位分布中存在的大量的微結構構建了新的信息傳遞通道。進一步的周期性相位光柵和毛玻璃的對比實驗和模擬結果都驗證了散射介質的微結構才是構成非相干照明下信道關鍵；沒有相應的微結構的話，即便存在其他結構，也無法構建有效的信道。
除此之外，我們還發現，當不存在有效信道時，即便是空間平移不變系統也無法傳遞信息。空間平移不變性一直被視為系統能夠傳遞信息的充分條件，即系統輸出等于輸入和系統點擴散函數的卷積。
圖1 （a）光闌和毛玻璃信道在相干和非相干兩種照明模式下的實驗排布圖和對應的實驗預測成像結果。目標手寫數字依次加載在數字微鏡設備(DMD)上。（b）非相干照明下，周期光柵和毛玻璃（對應的相位分布分別加載在空間光調制器SLM上）信道實驗的實驗排布圖和對應的結果。
觀點評述
盡管散射介質結構復雜，光在其中的傳播無法追跡，傳遞過程無法準確描述，仍然存在解構散射介質的可能。
展開 基于Comsol的MHD磁流體驅動微通道散熱
</p><p> 另外也有海水磁流體推進器，磁場能對導電的海水產生電磁力作用，使之在通道內運動，若運動方向指向船艉，則反作用力便會推動船舶前進。</p><p><em> 簡化后磁流體動力系統如下圖所示，施加電流于兩個磁體之間通道中導電流體，在磁場作用下引起流動變化。</em></p><p><br></p><p><img src="https://img.jishulink.com/202109/imgs/79db79d6ef0f412faf82862b1b1d0026.png"></p><p><br></p><p><em> 此次采用磁流體動力系統對微流體部件的散熱進行分析。通過控制磁場的大小和方向，可以看到微流道末端的溫度發生改變。</em></p><p><br></p><div contenteditable="false" width="100%"><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/202109/1b8640c3d499445a87ddca8a0def7eca.gif" title="Untitled.gif" alt="Untitled.gif" style="max-width:760px;" data-mobile-src="https://img.jishulink.com/upload/202109/1b8640c3d499445a87ddca8a0def7eca.gif?
展開 分布式參數模型在微通道環路熱管熱管理中的應用
此外，微通道平行流換熱器具有結構緊湊、制冷劑充注量少、傳熱性能好的優點，目前主要應用于汽車空調、小型制冷設備等。因此，采用微通道并流換熱器作為LHP的蒸發段和冷凝段是一種新型高效的散熱方式，具有良好的散熱效果。在充電站、數據中心等封閉機柜散熱領域具有較高的應用前景。
02
成果掠影
近期，東南大學能源與環境學院陳振乾教授團隊提出了三維分布參數模型并結合實驗系統，研究了填充率、高度差、換熱器結構和運行參數對MCLHP系統傳熱性能的影響。研究團隊特別提出了泵輔助MCLHP來提高傳熱能力。分布參數模型與響應面法相結合的模擬表明，最大傳熱能力為1.402 kW，填充率為79.7%。雖然改變結構參數會提高傳熱能力，但它將通過增加空間結構和空氣阻力來補償。研究所提出的泵輔助MCLHP系統可以穩定運行，傳熱能力高達4kW，在充電樁和數據中心等高熱通量冷卻中具有潛在的應用前景。相關研究成果以“Application of distributed parameter model in thermal management of microchannel loop heat pipe”為題發表于《Applied Thermal Engineering》。
展開 
技術流 | DfAM底層通用技術之微通道散熱設計
圖3 仿蜘蛛網微通道
圖4 仿旋渦微通道
圖5 雪花微通道
圖6 仿真結果對比
與傳統的微通道散熱器相比較，上述設計
首先
通過均衡的微通道截面面積設計保證了工作流體的整體穩定流動模式。但是通道的截面形狀和分合設計多次變化；
其次
設計了特殊的連通通道組，以方便設計較小的橫截面面積和連通通道長，保證流體在通道內部快速流動，及時輸運熱量，實現短程均勻散熱，使其內部的工作流體散熱成為散熱器散熱的核心過程，
同時
也避免了與之連接的縱向微通道內工作流體單一流向產生沿流動方向溫度梯度的問題，一方面調整沿縱向分通道不同位置的連接通道橫截面面積大小，補償了進入連通通道工作流體的流速損失，使各連通通道內工作流體單位時間的流量相當，從而保證不同連通通道散熱能力的均衡。
展開 『轉貼』新型微通道自然循環電子冷卻器
新型微通道自然循環電子冷卻器
中科院廣州能源研究研究所徐進良研究員領導的團隊勇于探索，攻關4年，于近期成功研制微通道自然循環電子冷卻器并在高端計算機上運行。此項成果通過廣州市科技局組織的專家鑒定，鑒定意見認為達到國際先進水平，可廣泛應用于信息、空間、軍事等領域，建議進一步推廣使用，以造福社會。
徐進良團隊幾年前就開始這項研究，并在去年承擔廣州市科技攻關項目“新型微通道自然循環電子冷卻器及產業化”，針對目前在信息、空間、軍事技術等領域中廣泛存在的電子設備高集成度、高熱流密度及溫度失效率大幅度上升等問題，經過多次分析，試驗等，提出并實現了微通道自然循環冷卻器的原理及樣機研制。
樣機由內含微通道的金屬底坐和兩根金屬導管及一個圓形冷凝器和散熱片組成(見圖所示)。所研制的樣機，經廣州市能源監督所檢測，冷卻熱功率達300W，熱流密度達33W/cm2。這兩項指標分別為目前高端計算機熱功率及熱流密度的三倍，可采用風散低轉速或完全無風自然循環運行，大大降低了噪音，并提高了可靠性。另外，該原理可根據不同用戶需要，進行不同的機構尺寸設計，應用范圍廣。
據介紹，該冷卻器中采用了三項關鍵技術：(1)微通道用于強化傳熱，以解決芯片的高熱流密度問題，(2)自然循環原理解決了冷卻器回路的壓力驅動問題，完全實現了無泵運行，(3)微型冷凝器與太陽花散熱器之間采用過盈配合，可避免異質金屬之間的焊接，并使接觸熱阻降低到最小。整個冷卻器回路采用全焊接模式密封，因而可靠性高。根據廣東省科學技術情報研究所對國內外專利及文獻的全面檢索分析及驗收鑒定專家的實際考核，認為該項目屬于集成性自主創新，建議進一步開發批量生產技術及裝備，以推廣應用于計算機、通訊基站、大功率電子及激光器等領域。
展開 替代啟攀微8按鍵觸控八通道觸摸芯片-GTC08L
在電容觸摸感應領域，韓國綠芯GreenChip提供了多種解決方案，其中包括了觸摸感應以及電容式觸摸屏，廣泛應用的觸摸感應芯片GTX系列芯片（GTX301L、GTX312L、GTX314L）及GT系列（GT301L、GT304L、GTC08L、GT308L、GT316L）包含：0－16按鍵通道，每款不同數字型號對應相對擁有通道如GTC08L對應8通道，GTX312l就擁有12通道，應用于不同需求產品當中，在電容式觸摸領域便是佼佼者受到一致好評。
韓國綠芯GreenChip電容式觸摸芯片比國產芯片，具備更強大的抗干擾能力，符合國家強電測試標注，能過高壓測試，能過注入電流測試，提供全面技術支持，提供樣品和測試板，強大技術支持團隊是您方案開發堅實后盾！長期現貨供應，申請樣品歡迎致電：19168597394（微信同號）咨詢。
展開 用戶作品賞析 | PoP封裝微系統高速并行和串行信號通道設計
本期開始Ansys中國微信公眾號將連載發布所有獲獎作品，詳盡展現用戶如何從Ansys工程仿真解決方案中獲益，誠邀各位近距離觀賞他們的應用實踐真知，希望通過這些杰出的工程仿真實踐指導更多用戶。
作品賞析（4）| PoP封裝微系統高速并行和串行信號通道設計
內容簡介
隨著電子系統走向小型化、高功能密度集成，以PoP為代表的三維立體封裝在微系統中應用越來越廣。互連通道從平面傳輸線走向垂直結構，平面和垂直的過渡、阻抗不連續、多節點網絡的拓撲結構和高密度布線，在此立體小尺度結構下，反射、串擾、衰減嚴重制約了高速并行和串行信號的傳輸性能。本論文，開展了芯片/封裝/系統協同、場路協同的仿真方法研究，通過對PoP封裝中立體互連通道的參數化建模和多參數綜合影響分析、拓撲結構和端接匹配優化、芯片特性與通道協同優化，提出了PoP微系統中信號通道的設計方法，保障了高速信號的完整性。
關于作者
王艷玲 | 西安微電子技術研究所研究員
獲獎作品一覽
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