Ansys2025全球仿真大会：两相散热器结冰鼓胀失效机理的仿真研究

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©2025ANSYS,Inc.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1.1

两相散热器的工作原理•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产品中冷凝放热蒸发吸热>2000W/m·K

@相变传热VS200~400W/m·K

@金银

铜铝饱和态附近交替循环实现热量传递液态工质回流汽态工质迁移1/15水在低温下结冰，体积膨胀9%1.背景：两相散热器的结冰问题两相散热器结冰问题已严重影响产品可靠性！

2/15温度循环材料级损失，性能下降系统级损失，产品报废1.2

两相散热器结冰问题温度循环后鼓胀失效芯片、PCB板顶伤VC热管失效散热器fin片脱落密封失效正常散热器短路烧毁接触恶化1.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设计因素？•

毛细结构

•

蒸汽空间•

支撑结构

•

壳体厚度•

充液量

•

加工狭缝环境因素？•

温降速率•

温降温域•

保温时间×低温贮存实验×温度循环实验

参数化

模拟多种外部环境变化

温度

、

冰相定量规律

给出实验指导数值仿真是研究

两相散热器结冰鼓胀机理的有力工具！

结冰过程可视化

明晰冰层演化规律

定位结冰鼓胀机理

结冰机理明晰

针对性设计

性能

、

可靠性双赢×封闭腔体无法观测×

多因素相互影响×

机理不明×

拦截困难×

改进困难×减少水量×

性能下降针对性可视化3/15•

Solidification/MeltingModel•

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

Fluent2.方法：数学模型2.1控制方程（开放空间内水结冰过程）（2）动量方程（1）连续方程（3）能量方程4/15局部热平衡模型（LTE）•铜的高导热性快速均质化温度场；•缓慢降温使过程准静态；•

微孔尺度下热弛豫时间极短2.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）（2）动量方程（3）能量方程kar=pkpcw+(1-J)k·

（1）连续方程5/15>求解器设置

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：二阶迎风模型

瞬态求解

层流

能量方程

凝固-融化模型

重力边界条件

外壳对流边界条件

环境温度随时间变化（UDF）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6/152.方法：数学模型2.3

求解设置3.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

、

毛细

、

蒸汽以及根据多于水量换算的积水。•

外部温度随时间变化，模拟温降过程。•对外壳施加第三类边界条件：q

=

h(T

−T∞

)

25°C→

-40°C•三种温降速率：2°C/min5°C/min

11°C/minAnsys

Space

ClaimAnsysMeshingFluent

UDF几何建模网格划分变温边界毛细/V积水外壳7/153.2热管结冰过程复现①

释放显热阶段：环温降至-40°C，水释放显热，热管壳体维持在0°C以上；②

毛细结冰阶段：外层毛细开始结冰，释放潜热，

壳体温度维持0°C

，；③

积水结冰阶段：积水先在④

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•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tt+Δt毛细层快速、均匀结冰Bérutetal.,Appl.

Therm.Eng.(2023);Gerberetal.,PNAS

(2022)形成封闭空间b.冰包水a.液面先结冰，鼓胀，破裂9/15t+Δtt3.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-40°C，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，11°C/min

，

5°C/min

，

2°C/min保温时间分别为17.5

、

15.3

、

9.2

min以上。11°C/min2°C/min5°C/min10/153.垂直热管的结冰规律研究3.4不同温域下的结冰时间预测•温降速率11°

C/min，不同温域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。•游离水量相同时，随着温域提高，热管内完全结冰所需保温时间显著增加。•随温域由-40°C提升至-5°C时，

完全结冰所需时间分别为17.5

min

，34min

，

105

min。•结冰速度放缓，也有助于减慢液面结冰，延缓冰包水的出现时间，鼓胀减轻。-40°C

-20°C

-5°

C

11/154.两相散热翅片的结冰规律研究4.1几何模型与边界条件•选取两相散热翅片的局部一个鼓胀单元的一半几何结构进行建模，几何模型包括铜外壳

、

铜水毛细层（50%孔隙率）

、

积水。•内部有水的一面是对称面，绝热处理；外壳面设置第三类边界条件，给定对流换热系数h、来流温度T

∞。内部面

外部面

模型来源

12/154.两相散热翅片的结冰规律研究4.2垂直放置场景下两相散热翅片结冰过程复现•

模拟25°C常温翅片在温箱中温降至-40°C

的过程，取T∞=40

°

C；•金属外壳最先降温，中心积水释放显热，壳体由四周向中心温度逐渐下降；•15s前，

紧贴金属外壳的毛细层先结冰，形成基本均匀的冰层；•15s后，

毛细层基本完成结冰，积水四边开始出现冰层，并由外向内凝固，中心的液体逐渐减少13/154.两相散热翅片的结冰规律研究4.3

两相散热翅片低温鼓胀机理1.毛细层均匀结冰：毛细层等效导热系数高，几乎均匀结冰，冰层沿垂直方向推进，无局部封闭区域

,鼓胀风险小。2.蒸汽腔空间减小：积水导热差，结冰晚于毛细，毛细冰层优先挤占蒸汽腔空间。3.积水四周结冰：液面处优先封住，无空余空间。4.积水内部结冰：内部的水结冰，体积继续膨胀，造成鼓胀。抗结冰设计•

积水风险区域避免易封死结构•

底边额外毛细烧结

水量不变，性能保证

结冰鼓胀问题有效改善14/153.对热管、两相翅片在垂直状态下的结冰过程进行了瞬态建模仿真，研究了冰层演化过程、不同温降速率对结冰时间的影响，发现（1）

液面先结冰，

形成“冰包水”，

内部游离水再结冰造成鼓胀是主要失效原因，与实验吻合。（2）积水完全结冰时间与温降速率、温度范围、积水量相关，

保温时间是拦截结冰问题的关键