VirtualFlow | 两相冷板相变散热仿真
两相冷板（又称相变冷板）凭借超高散热效率与精准控温能力，已成为高热流密度场景下的核心散热解决方案。在算力中心与 AI 领域，两相冷板适用于AI 训练服务器、超算中心的高性能计算节点，以及高热流密度芯片（如 GPU 集群），可显著降低算力中心制冷系统的能耗。根据英伟达液冷供应链的最新变化：Rubin架构单机柜功率飙升至200千瓦，两相冷板成为必选项。在新能源与储能领域，两相冷板适配新能源汽车 IGBT 模块及储能电站，提升系统安全性。此外，两相冷板还可应用于工业变流设备、航空电子等场景，高效解决散热难题。
核心原理
两相冷板利用工质（如 R141b）的相变潜热来强化散热。在冷板的蒸发段，工质吸收热量发生蒸发相变，转变为气态；气态工质在压差作用下流向冷凝段，释放热量后重新凝结为液态；液态工质则通过毛细芯的毛细力作用回流至蒸发段，完成一个散热循环。为提升工质回流效率，通常搭配复合毛细芯，如烧结铜粉与槽道组合、碳纳米管阵列等。相变液冷的换热系数，比单相液冷高出20倍，比空气冷却高出1000倍。
两相冷板技术的关键突破，核心在于攻克相变过程中的各类不稳定性难题，包括流动反转、壁面烧毁、均匀分流等关键问题。CFD仿真技术可以协助研发人员进行两相冷板分析优化，但目前面临两大核心挑战：
物理模型构建难度高
两相流涉及相变传热（液体蒸发、气体冷凝）、气液界面动态变化等复杂现象，现有模型难以完全精准捕捉界面张力、热流密度分布等细节。
网格与计算资源矛盾
为保证气液界面仿真精度，需划分极细的网格，导致计算量剧增，单组工况仿真可能需数天甚至数周，对硬件算力要求极高。
针对上述两相冷板的仿真需求与核心挑战，积鼎科技自主开发的流体仿真软件VirtualFlow 展现出显著优势，具体体现在以下四个方面：
高效的网格技术：VirtualFlow软件支持冷板和冷却剂采用一套网格处理，且无需处理流固界面，可实现高效流热耦合仿真。
先进可靠的相变模型： VirtualFlow软件内置成熟的蒸发模型，能够精准模拟冷板回路中的相变换热过程，为冷板热性能分析提供可靠的模型支撑，保障仿真结果的准确性。
丰富精准的多相流模型：VirtualFlow软件内置多种适配不同工况的多相流模型，可根据实际仿真需求灵活选择，确保在各类复杂多相流场景下，均能实现精准仿真，满足多样化分析需求。
UDF自定义材料物性参数：VirtualFlow软件支持UDF（用户自定义函数）功能，可由用户编程指定任意数学形式的材料物性参数，如导热系数、密度、粘性系数等。
基于VirtualFlow 流体仿真软件，对两相冷板进行相变散热仿真计算，通过分析气相分布、液相分布、温度分布及相变率等计算结果，为用户快速验证设计合理性提供数据支撑。
几何结构及网格划分
几何结构及网格划分
两相冷板内部流体总厚度设为 4 mm，微通道宽度为 2 mm，冷板内填充制冷剂 R134a；热源采用三组共 48 个的布局设计，热功率存在差异，最高可达 800W。
热源
辅助壳体
进出口
导热壳体
VirtualFlow 软件采用浸入表面网格技术（IST），该技术支持生成笛卡尔网格，冷板和冷却剂采用一套网格处理，可快速生成千万级的网格。同时，采用IST技术将固体浸入网格区域，可自动识别流固边界，简化了网格生成过程，提升了流固耦合计算时网格的生成速度。
此外，IST技术还能满足自定义区域加密、边加密以及块加密等多种自定义网格加密需求，在保证精度的前提下，避免了前处理部分大量重复性工作，从而更加适合耦合传热与运动物体的计算需求，为气液两相流仿真提供了高效、简便且高质量的网格基础。
计算模型
计算模型
VirtualFlow软件提供直接相变模型和基于经验公式的相变模型，这些模型均经过大量的实验验证，稳定可靠。该算例采用蒸发模型。VirtualFlow软件在计算仿真气液蒸发相变问题时，只需调节气相属性的“粒径”参数即可，简单方便。
VirtualFlow 软件配备了丰富的多相流模型，包括均相流模型、代数滑移模型以及界面流模型（如 VOF 和 LevelSet 模型），且这些模型均能与相变模型耦合使用。
VirtualFlow 软件支持通过 UDF 自定义材料的导热系数、密度、粘性系数等关键物性参数，可灵活更换热流体材质（如 R134a、超临界二氧化碳）与冷板金属材质（如铜、铝、钛合金），满足多样化换热仿真计算需求。
计算结果
计算结果
（1）壁面
（2）中部截面
由于冷板流道非常小，壁面处与中截面的云图分布特征基本一致，下面结合核心仿真结果展开分析：
气相分布
云图中橙色代表气相（蒸汽），蓝色代表液相。气相主要集中在冷板流道中上部，液相集中在流道下部。气相比例的变化反映工质蒸发进程：气相占比越高的区域，蒸发越剧烈，意味着这些区域热负荷相对集中，工质通过液相到气相的相变过程高效带走热量。
液相分布
红色 区域液相占比高，蓝色 区域液相占比低。液相主要聚集在流道的入口、拐角及下部区域，这些区域工质以液态为主，换热方式以显热交换（液体对流）为主。液相的分布均匀性影响冷板的润湿性：若液相过度集中在局部，易导致其他区域 “干涸”，引发局部过热；此云图中液相分布相对合理，未出现明显的液相缺失区。
温度分布
温度云图呈现从蓝（低温）到橙（高温）的渐变趋势，最高温度约 340K（67℃左右），最低约 313K（40℃左右）。温度梯度主要沿流道方向分布，表明工质在流动过程中持续吸收热量、温度逐步升高。整体温度区间合理，无大面积红色高温区等局部过热现象，表明冷板的热扩散能力较好。
相变率
相变率云图中，数值越高代表液相到气相的相变越剧烈。高相变率区域与气相分布区基本重合，说明这些区域热负荷较大，工质通过强烈的沸腾相变强化换热效果。相变率分布可反映热负荷的空间差异：若某区域相变率过高，可能因热流密度过大导致 “烧干”，而此云图中相变率分布平缓、无极端峰值，说明热负荷分布相对均匀。
综合以上两相冷板的仿真结果来看，其流道设计合理（无流动死区、流速均匀），热负荷分布均匀（无局部过热、相变率平缓），相变换热与显热换热协同良好（气相、液相、相变率分布匹配），整体散热性能良好，能够有效满足电子器件等场景的散热需求。
