2025大赛优秀作品 | 两相散热器结冰鼓胀失效机理的仿真研究

“Ansys 2025 全球仿真大会”仿真应用大赛优秀作品展示

本届仿真应用大赛最终评选出 30 篇 TOP 优秀作品，分别荣获一、二、三等奖及行业最佳实践奖。近 200 位来自汽车、半导体、高科技、能源等行业的仿真精英参赛，他们以前沿思维与创新实践，充分展现了仿真技术的无限潜能。我们将陆续为大家分享获奖佳作，带您一同领略仿真赋能创新的非凡力量，希望用户能从中汲取灵感、启迪思路。

作品名称：两相散热器结冰鼓胀失效机理的仿真研究

作者：谈周妥 | 中兴通讯股份有限公司 热设计工程师

关键词：均热板，Ansys Fluent，结冰鼓胀，可靠性

作者说：

Ansys Fluent 提供的先进的融化-凝固模型及用户自定义函数可帮助我精准模拟水工质在低温下的固-液两相转换过程。Fluent Meshing的多面体-六面体混合网格技术可在热管毛细结构等微尺度区域生成高质量网格。以上解决方案为两相散热器的可靠性设计提供了不可替代的仿真支撑。

以热管（Heatpipe）、均热板（Vapor）为代表的两相散热器，由于其内部水工质高效的蒸发-冷凝相变传热循环，实现了数十倍于传统金属材料的超高导热效果，广泛应用于数据中心、网络通信、新能源车、储能等重要科技领域中。然而，由于水工质结冰体积膨胀的特性，导致此类散热器在低温场景下存在结冰鼓胀风险，造成散热器失效、产品损坏、短路等可靠性风险。本次研究借助Ansys Fluent流体仿真软件，对热管、均热板在低温场景下的内部结冰过程展开复现，获得了内部冰层演化规律。明晰了此类散热器局部结冰鼓胀的主要机理，以及不同温降速率、温降温域的环境条件下的内部结冰速率差异，给出了对应的风险拦截测试要求。基于结冰机理形成抗结冰结构与毛细设计，可在保障性能的前提下，降低结冰风险。

挑战/需求

均热板、热管类铜-水两相散热器在低温环境下结冰鼓胀问题严重影响其产品可靠性。同时，封闭腔体内部无法观测导致原因定位困难。需要借助数值仿真方法，通过对其内部结冰过程复现并可视化，定位结冰鼓胀原因，进而针对性提出预防措施。

使用工具：

几何建模：Ansys SpaceClaim；

网格划分：Ansys Fluent Meshing；

方程求解：Ansys Fluent

最终成果

均热板结冰鼓胀问题复现：毛细层结冰-空间压缩-积水四周结冰-积水内部结冰

• 热管、均热板在低温场景下的内部结冰过程得到有效复现，仿真结论与实验匹配；
• 获得了游离水、毛细内水在低温下的不同结冰演化规律；
• 有效定位了散热器结冰鼓胀主要原因；
• 获得了外部环境（温降速率、低温区间）对结冰鼓胀问题的影响规律。

参赛作品一览