網(wǎng)格劃分

關(guān)于網(wǎng)格的劃分方法，本文在2.5.3.1節(jié)中己經(jīng)做了詳細介紹，本節(jié)就不多加敘述。本次仍然使用四面體劃分網(wǎng)格法(Tetra hedro ns )，采用proximity and curvature劃分函數(shù)，對于流體域需增加邊界層，在meshing中引入inflatio n，選中流體幾何，邊界層數(shù)為2層。對于本文的鋰離子電池液體換熱系統(tǒng)，由于電池有30塊而且表面棱角多，擠壓多孔扁管式溫控板通道尺寸較小、通道數(shù)很多、長寬比極高，所以網(wǎng)格數(shù)勢必極為龐大。雖然實驗室能夠使用工作站進行仿真計算，但是網(wǎng)格數(shù)超過1500萬的話仍會使計算速度過慢甚至被迫中止計算。流體仿真的計算規(guī)模受制于計算機的性能，但是控制網(wǎng)格數(shù)量也會使網(wǎng)格質(zhì)量和網(wǎng)格的貼體性下降，計算的可靠性同樣會受到影響，所以必須在現(xiàn)有計算機能力的基礎(chǔ)上保證網(wǎng)格質(zhì)量，必須對計算模型進行必要的簡化。

電池上下面均墊有絕熱板，可以視為電池與箱體無熱交換，所以電池箱體模型可以不做考慮。因為電池極柱所占電池的體積比例很小，極柱發(fā)熱對電池內(nèi)部影響較小，而且電池內(nèi)核溫度才直接決定電池性能，所以在簡化中將極柱忽略。電池表面棱角過多會明顯增加網(wǎng)格數(shù)，在模型中可以用接觸熱阻代替，而且在實驗中為了電池與溫控板良好接觸，也需要涂抹導熱硅脂。電池組在X方向的固定需要把電池壓緊，而且電池X方向上的換熱比較少，所以把電池簡化為一個大模型。為了保證網(wǎng)格質(zhì)量，對于幾何模型中的一些對流場和溫度場影響較小的小尺寸或尖角需要額外處理。在熱模型仿真中，如果對相鄰網(wǎng)格尺寸相差過大會容易造成rotedace的數(shù)據(jù)傳遞失真，部分情況rote rfac e兩側(cè)的傳熱量相差甚至會超過20 070，所有本文沒有對電池模型采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，而是使所有rotedace共節(jié)點，進行無差的能量傳遞，保證換熱精度，但是interface處的網(wǎng)格數(shù)會增長。最終箱內(nèi)鋰電池液體換熱系統(tǒng)網(wǎng)格模型如圖3.11所示，總網(wǎng)格數(shù)1325萬。

邊界條件設(shè)定

(1)湍流模型的確定

液體在管道中流動時存在兩種狀態(tài):層流和湍流。層流是指流體是分層或者分片流動的，流體的質(zhì)點只沿著管道的軸向方向移動，在切向方向上沒有運動。湍流則相反，其速度是各個方向上的速度分量是無規(guī)律的疊加。定義液體流動屬于層流還是湍流需要判斷其雷諾數(shù)是否超過臨界值。

經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計測試，液體換熱系統(tǒng)在冷卻工況下入口流量為2.4L/min，電池箱體進出口模塊液體入口直徑為10 mm, Re=1383<2300，流動狀態(tài)為層流，使用層流模型;加熱工況下系統(tǒng)流量為9L/min,  Re>4000，流動狀態(tài)屬于湍流，使用標準k-s湍流模型。

(2)物性參數(shù)

鋰離子動力電池的物性參數(shù)在2.4節(jié)己經(jīng)獲取。乙二醇水溶液的熱物性參數(shù)如表3.2所示，可通過分段線性函數(shù)(piecewise linear)定義其物性參數(shù)。溫控板為6061鋁制多孔扁管，密度為2700kg/m3，比熱容為892J/(kg "K)，導熱系數(shù)為170(W/(m "K))。

(3)進出口邊界及換熱邊界。

溫控板入口邊界條件為流量入口，湍流度默認，入口溫度與工況相關(guān)。出口邊界為壓力出口，出口溫度等于入口溫度，湍流度默認。采用標準壁面函數(shù)。液體工質(zhì)和溫控板之間、溫控板和動力電池之間采用節(jié)點重合的rotedace配對進行熱量交換。溫控板的wall邊界設(shè)置為絕熱。電池wall的輻射和對流換熱系數(shù)分別為0.2_5和4.7W/(m2 " K)，電池與溫控板設(shè)置0._5 mm的接觸熱阻，熱阻材料的導熱系數(shù)為1.5 }W/gym·K}}。

試驗工況的仿真及實驗

首先進行的是散熱實驗工況的仿真，入口流量為2.4L/min，入口溫度為16.4 ℃ ,環(huán)境溫度15 ℃，電池lc放電。

散熱實驗工況電池組及溫控板的溫度場如圖3.12一圖3.15所示。在圖3.12中，單個電池右側(cè)溫度較低，左側(cè)溫度較高，因為溫控板的入口在電池左側(cè)，出口在電池右側(cè)，液體工質(zhì)從在溫控板內(nèi)流動，通過溫控板與電池進行熱量交換，液體工質(zhì)的溫度逐漸升高，所以在溫控板出口附近液體工質(zhì)的溫度最高，冷卻能力最差，而電池的綜合導熱系數(shù)在Z軸方向最小，所以單個電池的溫度呈現(xiàn)沿Z軸正方向逐漸遞增的趨勢。在每一塊電池近似中間的區(qū)域均其高溫區(qū)，因為單塊溫控板為2個100*5規(guī)格的鋁制擠壓扁管組成，兩個扁管之間在z軸方向留有60mm的間隙，而電池在z軸方向?qū)嵯禂?shù)最小，所以在電池中間形成了一個類似帶有自發(fā)熱的半絕熱帶，電池產(chǎn)生的熱量也在此聚集。

從圖3.13可明顯觀察到，第二層左列的電池高溫區(qū)帶略大于右列，因為在溫控板的排布中，右列溫控板的進出口均離分流排較近，管件排布比較短，液體在管件的沿程阻力比較小，所以左列流量略小于右列，在仿真數(shù)據(jù)中也有所體現(xiàn)。

圖3.14是左列電池xy截面的溫度圖，可以看出，第二層電池的溫度明顯低于其他兩層電池，因為在冷卻工況下，第二層電池可以受到雙面冷卻，而另兩層電池只有一面受到冷卻，所以第一層和第三層電池的溫差較大。

從圖3.15可以明顯觀察到溫控板的沿程溫度分布，最高和最低溫差為7.5度;因為溫控板進出口不是在單個扁管中間，所以溫度分布會有向進出口偏斜;靠近進出口的扁管通道壁面溫度相對較低，遠離進出口的扁管通道壁面溫度較高，形成凸起的等溫線。

溫控板不同測點溫度的實驗和仿真的對比情況如表3.3所示。

通過對比不同測點的實驗值和仿真值，發(fā)現(xiàn)兩者吻合較好，誤差小于5 %，這可能因為模型簡化中導熱系數(shù)的設(shè)置和實驗的接觸熱阻有關(guān)。讀取軟件數(shù)據(jù)從上到下四塊溫控板的入口流量分別為:0.597 L/min(板一)，0._598L/min(板二)，0.602 L/min(板三)和0.603L/min(板四)，仿真結(jié)果驗證了并聯(lián)系統(tǒng)流量的均勻性。

總之，仿真與實驗的對比驗證了本文所采用的液體換熱系統(tǒng)模型的有效性，通過這套模型可有效分析電池組液體換熱系統(tǒng)的流動和傳熱問題。