电动汽车电池冷却器仿真研究

摘要

电池冷却器通过引入汽车空调系统中的冷媒蒸发过程能够降低流经电池组的冷却液温度，可有效控制电池组温度一致性和安全性，延长电池组使用寿命。且电池冷却器作为电池回路和空调制冷回路的中间换热器，优化其换热板的综合换热性能，能够获得更好的换热效果，对降低液冷系统能耗具有重要意义。本文对电池冷却器的相变和换热特性开展了数值模拟研究，并对换热板结构进行优化，提出了中间隔道设计和波纹参数的改进方案。本文主要工作如下： （1）建立了电池冷却器中两相邻倒置换热板的全区流道模型，将冷却液侧对流换热系数作为壁面条件，同时编写UDF程序，模拟冷媒侧R134a的蒸发相变过程。在相同工况下，将数值模拟结果与他人实验所得数学模型预测结果进行了对比，误差在合理范围内，证明所用的数值计算方法具有可行性。 （2）从含气率、速度场、压力场和温度场分布方面，对仿真结果综合分析，利用评价指标PEC和场均协同角γvol衡量综合性能，并与人字形换热板结果进行对比，以研究换热板中间隔道对传热和阻力性能的影响，并确定了中间隔道结构分布的改进方案。结果表明，新型换热板对入口流量起到均匀分流作用，且有效缓解了压力损失，改进后的中间隔道分布使得综合换热性能得到提升。 （3）根据换热板波纹结构的周期性和重复性规律，建立了简化流道模型，进而将拔模角度、波纹高度、波纹宽度、波纹间距作为参数变量，利用L16（45）正交实验表格，设计了16组不同结构实验参数并进行仿真分析。在此基础上，通过极差和方差分析，获得了最优结构参数。 （4）对优化前后的换热板的综合换热性能进行了对比分析，并利用ANSYS流固耦合进行了优化后结构的强度验证。结果表明，优化后的换热板旋流区面积扩大，出口含气率增加,使得综合换热性能得到明显提升，且优化后的结构变形量较小，强度小于屈服极限，满足设计要求。

目录

第1章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.1.1 研究背景

1.1.2 研究意义

1.2 国内外研究情况

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.3 本文的技术难点

1. 模型的简化

2. 有相变的耦合换热

3. 波纹板结构的优化

1.4 本文研究的主要内容

第2章 电池冷却器传热机理与数值计算方法

2.1 电池冷却器传热机理

2.1.1 热量传递形式

2.1.2 强化传热途径

2.2 数值计算方法

2.2.1 多相流模型

2.2.2 湍流模型

2.2.3 近壁处理

2.2.4 用户自定义函数（UDF）

2.3 本章小结

第3章 电池冷却器相变换热特性理论计算与数值模拟

3.1 电池冷却器相变换热特性理论计算

3.1.1 电池冷却器性能要求

3.1.2 相变理论计算及蒸发过程的UDF

3.1.3 冷媒物性参数的多项式拟合

3.1.4 冷却液侧传热系数估算

3.2 物理模型及网格划分

3.2.1 物理模型

3.2.2 网格划分

3.2.3 网格无关性验证

3.3 基本假设与控制方程

3.3.1 基本假设

3.3.2 控制方程

3.4 边界条件及数值求解

3.4.1 边界条件

3.4.2 数值求解

3.4.3 传热系数的修正

3.5 数值模拟的有效性验证

3.5.1 实验装置

3.5.2 数据处理

3.5.3 实验与模拟结果的比较

3.6 本章小结

第4章 冷却器换热板仿真结果分析与结构特性研究

4.1 主要物理量介绍

4.2 换热板波纹流道数值计算结果及分析

4.2.1 含气率分析

4.2.2 速度场分析

4.2.3 压力场分析

4.2.4 温度场分析

4.2.5 入口流速的影响

4.3 换热板综合传热性能对比研究

4.3.1 两种换热板综合传热性能分析

4.3.2 利用场协同角分析综合传热性能

4.3.3 中间隔道的分布对综合传热性能影响

4.4 本章小结

第5章 电池冷却器换热板波纹参数的优化设计

5.1 优化模型选择

5.2 正交实验设计

5.2.1 试验因素、水平和评定指标

5.2.2 正交表设计

5.2.3 正交试验仿真结果

5.3 试验结果分析

5.3.1 极差分析

5.3.2 方差分析

5.4 优化模型的仿真分析

5.4.1 数值模拟分析

5.4.2 流固耦合分析

5.5 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

附录

附录A 用户自定义函数（UDF）

附录B 在学期间发表的学术论文与研究成果

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