基于纳米流体强化传热的电池热管理格子Boltzmann研究

摘要

新能源电动汽车具有零排放等优势，对于减少交通污染、节约能源具有重要的现实意义，近年来发展迅速。作为电动汽车的核心，动力电池的性能易受温度影响，进而影响整车性能，因而需要有效的散热系统。液体冷却方式具有传热效率高、适用性强等优点，在电池热管理中得到了广泛应用。然而，随着电动汽车续航里程要求的提高，电池组结构势必变得更加紧凑、复杂，这就对液冷系统提出了更高的要求。为了进一步提高传热效率、降低能耗，本文建立了纳米流体强化的自然对流电池热管理系统，并采用格子Boltzmann方法进行模拟。随后基于上述内容建立了颗粒运动模型，研究了颗粒运移条件下的自然对流传热特性。本文的主要工作和结论有： (1)结合平面插值方法的边界条件格式和非平衡态外推法，建立格子Boltzmann模型的曲线边界条件，在该曲线边界条件中采用恒定热流密度边界来简化电池放热模型，实现电池在恒流放电过程下的产热模拟。在上述模型基础上，使用基于LB模型的动量交换边界格式实现流固边界上的受力计算，并采用平衡态分布函数来更新运动边界节点，建立颗粒沉降运动模型。 (2)针对纳米流体强化的自然对流电池热管理系统，研究了纳米流体体积分数和瑞利数对传热效果的影响。发现随着纳米流体体积分数的升高，电池表面最高温度、平均温度和温度标准差都有一定的降低，6% vol.的铜-水纳米流体可以使最高温度降低 6.5%；但随着时间的推进，对流开始充分发展，纳米流体的带来的粘度增加在一定程度上阻碍了流体的流动，其强化传热的效果开始降低。此外，纳米流体体积分数的增加降低了流体与壁面间的温度差异，导致左壁面 Nu数有一定程度的降低。Ra的增加增强了对流换热强度，然而在Ra较小时，Ra的增加反而破坏了原有的以热传导为主的线性温度场，使得电池表面存在热量聚集现象，导致温度有一定的上升。此外，Ra 也不是越高越好，对流足够强时形成的小型稳定涡旋反而会阻碍热量在较大范围内的传递。 (3)针对存在运移颗粒的方腔自然对流，研究了颗粒沉降开始时间、颗粒大小以及颗粒密度对流动传热特性的影响。结果发现颗粒沉降过程可以强化对流换热强度，并向壁面输送大量热量，并且因为对流的发展，颗粒沉降开始的时间越晚，所输运的热量越多，产生的强化传热效果越明显。在颗粒沉降过程中，随着颗粒半径的增大，颗粒所驱动的流体增多，流体获得的速度也更大，对流换热强度也更强。密度大小对于沉降过程中流动传热特性的影响较为复杂。一方面，密度变大时，颗粒的沉降速度变大，对流强度得到增加。另一方面，颗粒密度增加时，颗粒将会更快的降落到底部壁面，将失去对对流传热的后续影响，原有对流模式将提早恢复。颗粒大小和密度对颗粒运动轨迹有着显著的影响。颗粒半径越大，密度越大，越容易保持原有的运动状态；颗粒密度增大时，轨迹向方腔中间偏斜；颗粒半径增大时，虽然其惯性更大，但与流体接触面积也更大，易受到更多流体影响，导致轨迹向左壁面偏斜。

目录

第一个书签之前