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COMSOL中相變能量樁段模型傳熱案例實(shí)操

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12月22日20時(shí)-21時(shí)，筆者將繼續(xù)在仿真秀官網(wǎng)和APP帶來COMSOL流體和傳熱第三期講座《論文復(fù)現(xiàn)：平行流道液冷板對(duì)電池散熱性能的影響》詳情見后文，以下是正文。

一、主流電池冷卻方法

目前共有四種主流的對(duì)電池進(jìn)行冷卻的方法分別是空氣冷卻、冷卻液冷卻、相變材料（PCM）冷卻和熱管冷卻。為了加強(qiáng)散熱系統(tǒng)的冷卻效果往往會(huì)同時(shí)使用多種冷卻的方法，成為復(fù)合散熱冷卻。

1、空氣冷卻

空氣冷卻主要是指以空氣作為介質(zhì)進(jìn)行熱交換從而對(duì)發(fā)熱體進(jìn)行冷卻的方式。通過空氣的流動(dòng)對(duì)發(fā)熱的電池組進(jìn)行降溫處理，具有成本低、結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。空氣冷卻可分為自然對(duì)流冷卻和強(qiáng)制對(duì)流冷卻。自然對(duì)流冷卻是指利用空氣在受熱過程中自發(fā)的流動(dòng)來達(dá)到冷卻的目的；強(qiáng)制對(duì)流冷卻是指利用風(fēng)扇或?qū)ｉT設(shè)計(jì)的風(fēng)管在特定空間內(nèi)形成相應(yīng)的氣流以達(dá)到冷卻的目的，兩者的區(qū)別就是空氣流動(dòng)的速度即風(fēng)速不同。由于空氣的比熱容較低，故空氣冷卻難以處理大量熱量其應(yīng)用具有一定的局限性。［1］

2、冷卻液冷卻

冷卻液冷卻是指以液體冷卻介質(zhì)如水、礦物油、乙二醇、電介質(zhì)進(jìn)行熱交換從而對(duì)發(fā)熱體進(jìn)行冷卻的方式。由于冷卻液具有較高的換熱系數(shù)，與空氣冷卻相比，冷卻液冷卻可提供更好的熱交換能力。但由于冷卻液的密度和粘度比空氣大得多，對(duì)比空氣冷卻系統(tǒng)，冷卻液冷卻系統(tǒng)通常需要外接輸送能力更強(qiáng)的泵送裝置，因此質(zhì)量更大，結(jié)構(gòu)更復(fù)雜。［1］

3、相變材料（PCM）冷卻

相變材料（PCM）冷卻是指以相變材料作為介質(zhì)進(jìn)行熱交換從而對(duì)發(fā)熱體進(jìn)行冷卻的方式。根據(jù)相變材料的化學(xué)性質(zhì)，可分為無機(jī)、有機(jī)及復(fù)合相變材料。無機(jī)相變材料包括熔融鹽、水合鹽、金屬合金等。其中，水合鹽比較適用于中低溫儲(chǔ)能，但相變時(shí)易出現(xiàn)過冷和相分離問題。金屬合金比較適合中高溫儲(chǔ)能，但價(jià)格昂貴。熔融鹽的價(jià)格經(jīng)濟(jì)，且具較大的儲(chǔ)能密度。有機(jī)相變材料包括石蠟、脂肪酸、多元醇以及聚烯烴、聚多元醇等，其特點(diǎn)是無明顯相分離及過冷現(xiàn)象（有機(jī)糖醇類除外），腐蝕性小，但同時(shí)具有體積儲(chǔ)熱密度較小、熱導(dǎo)率低、易燃燒等問題。為了克服單一材料性能的不足，同時(shí)對(duì)材料進(jìn)行封裝，可通過制備復(fù)合相變材料使材料的整體性能滿足應(yīng)用的需求。［1，2］

4、熱管冷卻

熱管冷卻是充分利用了熱傳導(dǎo)原理與制冷介質(zhì)的快速熱傳遞性質(zhì)，透過熱管將熱源的熱量迅速傳遞到冷端。熱管具有更高的安全性，而且相比風(fēng)冷、液冷、相變材料冷卻，熱管冷卻有著高效的散熱效率和散熱速度。由于熱管利用毛細(xì)力運(yùn)輸工質(zhì)，所以極適合于零重力的工作環(huán)境，廣泛應(yīng)用于空間飛行器中。熱管可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳送熱量，能夠在狹小的空間內(nèi)進(jìn)行冷卻，其傳熱溫差小、傳熱量大。熱管冷卻也存在著一些問題，比如熱管的腐蝕，會(huì)影響到換熱能力，甚至是導(dǎo)致熱管內(nèi)部的液體泄露。［1，3］

二、論文復(fù)現(xiàn)

結(jié)合具體的仿真和操作實(shí)際，下面本文對(duì)章嘉晶等人［4］于2021年所做的電池液冷模擬中的一組異側(cè)布置分配流道面積為1445平方毫米，上底與下底比例為3：7的工況進(jìn)行了基本復(fù)現(xiàn)。為了對(duì)電池散熱進(jìn)行更深入的研究，本文在所復(fù)現(xiàn)模型的基礎(chǔ)上加上了石蠟相變冷卻模塊，并將單一液冷和液冷加相變復(fù)合冷卻的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。

所復(fù)現(xiàn)的模型的幾何如圖1所示，具體的幾何尺寸由參考文獻(xiàn)提供，對(duì)于缺失的尺寸根據(jù)繪圖的實(shí)際情況取一個(gè)合理的值。

圖1

流道內(nèi)的工質(zhì)水，液冷板和電池的相關(guān)的物性參數(shù)如圖2所示。其中，環(huán)境溫度以及模型的初始值為300K，流道入口流速為0.03米每秒、溫度為300K，外部全部邊界與空氣存在對(duì)流換熱，換熱系數(shù)為1瓦每平方米乘開氏度，電池發(fā)熱功率為21.86W。

圖2

如圖3所示為第1200秒時(shí)，模型的溫度云圖與溫度等值面，從圖中可以看出模型的最高溫為304.301K，與所復(fù)現(xiàn)文獻(xiàn)的計(jì)算結(jié)果304.346K相近，誤差僅為0.015%。

圖3

如圖4所示為流道內(nèi)的速度分布和壓力分布情況，從圖中看出速度的最大值約為0.048米每秒，與所復(fù)現(xiàn)文獻(xiàn)的計(jì)算結(jié)果0.042米每秒相近，誤差為12.5%。

圖4

三、復(fù)合冷卻模擬

在保持所復(fù)現(xiàn)模型的幾何尺寸和邊界條件的基礎(chǔ)上，在上下兩個(gè)液冷板端面加上一層厚度為4毫米的石蠟相變材料，如圖5所示為添加相變石蠟之后的幾何模型，如圖6所示為相變石蠟材料的相關(guān)物性參數(shù)。為了更直觀展示相變石蠟對(duì)散熱的促進(jìn)效果，模型總共計(jì)算5000秒。

圖5

圖6

如圖7所示為第5000秒時(shí)，相變石蠟材料的融化情況，其中紅色部分為固態(tài)石蠟，藍(lán)色部分為液態(tài)石蠟。

圖7

如圖8所示為相變石蠟材料的液相率隨時(shí)間的變化情況。從圖中可以看出隨著電池的升溫，石蠟開始融化，在第5000s時(shí)液相率大概為24.2%左右。

圖 8

如圖9所示，為單一液冷和液冷加相變復(fù)合冷卻時(shí)，電池最高溫的升溫情況。從圖中可以看出在單一液冷時(shí)，大概在1200秒是電池的溫度基本達(dá)到穩(wěn)定，維持在304.3K作用；當(dāng)加入了相變材料采取復(fù)合冷卻的時(shí)候5000秒時(shí)電池的最高溫還未到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)，電池的溫度還在緩慢升高，最高溫度為303.3K左右。通過對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)在電池持續(xù)工作5000秒的時(shí)段內(nèi)，石蠟相變材料能有效的減緩電池的升溫以及降低電池的最高溫度。

圖9

四、結(jié)語

章嘉晶等人［4］于2021年所做的電池液冷模擬中的一組異側(cè)布置分配流道面積為1445平方毫米，上底與下底比例為3：7的工況進(jìn)行了基本復(fù)現(xiàn)。為了對(duì)電池散熱進(jìn)行更深入的研究，本文在所復(fù)現(xiàn)模型的基礎(chǔ)上加上了石蠟相變冷卻模塊，并將單一液冷和液冷加相變復(fù)合冷卻的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明電池持續(xù)工作5000秒的時(shí)段內(nèi)，石蠟相變材料能有效的減緩電池的升溫以及降低電池的最高溫度。

審核編輯 ：李倩