增設(shè)導(dǎo)流孔及翅片化通道墻強(qiáng)化液冷板散熱性能的新策略

摘要

為了增強(qiáng)液冷板的散熱性能，通過在液冷通道內(nèi)添加翅片形成局部擾流是一種主要方法，但是該方法會導(dǎo)致壓降增大?；诖?，本文設(shè)計(jì)了一種通道內(nèi)增設(shè)隔板并帶有導(dǎo)流孔，同時(shí)對通道墻翅片化的新型液冷板結(jié)構(gòu)。在以降低壓降和平均溫度為目標(biāo)的情況下，首先通過單因素法分析和討論了導(dǎo)流孔和導(dǎo)流翅片個(gè)數(shù)的影響，得出當(dāng)導(dǎo)流孔和導(dǎo)流翅片的個(gè)數(shù)分別為4和11時(shí)，液冷板的綜合散熱性能最佳。為了進(jìn)一步優(yōu)化液冷板的散熱性能，采用多目標(biāo)優(yōu)化方法對不同導(dǎo)流孔之間的距離()以及導(dǎo)流孔與隔板起始處的距離()進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果顯示多目標(biāo)優(yōu)化后模型的綜合性能有了進(jìn)一步提升。其次通過正交實(shí)驗(yàn)，討論了翅片的傾斜角度以及開口寬度對平均溫度與壓降的影響，優(yōu)化結(jié)果表明，翅片間的開口寬度影響最大。通過正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化后平均溫度降低了0.869℃(2.33%)，壓降降低了18.257Pa(71.62%)。最后，討論了雷諾數(shù)在100～400的范圍內(nèi)變動時(shí)，不同液冷板結(jié)構(gòu)的努塞爾數(shù)、壓降和綜合評價(jià)指標(biāo)的變化情況。本研究有助于推動電池?zé)峁芾砩岬膽?yīng)用。關(guān)鍵詞

翅片；導(dǎo)流孔；多目標(biāo)優(yōu)化；正交實(shí)驗(yàn)?zāi)壳半S著社會的進(jìn)步，汽車數(shù)量不斷上升，導(dǎo)致有害氣體和顆粒物的排放量增加，對環(huán)境和人體健康造成影響。因此一些國家逐漸停止對燃油汽車的生產(chǎn)，推動新能源汽車的制造，解決汽車污染物排放問題。純電動汽車、混合動力汽車、燃料電池汽車是新能源汽車的典型代表。對于電動汽車而言，電池扮演著重要的角色。目前電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中常用的冷卻方式為液冷與風(fēng)冷。液體冷卻方式所采用的介質(zhì)相比于空氣而言傳熱系數(shù)和熱容量更高，因此液體冷卻方式是更適合電池模組的冷卻方式。除此之外，冷卻方式還有相變材料冷卻、熱管冷卻、混合冷卻等。液冷系統(tǒng)可以通過改變液冷通道的結(jié)構(gòu)形式、翅片的形狀或結(jié)構(gòu)參數(shù)來改變流場的分布，從而改善散熱情況。為了提高傳熱系數(shù)在液冷通道中增加了擋板，并分析了擋板高度和數(shù)量對散熱性能的影響。得到的結(jié)果是增加擋板能夠提高壁面溫度，增加了冷卻液和電池間的熱交換。為了提升傳熱系數(shù)和散熱性能，可以在液冷通道中增加擋板改變通道結(jié)構(gòu)，但是通道結(jié)構(gòu)型液冷板往往會導(dǎo)致壓力損失(壓降)增大。相較之下，翅片型液冷板在相近的散熱表現(xiàn)下，壓力損失通常更低。發(fā)現(xiàn)與擋板相比，采用翅片的液冷系統(tǒng)具有更好的散熱性能。提出了一種具有翅片的MPFHS(micro-pin-finheatsink，微型針翅式散熱器)，翅片可以形成第二通道，以提高散熱性能?？梢?，在液冷板內(nèi)增設(shè)翅片可以有效地增強(qiáng)液冷板的散熱性能和溫度均勻性。該方法的實(shí)質(zhì)就是通過在局部位置增設(shè)翅片形成局部擾流，從而提升系統(tǒng)的散熱性能，但壓降增大是該方法難以避免的問題?；诖?，為了能提升液冷板的散熱性能并實(shí)現(xiàn)壓降的降低，本文提出在通道內(nèi)增設(shè)隔板，形成局部擾流來強(qiáng)化散熱性能；通過在隔板上增設(shè)導(dǎo)流孔，并將通道墻進(jìn)行翅片化，以實(shí)現(xiàn)壓降的降低。1模型1.1幾何模型本文根據(jù)傳統(tǒng)的液冷板結(jié)構(gòu)溫度較高，提出一種新型液冷板結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和新型結(jié)構(gòu)的對比如圖1所示。由于方形電池的長、寬分別為140mm、65mm，因此液冷板整體尺寸為140mm×65mm×3mm；通道內(nèi)的寬度為2mm；隔板尺寸為51mm×1mm；冷卻液入口和出口尺寸均為5mm×2mm。其他相關(guān)參數(shù)見表1。圖1

液冷板幾何結(jié)構(gòu)及尺寸表1

液冷板相關(guān)尺寸參數(shù)1.2數(shù)值模型本文中的模型采用ANSYSWorkbench進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在ANSYSFluent中進(jìn)行瞬態(tài)共軛問題的求解?？刂品匠掏ㄟ^壓力分解器進(jìn)行求解。采用基于壓力的分離算法和二階迎風(fēng)格式對控制方程進(jìn)行離散。在冷卻液質(zhì)量流量為0.1～1g/s的基礎(chǔ)上計(jì)算出雷諾數(shù)小于2300，按規(guī)定為層流狀態(tài)。有關(guān)方程及計(jì)算如下所示。動量方程：(1)能量方程：(2)連續(xù)性方程：(3)其中，P代表微元體受到的壓力；T為溫度；為比熱容；為流體的耗散項(xiàng)；k為傳熱系數(shù)；ρ表示流體的密度；u，v，w分別表示流體流動的速度在x，y，z方向上的分量。1.3邊界條件液冷板入口采用質(zhì)量流量入口，流量為0.5g/s，溫度為25℃，出口采用壓力出口，其值為0Pa，冷板與環(huán)境間的傳熱系數(shù)為5W/(m·℃)，液冷板加熱面的熱通量為3412W/m2，為了便于計(jì)算作出以下假設(shè)：（1）設(shè)置在電池與液冷板之間不存在接觸熱阻；（2）冷卻劑是穩(wěn)定的、不可壓縮的流體；（3）冷卻劑在流動過程中處于穩(wěn)定狀態(tài)；（4）鋰電池在工作過程中受熱均勻；（5）液冷板和冷卻劑的熱材料性能不隨溫度變化。1.4電池產(chǎn)熱的綜合評價(jià)指標(biāo)本次需要計(jì)算出熱阻、傳熱系數(shù)、努塞爾數(shù)等參數(shù)值來對散熱能力和泵功率等進(jìn)行評價(jià)。計(jì)算方法如下所述。雷諾數(shù)(Reynoldsnumber)是一種無量綱常數(shù)，表示流動情況，流體的狀態(tài)是層流還是湍流可以通過雷諾數(shù)的大小區(qū)分。其表達(dá)式如下：(4)其中，表示水力直徑；表示動力黏度。水力直徑可表示如下：(5)其中，表示液冷通道的橫截面積；p表示通道的周長；w和h分別表示液冷通道橫截面的寬和高。努塞爾數(shù)的計(jì)算如下：(6)式中，h為對流換熱系數(shù)；k為液冷板的傳熱系數(shù)。對流換熱系數(shù)h的表達(dá)式為(7)式中，Q為熱流密度。平均熱阻的計(jì)算公式如下：(6)TW表示液冷板加熱面的平均溫度；q為冷板表面熱通量。外界水泵給液冷板輸送冷卻液需要的能耗用泵功率表示，對應(yīng)的計(jì)算公式如下：(8)其中，表示壓降；表示體積流量。(9)其中，是進(jìn)口處壓力；為出口的壓力。鑒于液冷板換熱性能的提高可能會導(dǎo)致其壓降升高，因此需要綜合考慮這兩種性能對液冷板的影響。本文選擇綜合評價(jià)指標(biāo)FOM作為液冷板性能的綜合評價(jià)指標(biāo)，以綜合考慮壓降和換熱性能的影響。其表達(dá)式如下：(10)式中，表示初始液冷板的傳熱系數(shù)；表示優(yōu)化液冷板的傳熱系數(shù)。1.5網(wǎng)格獨(dú)立性為了平衡計(jì)算精度和時(shí)間，合適的網(wǎng)格數(shù)就顯得尤為重要。這里，使用ANSYSWorkbench對5種網(wǎng)格工況進(jìn)行獨(dú)立性分析。局部網(wǎng)格的展示如圖2(a)所示。由圖2(b)可知，當(dāng)網(wǎng)格的數(shù)量超過887725時(shí)，平均溫度和最高溫度的差值均處于5%的誤差范圍內(nèi)，因此本文采用的網(wǎng)格數(shù)為887725。圖2

網(wǎng)格展示與獨(dú)立性分析2數(shù)值模擬驗(yàn)證本文使用圖3(a)所示的液冷板實(shí)驗(yàn)平臺來驗(yàn)證CFD方法的有效性，該實(shí)驗(yàn)平臺分為3個(gè)部分：發(fā)熱系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。將質(zhì)量流量設(shè)為0.5g/s、1g/s、1.5g/s和2g/s，然后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)中所采用的加工儀器以及液冷板如圖3(b)所示，在仿真模型基礎(chǔ)上，在基礎(chǔ)液冷板尺寸上增加7mm寬度來添加螺栓孔，因此實(shí)際液冷板尺寸是154mm×79mm×6mm。圖3

實(shí)驗(yàn)平臺與液冷板模型實(shí)驗(yàn)過程如圖4所示，實(shí)驗(yàn)儀器主要有溫度采集儀(LD5200)、電源(SS-1003)、恒溫箱(SPX-150B)、流量計(jì)(LZB-4WB)、蠕動泵(550)、恒溫水浴鍋(HH-4)、計(jì)算機(jī)等。恒溫箱控制溫度，恒溫水浴鍋提供恒定溫度的冷卻液。智能蠕動泵將冷卻液帶入轉(zhuǎn)子流量計(jì)。質(zhì)量流量通過轉(zhuǎn)子流量計(jì)與液冷板模型進(jìn)口相連接來改變其大小。此次采用的冷卻液無雜質(zhì)。另外，本實(shí)驗(yàn)采用鋁塊和加熱棒來替代電池。使用5個(gè)PT100熱電阻來測量溫度，圖5展示了溫度采集點(diǎn)的布置形式。通過溫度采集儀對得到的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和保存。為了保證25℃的恒溫環(huán)境，將實(shí)驗(yàn)裝置放入恒溫箱。圖4

實(shí)驗(yàn)平臺的搭建及原理圖1—電源；2—培養(yǎng)箱；3—流量計(jì)；4—蠕動泵；5—恒溫水浴鍋；6—計(jì)算機(jī)；7—溫度控制器；8—鋁塊和液冷板圖5

液冷板上5個(gè)測溫點(diǎn)的分布圖通過表2得出不同流量下實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果間的誤差小于5%，因此仿真結(jié)果可靠。表2

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對比3結(jié)果與討論3.1導(dǎo)流孔與導(dǎo)流翅片個(gè)數(shù)的討論液冷板是對稱的結(jié)構(gòu)，因此只在一側(cè)隔板上增設(shè)導(dǎo)流孔，另一側(cè)則做相同變化。可以通過在隔板上增設(shè)導(dǎo)流孔的方式來減小冷卻液的流動距離，從而達(dá)到降低壓降的效果。將隔板命名為隔板A、隔板B、隔板C，如圖6所示。在隔板上增加1～2個(gè)長度為2cm，寬度與隔板相同的導(dǎo)流孔，共8種組合情況，如表3所示。對得到的8種組合進(jìn)行仿真得出每個(gè)組合的、和FOM值如圖7所示。通過圖7得到當(dāng)組合方式為時(shí)綜合性能最佳。圖6

液冷板內(nèi)隔板名稱表3

8種組合形式圖7

8種組合方式的液冷板仿真結(jié)果在上述基礎(chǔ)上，將鋁塊進(jìn)行分割，如圖8所示，得到多個(gè)導(dǎo)流翅片，使冷卻液二次分流，增加液冷板與冷卻液的熱交換面積。觀察圖9得知，當(dāng)翅片數(shù)量增加時(shí)，略有起伏，則不斷增大，而有11個(gè)翅片時(shí)，綜合評價(jià)指標(biāo)FOM最大，此時(shí)綜合性能最好，故組合方式為，其為36.641℃，為11.644Pa，相較于初始結(jié)構(gòu)，和分別降低了0.682℃和13.846Pa。圖8

導(dǎo)流翅片的分割形式圖9

導(dǎo)流翅片個(gè)數(shù)的影響3種液冷板的溫度云圖和流速云圖，如圖10所示。從溫度云圖得知，相對于傳統(tǒng)液冷板結(jié)構(gòu)和新型液冷板結(jié)構(gòu)，優(yōu)化液冷板結(jié)構(gòu)具有更均勻的溫度分布。從流速云圖可以得知，這種結(jié)果是因?yàn)閭鹘y(tǒng)液冷板結(jié)構(gòu)的流量分布不均，存在一些死流區(qū)域，而新型液冷板結(jié)構(gòu)添加了隔板以減緩冷卻液的流速所致。優(yōu)化液冷板結(jié)構(gòu)由于添加了導(dǎo)流孔和導(dǎo)流翅片，死流區(qū)域明顯減少，溫度分布更均勻。圖10

液冷板優(yōu)化前后的溫度云圖和流速云圖3.2基于多目標(biāo)優(yōu)化方法的導(dǎo)流孔的結(jié)構(gòu)優(yōu)化基于目前的優(yōu)化液冷板結(jié)構(gòu)為，本節(jié)將對4個(gè)導(dǎo)流孔進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化。以隔板上4個(gè)導(dǎo)流孔(分別命名為m、n、p、q)作為優(yōu)化變量，從而通過對4個(gè)導(dǎo)流孔的位置分布的討論來優(yōu)化液冷板的平均溫度和壓降。本研究所采用的方法為最優(yōu)拉丁超立抽樣設(shè)計(jì)，以應(yīng)用于探究圖11中包括4個(gè)導(dǎo)流孔在內(nèi)的設(shè)計(jì)變量。其中，m距離隔板A起始處長度為，n距離隔板B起始處長度為，p與n之間的距離為，q距離隔板C起始處長度為。上述變量的值范圍可參見表4。圖11

設(shè)計(jì)變量參數(shù)示意圖表4

變量的名稱及其取值范圍在變量空間中隨機(jī)選取52個(gè)樣本點(diǎn)，分布圖如圖12所示。對樣本點(diǎn)進(jìn)行仿真模擬可以得到每個(gè)樣本點(diǎn)對應(yīng)的響應(yīng)值平均溫度和壓降，對應(yīng)關(guān)系見表5。、的計(jì)算公式為圖12

樣本點(diǎn)分布圖表5

樣本點(diǎn)與其對應(yīng)的響應(yīng)值(11)(12)其中，和分別表示和關(guān)于自變量(，，，)的函數(shù)；和分別表示和的誤差。為了判斷擬合精度，計(jì)算計(jì)算模型的樣本決定系數(shù)：如果<0.9，表示該模型不合格；如果≥0.9，則表示該模型合格。由圖13所示，通過函數(shù)關(guān)系式得到平均溫度與壓降的樣本決定系數(shù)值分別為0.95644和0.99757，滿足要求，因此該模型可以用于下一步的算法優(yōu)化。表6為實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測值的相關(guān)參數(shù)。圖13

響應(yīng)值和的擬合精度表6

預(yù)測值與實(shí)際值的相關(guān)參數(shù)表由ASA算法(基于模擬退火算法改進(jìn)的自適應(yīng)模擬退火算法)通過對原始模型產(chǎn)生擾動得到新模型，然后根據(jù)Metropolis接受準(zhǔn)則來確定新模型的接受概率，接受概率表達(dá)式如下：(13)式中，為新解目標(biāo)函數(shù)值；表示初始解目標(biāo)函數(shù)值；表示溫度值。經(jīng)過ASA算法尋優(yōu)后，得到最優(yōu)設(shè)計(jì)變量的參數(shù)為：=26.907mm，=3.276mm，=0mm，=19.709mm。此時(shí)=36.55℃，=10.31Pa。對上述得到的優(yōu)化液冷板結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬得到仿真結(jié)果，然后與ASA算法得到的預(yù)測值進(jìn)行對比，結(jié)果如表7。由計(jì)算得知預(yù)測結(jié)果與仿真結(jié)果之間的相對誤差值均小于2%，說明了預(yù)測結(jié)果的可靠性。本次優(yōu)化得到的液冷板結(jié)構(gòu)與初始液冷板相比降低0.728℃(1.95%)，降低14.992Pa(58.82%)。圖14展示出了初始結(jié)構(gòu)與優(yōu)化結(jié)構(gòu)的溫度云圖與壓力云圖。觀察溫度云圖得知，優(yōu)化后液冷板的高溫區(qū)域減少，溫度分布更加合理；觀察壓力云圖得知，優(yōu)化后液冷板的壓降降低，通過改變導(dǎo)流孔位置可以適當(dāng)?shù)亟档蛪航?。?

預(yù)測值與仿真值的對比圖14

多目標(biāo)優(yōu)化前后溫度云圖變化3.3基于正交實(shí)驗(yàn)的液冷板優(yōu)化結(jié)構(gòu)在上述最優(yōu)的液冷板結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，本節(jié)將對導(dǎo)流翅片的角度以及開口寬度進(jìn)行討論。由于液冷板是對稱結(jié)構(gòu)，本次只對一側(cè)的翅片進(jìn)行變化，另一側(cè)做相同的變化即可。由圖15所示，將4排翅片分別命名為組D、組E、組F、組G，4組翅片與垂直方向的夾角為、、、，夾角的大小設(shè)置為70°、80°、90°、100°、110°共5個(gè)等級。其次在每個(gè)翅片的中間開口，開口寬度為W，W的取值設(shè)置為0mm、2mm、4mm、6mm、8mm。然后列出5因素5水平的正交表如表8所示，共25組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以與為評價(jià)指標(biāo)對每組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行仿真模擬，最后通過極差分析得到最優(yōu)結(jié)構(gòu)。圖15

各因素示意圖表8

25組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及仿真結(jié)果通過表8內(nèi)的數(shù)據(jù)，根據(jù)下列公式可得到評價(jià)指標(biāo)的極差分析結(jié)果：(14)(15)(16)(17)(18)其中，i表示水平，j代表因素；是某一實(shí)驗(yàn)結(jié)果；是相同水平的實(shí)驗(yàn)結(jié)果之和；n表示水平的個(gè)數(shù)；則為方差。對液冷板平均溫度與壓降的極差與方差分析，由表9可知對液冷板平均溫度影響從大到小依次為，對應(yīng)的最佳組合為W(3)α1(1)α2(1)α3(2)α4(1)，命名為U；當(dāng)考慮到壓力損失時(shí)，由表10可知各因素對壓降影響程度的順序?yàn)椋瑢?yīng)的最佳組合為W(5)α1(2)α2(3)α3(3)α4(2)，命名為V。通過計(jì)算得到組合U和組合V的FOM值分別為1.794和1.859，因此選擇組合V。組合V與組合U的溫度云圖與壓力云圖如圖16所示，壓力云圖直觀地反映出了組合V的壓降明顯低于組合U。對比組合V與初始液冷板，組合V的與分別降低了0.869℃(2.33%)和18.257Pa(71.62%)。圖16

2種組合的溫度云圖與壓力云圖3.4冷板特性分析根據(jù)圖17，將4種不同結(jié)構(gòu)的液冷板分別命名為case0(傳統(tǒng)液冷板)、case1(初始液冷板)、case2(3.1節(jié)中得到的優(yōu)化液冷板)、case3(3.3節(jié)中得到的最優(yōu)液冷板)，然后討論4種液冷板結(jié)構(gòu)的、和FOM

3個(gè)指標(biāo)隨雷諾數(shù)的變化情況。圖17

4種液冷板結(jié)構(gòu)3.4.1不同液冷板結(jié)構(gòu)的熱特性分析是對流熱量和傳導(dǎo)熱量的比值，它是無量綱常數(shù)，越大，傳熱性能越好。圖18展示了4種液冷板的值隨雷諾數(shù)Re(100～400)變化的趨勢。圖18

4種液冷板結(jié)構(gòu)的值隨雷諾數(shù)變化趨勢由圖18可知，4種液冷板結(jié)構(gòu)均呈現(xiàn)出隨著雷諾數(shù)的增加，努塞爾數(shù)也逐漸增加的趨勢。相比之下，傳統(tǒng)液冷板結(jié)構(gòu)case0的值最小，這表示在對流換熱方面?zhèn)鹘y(tǒng)結(jié)構(gòu)還存在不足。其原因包括傳統(tǒng)直通道液冷板結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致冷卻液在液冷板內(nèi)滯留時(shí)間短，使得換熱時(shí)間較少；還包括傳統(tǒng)液冷板結(jié)構(gòu)的液冷通道面積小，造成換熱面積減少。結(jié)構(gòu)case1的值隨著雷諾數(shù)增加不斷增大，因?yàn)閏ase1液冷板在傳統(tǒng)液冷板基礎(chǔ)上添加了隔板，這就使得冷卻液在液冷板內(nèi)滯留的時(shí)間變長，延長了換熱時(shí)間。結(jié)構(gòu)case2、case3是在case1的基礎(chǔ)上通過增設(shè)導(dǎo)流孔和翅片的方式來進(jìn)一步優(yōu)化，優(yōu)化后使冷卻液在液冷通道中形成二次分流，增加換熱面積，所以case2和case3的值比case1的大。從圖18可知，當(dāng)雷諾數(shù)的取值大于250時(shí)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)case3的值最大。3.4.2壓降特性分析液冷板所需要的泵功率能夠通過壓降的大小來反映，泵功率越小，所需的壓降越小，代表外部給液冷板供給的能量越小。如圖19所示，展示了4種液冷板結(jié)構(gòu)中壓降隨雷諾數(shù)(100～400)的變化。圖19

4種結(jié)構(gòu)的壓降隨雷諾數(shù)的變化趨勢根據(jù)圖19得知，當(dāng)雷諾數(shù)增加時(shí)，4種結(jié)構(gòu)(case0、case1、case2、case3)的壓降均呈現(xiàn)出上升的勢頭。這是因?yàn)殡S著冷卻液質(zhì)量流量增加，會導(dǎo)致通道內(nèi)的翅片對冷卻液造成阻流，使流動阻力變大，所以壓降增加。相比之下，結(jié)構(gòu)case1壓降最大，因?yàn)楦舭宓奶砑訉?dǎo)致冷卻液流動距離加長。結(jié)構(gòu)case2、case3的壓降比case1低，是因?yàn)樵诮蛋迳咸砑恿藢?dǎo)流孔并優(yōu)化了翅片結(jié)構(gòu)，使得部分冷卻液流動距離大大減小。當(dāng)雷諾數(shù)取值在100～300時(shí)，結(jié)構(gòu)case3的壓降最小。3.4.3綜合性能的分析本節(jié)將討論