【Fluent案例25】基于Fluent的18650单电池热电耦合仿真
概述 本案例基于ANSYS Fluent中MSMD模型的NTGK电化学模型耦合热模型求解18650电池1C放电工况（放电时间3450s），案例仅用于演示，不具备实际工程意义。电池容量为2.7Ah。1建立18650电池三维模型采用ANSYS SpaceClaim2022R1软件建立18650电池三维模型，如下图所示，电池模型是固体域分为电池正极耳、负极耳和活性区域，将模型保存为 “18650.scdoc”格式。创建NS，选择tab_p图示表面，命名为tab_p，如下图所示。创建NS，选择wall_p图示表面，命名为wall_p，如下图所示创建NS，选择tab_n图示表面，命名为tab_n，如下图所示。创建NS，选择wall_n图示表面，命名为wall_n，如下图所示创建NS，选择wall_active图示表面，命名为wall_active，如下图所示。2SCDM剖分网格打开ANSYS SpaceClaim网格模式在“网格”标签页下点击“开启”，物理类型选择“流体分析”，如上图所示。点击“新增/编辑”选择e_pzone区域,，网格采用六面体，网格尺寸2mm,如下图所示。点击“新增/编辑”选择tab_nzone区域,，网格采用六面体，网格尺寸0.5mm,如下图所示。点击“新增/编辑”选择tab_nzone区域,，网格采用六面体，网格尺寸0.5mm,如下图所示。点击“质量”查看网格正交质量，最小值0.72完全满足计算要求，网格数量11757。生成主体网格文件，如下图所示。输出网格文件，选择Fluent网格，格式为.msh文件，如下图所示。3Fluent求解设置利用Fluent中的MSMD模型中NTGK电化学模型与热模型耦合对单电池进行计算。双击Fluent 2022 R1图标，以3D、Double Precision模式启动Fluent，如下所示。文件→读入→网格... 读取网格文件18650.msh读入网格，如下图所示。检查网格:点击“检查”命令，反馈信息如右下框图，网格无负体积。双击工作界面左侧的“一般”选项，时间栏设置为“瞬态”，如下图所示。在“单元区域条件”选项，将类型设置为“solid”，如下图所示。双击“电池模型”选项，启用电池模型进入模型选项，选中“NTGK经验模型”，标称电池容量2.7Ah,其余默认，如下图所示，单击OK按钮。 进入导电区域标签页,指定反应区域为e_zone,指定无源区域为tab_nzone与tab_pzone，如下图所示。进入电触点标签页，指定负极耳为tab_n，指定正极耳为tab_p，如下图所示。 此时点击对话框中的按钮打印电池系统连接信息，可以在tui窗框输出电池基本信息，如下图所示。进入模型参数标签页，参考容量设置为3Ah，其余保持默认设置，如下图所示。定义材料物性创建材料e_material，如下图所示定义材料参数，指定ElectricalConductivity为defIne-per-uds。指定uds-0的电导率为1.19e6S/m，如下图所示。指定uds-1的电导率为983000S/m，如下图所示。创建材料p_material，如下图所示指定材料参数。创建材料n_material，如下图所示指定材料参数。设置区域条件指定区域e_zone的材料为e_material，如下图所示。指定区域tab_pzone的材料为p_material，如下图所示。指定区域tab_nzone的材料为n_material，如下图所示。设置边界条件 双击“边界条件”，指定边界wall_e_zone的热通量为5 W/(m2.k)，如下图所示。将边界wall_e_zone的边界条件拷贝给边界wall_tab_nzone及wall_tab_pzone，如下图所示，点击复 制。设置求解控制方程进入控制面板，打开方程对话框，取消选择Flow与Turbulence，点击OK，如下图所示。计算监控设置，取消残差监测，设置为none，如下图所示。监测tab_p上的电压，如下图所示。监测电池最高温度，如下图所示。双击解决方案下的“初始化”，选择标准初始化，最后点击初始化。双击解决方案下的“运行计算”，设置时间步数为115，时间步长30s，最后点击“开始计算”。4监测曲线及后处理监测得到1C放电残差曲线，如下图所示。监测得到的 1C放电曲线，如下图所示。监测得到的电池1C放电最高温度变化曲线，如下图所示。查看温度云图，选择工具栏上“contour”图标。变量选择“Temperature”，最后点击“apply”结果如下图所示。从仿真结果可得到1C放电工况下，电池最高温度为305.15028K。查看正电势分布，如下图所示。查看负电势分布，如下图所示。查看电流密度矢量图分布，如下图所示。来源：CFD仿真区
