案例-基于Fluent的铝氧化银电池冷却结构设计
铝氧化银电池冷却结构设计需要综合考虑换热功率与结构压损因素，利用Fluent软件对某铝氧化银电池冷却结构进行传热数值模拟，得到冷却结构流体的压力、温度分布，并计算得到散热功率及压损，从而辅助电池冷却结构设计。
1. 介绍
铝氧化银电池的冷却结构是在电池壳体内表面与电池本体之间形成的一个夹层结构，为增加流体管程，通常设计为一种螺旋流道结构，如图1 所示。在电池使用过程中，高温电解液在冷却结构内流动，通过对流传热的方式，将热量传导到壳体上，进一步传导到外界海水中。
图1 铝氧化银电池冷却结构示意图
冷却结构设计的评价指标有：散热功率，结构压损。高散热功率与低压损常常存在矛盾，因此铝氧化银电池冷却结构设计变得十分繁琐，其冷却结构设计一般采用经验系数法，再经过试验验证、反复迭代，设计周期长。运用Fluent软件对铝氧化银电池冷却结构进行数值模拟，得到冷却结构流体的压力、温度分布，计算得到散热功率及压损。分析不同结构参数冷却结构的散热功率与系统能耗，辅助电池冷却结构设计，缩短电池研制周期，降低研制费用。
2. 理论基础
跟以往一样，主攻案例介绍，理论带过。希望学习理论的伙伴，对应的理论自行查询。
主要模拟电池壳体冷却结构中流体的流动与传热情况，流体运动受物理守恒定律的支配，包括质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律；控制方程为连续性方程、动量。
3. 建模仿真
影响铝氧化银电池冷却结构性能的参数有：螺旋流道头数，螺旋流道筋高。螺旋流道头数越多，流体管程越长，散热功率越大，但流体压损也会相应增加；螺旋流道筋高越大，流体压损越小，但流速降低，散热功率相应降低。因此，铝氧化银电池冷却结构设计，主要是设计螺旋流道头数与螺旋流道筋高。
3.1 模型建立及网格划分
对三种不同设计参数冷却结构进行仿真分析：m-H、n-H、n-L。m、n为螺旋流道头数，H、L为螺旋流道筋高，模型示意图见图2。
图2 二维几何模型示意图
铝氧化银电池工作过程中，高温电解液在冷却结构内流动，通过对流传热的方式，将热量传导到壳体上，进一步传导到外界海水中。因此冷却结构仿真模型需要建立内部流体域(电解液)、固体域(壳体)、外部流体域(外界海水)。模型各部分均采用非结构cooper网格进行划分，三种冷却结构网格数量分别为365万、495万、418万。网格示意图如图3所示。
图3 网格模型
3.2 物性参数
内部流体域为电解液，固体域为铝合金，外部流体域为海水，其物性参数如表1所示。
表1 材料参数
3.3 边界条件及求解参数设置
电解液入口和海水入口均采用速度入口(velocityinlet)，两个出口(电解液出口和海水出口)均设定为压力出口(pressure-outlet)。具体设置如下：海水流速30.8m/s，海水入口温度283.15K，电解液流速为0.0065、0.0129、0.0193m/s，电解液入口温度353.15K
所有流固交界面均采用无滑移固璧，热力学边界选择共轭换热(coupled)
压力-速度耦合模式选择SIMPLE
压力、动量和能量采用二阶迎风格式
湍动能和湍流扩散率采用二阶迎风差分
所有松弛因子均保留Fluent软件默认值
湍流模型选择标准k-ε湍流模型，壁面函数采用标准壁面函数
能量方程的残差设为10－6，其余残差设为10－3
3.4 计算结果
电池壳体冷却结构的模拟主要关注内部流域的压力和温度分布，并计算内部流域的压降与散热功率。
散热功率的计算方法为：
P = cmΔT
式中：c为电解液比热容，J/(kg · K)；m为电解液质量流量，kg/s；ΔT为进出口温差，K。
按照系统设计，内部电解液流量范围在5~15 m3/h。选择5、10、15 m3/h进行仿真分析，三种几何模型、三种电解液流量共计九种工况，如表2 所示。
表2 计算结果
流体域压力分布如图4所示(工况3-3为例)，由图可知：电解液进出口之间总压损约为193.92 kPa，其中螺旋流道压损约为152.83 kPa，舱段压损、后舱段压损占比较小。内部流域的主要压损集中在冷却结构段，螺旋流道压力下降明显。其原因为：舱段与后舱段处流体截面积大，流体流速慢，压损较小；螺旋流道段流体流速较快，流程较长，压损占比较大。
图4 工况3-3压力分布
计算流体域的温度分布如图5所示(工况2-2为例)，由图可知：电解液温度下降主要集中于螺旋流道段，即电池的主要散热区域在螺旋流道段。其原因为：高温流体进入螺旋流道，流速大、对流传热系数大；因此铝氧化银冷却结构的设计重点集中在螺旋流道结构处。另外图中海水域温度变化较小，证明海水域厚度可以满足仿真需要。
图5 工况2-2温度分布
4. 总结
不同工况下散热功率如图6所示，不同工况下冷却结构压损如图7所示。
图6 不同工况下散热功率
图7 不同工况下冷却结构压损
由计算结果可知：
由图6可知，同一冷却结构模型，系统流量越大，散热功率越大；给定流量下，对比m-H、n-H冷却结构，螺旋流道头数越多，散热功率越小；对比m-H、m-L冷却结构，冷却流道筋高越小，散热功率越小。即螺旋流道头数越少、筋高越大的冷却结构散热功率越大。
由图7可知，同一冷却结构模型，系统流量越大，冷却结构的压损越大；给定流量下，对比m-H、n-H冷却结构，螺旋流道头数越多，压损越小；对比m-H、m-L冷却结构，冷却流道筋高越小，压损越大。即螺旋流道头数越多、筋高越大的冷却结构压损越小。
对比m-H和n-H两个模型，可以看出，10、15 m3/h电解液流量下，散热功率比值为1∶0.77、1∶0.83，电解液的压损比值为1∶0.58、1∶0.59，即在相同的能耗下，采用n-H模型能获得更大的散热效果。
采用n-H参数作为某铝氧化银电池冷却结构，加工电池壳体进行试验验证，散热功率与流体压损与仿真结果吻合较好，实际电池经过实行试验考核，满足使用要求。
需要指出，上述冷却结构仿真参数的选择结合了以往设计经验，螺旋流道头数、螺旋流道筋高范围与总体系统设计参数有关，在不同参数范围内可能存在不同规律。但毋庸置疑，仿真结果能够为冷却结构设计提供指导与参考。
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