逯彥紅，段國(guó)林

(1.河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津300132；2.天津職業(yè)大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，天津300410)

泡沫金屬（開口）質(zhì)量輕，比表面積大．作為換熱材料，流體流過時(shí)與流動(dòng)方向相垂直的孔棱可將邊界層隔斷強(qiáng)化流體湍動(dòng)[1,2]，增強(qiáng)湍流效果[3]，增強(qiáng)固體壁面與流體的表面換熱系數(shù)，在高強(qiáng)度電子設(shè)備散熱方面應(yīng)用前景廣闊．

目前對(duì)于泡沫金屬換熱的研究大多集中在圓形管道和二維平板方面．清華大學(xué)的姜培學(xué)等、西安交通大學(xué)的李盈海等、華中科技大學(xué)的黃志峰等利用數(shù)值分析的方法研究了在圓形管道內(nèi)填充泡沫金屬后的強(qiáng)制對(duì)流換熱效果，研究結(jié)果表明添加金屬泡沫大幅度減薄了邊界層厚度，努塞爾數(shù)增大[4?6]．中國(guó)石油大學(xué)的黃善波、徐會(huì)金等對(duì)二維結(jié)構(gòu)平板內(nèi)的對(duì)流換熱進(jìn)行數(shù)值研究，也得出了填充泡沫金屬后可以增強(qiáng)換熱的結(jié)論[7,8]．迄今為止，在矩形腔內(nèi)填充泡沫金屬散熱的研究較少，尤其是狹窄縫隙處填充泡沫金屬的散熱研究幾乎沒有報(bào)道，而新能源汽車的電池模塊等很多高強(qiáng)度電子設(shè)備都是多個(gè)單體的陣列，間隙都屬于窄間隙腔體．本文就基于在窄間隙矩形腔體內(nèi)填充金屬泡沫后的強(qiáng)制對(duì)流散熱機(jī)理進(jìn)行分析，并在電動(dòng)汽車鋰離子電池模塊中填充泡沫鋁來驗(yàn)證窄間隙矩形通道內(nèi)填充泡沫金屬后的散熱效果．

0 建模對(duì)象分析

本文研究的泡沫金屬填充于窄間隙矩形通道的情況如圖1所示，矩形通道的左右兩側(cè)為恒定熱流密度q．冷卻流體本文指空氣，從通道入口進(jìn)入，出口流出，空氣的入口溫度和入口速度均勻分布．為了消除回流的影響以及與電動(dòng)汽車電池模塊結(jié)構(gòu)的一致性，在入口處加長(zhǎng)一段空間為入口段．窄間隙泡沫金屬通道尺寸為200mm*4mm*40mm，寬高比為1:10．

圖1 矩形通道內(nèi)填充金屬泡沫的幾何模型

1 數(shù)學(xué)模型

采用Brinkman-Forchherier-extend Darcy模型和多孔介質(zhì)局部熱平衡模型．

泡沫金屬屬于多孔介質(zhì)的一種．多孔介質(zhì)模型包括連續(xù)介質(zhì)模型和非連續(xù)介質(zhì)模型．非連續(xù)介質(zhì)模型以微觀結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，計(jì)算精度高，但泡沫金屬的結(jié)構(gòu)信息獲取難度大，計(jì)算存儲(chǔ)量需求大，故一般不采用．而連續(xù)介質(zhì)模型是忽略具體孔隙結(jié)構(gòu)，通過定義微元控制體，求解包含平均孔隙率的Navier-Stocks方程組，進(jìn)而獲得近似解．ANSYS-FLUENT中的多孔介質(zhì)模塊就是基于連續(xù)介質(zhì)模型的，本文也采用連續(xù)介質(zhì)模型．

2 網(wǎng)格劃分與邊界條件

本文采用ICEM軟件進(jìn)行非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)量達(dá)106，為保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，進(jìn)行了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)．泡沫金屬采用鋁材質(zhì)，孔隙率分別取0.85、0.9和0.95三種，導(dǎo)熱系數(shù)λ為218 W/(m·K)，各向同性．假設(shè)空氣不可壓縮，密度為1.205kg/m3，無(wú)相變，忽略自然對(duì)流和輻射，忽略熱彌散．流固接觸面為靜止無(wú)滑移．上下壁面絕熱．在入口處加長(zhǎng)的入口段部分四面均絕熱．速度入口，取值從0.5m/s到3m/s，壓力出口，出口壓力為0Pa．速度壓力耦合求解采用SIMPLE算法．

利用ANSYS-FLUENT軟件多孔介質(zhì)模型求解時(shí)，兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)粘性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)的計(jì)算可按下面公式定義．

式中D和C分別表示粘性阻力和慣性阻力，K和ε分別代表多孔介質(zhì)的滲透率和孔隙率，CF為慣性系數(shù)，是無(wú)量綱數(shù)，取0.1[2]．

3 結(jié)果與分析

3.1 速度分布

窄間隙矩形通道內(nèi)充分發(fā)展階段某一界面的無(wú)量綱速度分布如圖2，um是截面平均速度．由速度分布圖可以看出，填充金屬泡沫后，窄間隙矩形通道內(nèi)速度分布更均勻，說明填充金屬泡沫后，通道內(nèi)邊界層厚度減小，這與文獻(xiàn)[8]中報(bào)道的平板內(nèi)流體通過泡沫金屬和文獻(xiàn)[9]中報(bào)道的圓形管道內(nèi)填充泡沫金屬的速度分布和邊界層厚度變化趨勢(shì)一致．但由于窄間隙矩形通道的長(zhǎng)寬比值太小，本文模型的寬高比值為0.1，所以截面速度分布沒有圓形管道和平板內(nèi)填充泡沫金屬的速度分布均勻性改善明顯．

3.2 表面換熱系數(shù)

多孔泡沫金屬的強(qiáng)化傳熱主要是通過增強(qiáng)流體與多孔泡沫金屬的對(duì)流傳熱來實(shí)現(xiàn)的，所以研究多孔泡沫金屬窄間隙矩形通道內(nèi)固體項(xiàng)和流體項(xiàng)兩相界面間的對(duì)流傳熱系數(shù)對(duì)于分析多孔泡沫金屬?gòu)?qiáng)化傳熱性能具有重要意義．由圖3可以看出，在等熱通量條件下，窄間隙矩形通道內(nèi)添加泡沫金屬后，同樣的入口速度下，表面換熱系數(shù)增大約10倍．同樣的入口速度下，孔隙率越小，表面換熱系數(shù)越大．因?yàn)榭紫堵蕼p小，意味著固體骨架增多，流體與固體界面之間的比表面積增大，導(dǎo)熱增強(qiáng)，換熱能力提升．這與文獻(xiàn)[10]報(bào)道的研究結(jié)果相符．

圖2 截面無(wú)量綱速度分布

圖3 表面換熱系數(shù)的變化

3.3 努塞爾數(shù)

努賽爾數(shù)（Nusselt number）是表示對(duì)流換熱強(qiáng)烈程度的無(wú)量綱準(zhǔn)數(shù)，是流體層流底層的導(dǎo)熱阻力與對(duì)流換熱阻力的比值，Nu越大，表示換熱系統(tǒng)的對(duì)流換熱能力越強(qiáng)．由圖4可以看出，添加泡沫金屬后，窄間隙矩形通道內(nèi)的努塞爾數(shù)相比不填充泡沫金屬時(shí)大幅增大，說明對(duì)流換熱強(qiáng)度明顯增強(qiáng)．這是由于空氣流過通道時(shí)，受到泡沫金屬?gòu)?fù)雜孔棱的擾動(dòng)，空氣流速的大小和方向不停地發(fā)生改變，增強(qiáng)了湍流效果，從而起到強(qiáng)化換熱的效果．其次是由于金屬骨架的熱導(dǎo)率高,骨架間的導(dǎo)熱和骨架與空氣間的對(duì)流換熱相互作用提高了傳熱速率．從圖5可以看出，當(dāng)滲透率一定時(shí)，隨著泡沫金屬材料孔隙率的減小，努塞爾數(shù)呈增大趨勢(shì)．分析認(rèn)為孔隙率越小，金屬泡沫的比表面積越大換熱面積增大，導(dǎo)致增強(qiáng)換熱．而且孔隙率越小，對(duì)流空氣的擾動(dòng)越強(qiáng)，湍流程度越強(qiáng)．

圖4 努塞爾數(shù)隨入口速度的變化

圖5 努塞爾數(shù)隨孔隙率的變化

3.4 電動(dòng)汽車電池模塊的溫度分布

基于環(huán)境保護(hù)和節(jié)約能源的角度考慮，電動(dòng)汽車進(jìn)入飛速發(fā)展的階段．鋰離子動(dòng)力電池性能穩(wěn)定，可作為電動(dòng)汽車良好的動(dòng)力來源，但鋰離子電池對(duì)工作溫度非常敏感．當(dāng)電池在充放電過程中會(huì)有大量熱量產(chǎn)生，會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部溫度升高和單體電池之間溫度不均勻，造成電池性能下降，循環(huán)次數(shù)減少，壽命縮短，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響到電池的使用安全．國(guó)內(nèi)電池包的設(shè)計(jì)在這方面考慮較少．

在矩形電池間距內(nèi)填充泡沫鋁后，形成窄間隙矩形泡沫金屬空冷通道．泡沫鋁的填充長(zhǎng)度分為5種，分別是無(wú)填充、填充長(zhǎng)度占電池長(zhǎng)度的1/4、2/4、3/4、4/4．從圖6和圖7可以看出，填充泡沫金屬后對(duì)電池的最高溫度和最大溫差都有不同程度的降低．對(duì)于最高溫度，倉(cāng)內(nèi)填充泡沫鋁的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，電池最高溫度越低，最高溫度可下降4.3?C．對(duì)于最大溫差，隨著填充長(zhǎng)度的增加，先減小后增大，最多可下降3.2?C．因?yàn)樘畛涞呐菽X長(zhǎng)度越大，散熱面積也越大，與流動(dòng)方向相垂直的孔棱將邊界層隔斷強(qiáng)化流體湍動(dòng)的效果更明顯，所以填充的長(zhǎng)度越大最高溫度下降的越多．而溫度均勻性對(duì)電池包的散熱也至關(guān)重要，否則會(huì)引起個(gè)別電池性能衰減進(jìn)而引起整個(gè)電池包的動(dòng)力下降，續(xù)航里程縮短．所以利用泡沫金屬對(duì)電動(dòng)汽車電池模塊散熱的可行性與有效性得到了驗(yàn)證．

圖6 泡沫鋁對(duì)電池最高溫度的影響

圖7 泡沫鋁對(duì)電池最大溫差的影響

4 結(jié)論

（1）在窄間隙矩形通道內(nèi)填充泡沫金屬后，截面速度分布更均勻，邊界層厚度減小，湍流程度加劇，換熱效果增強(qiáng)．

（2）在窄間隙矩形通道內(nèi)填充泡沫金屬后，表面換熱系數(shù)和努塞爾數(shù)大幅增大．對(duì)于孔隙率較大的多孔材料用于窄間隙矩形通道散熱時(shí)，孔隙率的大小對(duì)換熱效果的影響不明顯．

（3）將窄間隙矩形通道內(nèi)填充泡沫金屬可加強(qiáng)散熱的原理應(yīng)用于電動(dòng)汽車電池模塊的散熱，進(jìn)一步證明了在矩形通道內(nèi)填充泡沫金屬后，散熱效果增強(qiáng)，仿真結(jié)果同時(shí)證明了該方法應(yīng)用于電動(dòng)汽車電池模塊散熱的可行性和有效性．

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