流固耦合传热优化及其应用研究

作     者：侯竣升 

作者单位：华南理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈凯

授予年度：2022年

学科分类：082304[工学-载运工具运用工程] 08[工学] 080204[工学-车辆工程] 0802[工学-机械工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：耦合传热优化 优化方程 变分原理 风冷式电池热管理系统 

摘      要：随着科学技术的不断发展,电子器件的单位体积发热量越来越大,严重影响电子器件的正常运行以及寿命。需要采用高效冷却系统对电子器件进行热管理,保证电子器件在合适的温度范围内工作。在众多的冷却方式中,对流冷却方式因换热系数高而受到重视。然而,已有基于变分原理的对流传热优化研究只针对流体区域进行传热优化,难以适用于电子器件的对流冷却系统优化。基于以上不足之处,本文以火积耗散取极值为目标,推导了包含流体和固体区域的耦合传热优化方程,研究了优化方程的性能,并将方程应用于风冷式电池热管理系统的优化,主要完成了以下研究工作:(1)以火积耗散取极值为目标,粘性耗散恒定为约束条件,考虑了流体和固体区域的耦合传热,推导了耦合传热优化方程,为流固耦合传热优化问题的求解奠定了基础。(2)以简单并行流道冷却系统为例,求解耦合传热优化方程得到对应的最佳速度场,探究了粘性耗散常数和热源强度分布对最佳速度场的影响规律。结果表明,随着粘性耗散常数增大,系统粘性耗散不断增大,热源最高温度和温差逐渐减小。最佳速度场流型随着热源强度分布的改变而改变,在不同强度分布情况下,最佳速度场对应的冷却性能均表现良好。与优化前系统相比,耦合传热优化系统热源的最高温度和温差分别降低了0.7 K和11%以上;与减阻优化系统相比,耦合传热优化系统热源的最高温度降低了1.1 K以上。(3)以风冷式电池热管理系统为例,通过实验验证了数值模拟的准确性;将耦合传热优化方程应用于风冷式电池热管理系统优化,得到最佳速度场;与仅考虑流场区域的场协同方程优化结果相比,本文得到最佳速度场的冷却性能更好,电池组最高温度和温差分别降低了0.7 K和56%。(4)基于最佳速度场,结合风冷式电池热管理系统的流阻网络模型,对风冷式电池热管理系统的并行流道宽度分布和导流板形状进行优化。结果表明,在不同进口风速情况下,与优化前原始系统相比,流道宽度优化系统在压降基本不变的情况下,使电池组温差降低71%以上;导流板形状优化系统在压降略微增大的情况下,使电池组温差降低74%以上。