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基于液冷的车用动力电池组散热结构的研究与优化

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基于液冷的车用动力电池组散热结构的研究与优化

作者：袁锞湖南大学

学位级别：硕士

传统燃油汽车的飞速发展导致了越发严峻的能源危机与环境污染问题,电动汽车凭借其零排放、无污染的特点成为了汽车工业的主要发展方向之一。电池作为电动汽车的主要动力装置,对温度要求十分严格,其最佳工作温度在20℃～40℃之间,温度过... 详细信息

传统燃油汽车的飞速发展导致了越发严峻的能源危机与环境污染问题,电动汽车凭借其零排放、无污染的特点成为了汽车工业的主要发展方向之一。电池作为电动汽车的主要动力装置,对温度要求十分严格,其最佳工作温度在20℃～40℃之间,温度过高或过低都将损害电池的性能、寿命甚至威胁乘客的人身安全。因此,对电池热管理系统的研究与优化非常必要。本文以10×10方阵排布的18650磷酸铁锂电池作为冷却对象,将拓扑优化的方法用于流体流动与传热相结合的液冷板设计中,结合有限元技术设计出了一种新型高效的液冷板,为电池热管理方案设计提供了新的思路。将拓扑冷板应用于完整的液冷液热系统中,验证了新型冷板优秀的散热与预热效果。主要研究工作如下:基于变密度法拓扑优化理论,选取更适合流体的达西插值模型对材料参数进行插值。针对多约束和复杂目标函数的拓扑优化问题,采用MMA算法对数学模型进行求解,通过Helmholtz过滤器和双曲正切投影避免拓扑优化中存在的数值不稳定问题。以纽曼模型为基础,建立了18650磷酸铁锂电池的一维电化学-三维热双向耦合模型。经实验验证,经历一个放电周期,电池的温度误差在5%以内。对不同环境温度以及不同充放电倍率下电池的产热率和温度进行比较和分析,研究表明:由于模型进行了简化,电池内部温差极小,电池的产热率随着环境温度的降低和放电倍率的升高而升高,这是因为环境温度低会导致内阻增大,高倍率放电时电池拥有更大的电流。以最大换热量和最小压降作为目标函数建立液冷板拓扑优化数学模型,根据实际设计需求,选定加权因子比率为0.8:0.2。比较不同材料体积分数和不同进出口位置对拓扑结构散热性能和压降的影响,最终确定体积分数为0.5的斜对角进出口冷板为最终拓扑结构。建立包含液冷板在内的电池模组三维模型,比较拓扑液冷板与传统液冷板的冷却性能和压强损失。研究表明:拓扑冷板在各方面性能上都具有明显的优势。相比于自然风冷,拓扑液冷板冷却的电池模组平均温度降低了接近40%,温差减小了45%以上。改变充放电倍率、入口冷却液温度和入口流速,拓扑冷板冷却的电池模组平均温度相较于传统冷板始终低2.5℃～5℃,在温度均匀性上表现更好更稳定。在压强损失上,拓扑冷板的流道压降仅为传统冷板的40%左右。同时,拓扑冷板也具有良好的预热效果。

关键词：锂离子电池液冷电池热管理系统拓扑优化流热耦合有限元仿真

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航空发动机涡轮载荷环境的快速预测方法研究

航空发动机涡轮载荷环境的快速预测方法研究

作者：崔晟南京航空航天大学

学位级别：硕士

快速获得温度场和压力场载荷环境是航空发动机涡轮寿命预测的关键。本文通过基于数据驱动的模态分解方法对高压涡轮部件开展了快速预测研究,为涡轮载荷环境实时预测提供了途径。首先,在本征正交分解（Proper Orthogonal Decomposition,... 详细信息

快速获得温度场和压力场载荷环境是航空发动机涡轮寿命预测的关键。本文通过基于数据驱动的模态分解方法对高压涡轮部件开展了快速预测研究,为涡轮载荷环境实时预测提供了途径。首先,在本征正交分解（Proper Orthogonal Decomposition,POD）的基础上,分别采用响应面法、径向基函数、Kriging方法和BP神经网络,构建了不考虑冷却的GE-E涡轮三维流场拓扑结构的多种快速预测方法。结果表明,本征正交分解能成功地实现GE-E涡轮三维旋转流场的降阶,四种预测方法能精确预测涡轮流场结构,但在预测精度、速度等方面存在差异。在样本空间范围内点预测上,四种方法预测出的压力场和温度场误差均低于1%,在样本空间范围以外点的预测上,径向基函数和Kriging方法的表现不稳定。其次,考虑到涡轮冷却的必要性,基于稳态流热、流固耦合对Mark II跨声速高压涡轮开展了研究。结果表明,跨声速涡轮流场随进口参数表现出多种波系结构;在计算工况下,热载荷对应力、应变的影响远大于气动载荷。再次,通过POD与BP神经网络结合的降阶预测模型,对基于多场耦合的双参数影响下Mark II跨声速流场进行快速预测。研究发现,降阶预测模型能够精确快速地预测出跨声速涡轮的流场和结构场,其中温度预测误差小于2%,吸力面跨声速区是预测的难点。最后,针对上文中Mark II跨声速流场压力、马赫数的强非线性问题,基于K-means聚类算法对预测方法进行改进。结果表明,样本数充足时,无论预测工况位于样本空间范围内还是外,改进方法均能使预测误差减小16%-51%。样本数较小时,改进方法也能使预测误差减小7%-15%。推进式外推预测方法对外推问题起到改善效果。

关键词：高压涡轮本征正交分解神经网络快速预测流热耦合 K-means聚类

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排尘孔涡轮冷却叶片叶顶流动与传热研究

机械工程学报 2012年第8期48卷 122-127页

作者：虞跨海杨茜岳珠峰河南科技大学规划与建筑工程学院洛阳471003 西北工业大学材料学院西安710072 西北工业大学力学与土木建筑学院西安710072

涡轮叶片叶顶排尘孔用于清除冷气中掺杂的尘粒,以保证气膜孔和冲击孔的可靠工作,但排尘孔射流引起叶顶流动和传热问题。采用参数化方法建立有、无排尘孔涡轮冷却叶片几何模型,基于包含叶片主体、主燃气通道和三腔回流式内冷却通道的全... 详细信息

涡轮叶片叶顶排尘孔用于清除冷气中掺杂的尘粒,以保证气膜孔和冲击孔的可靠工作,但排尘孔射流引起叶顶流动和传热问题。采用参数化方法建立有、无排尘孔涡轮冷却叶片几何模型,基于包含叶片主体、主燃气通道和三腔回流式内冷却通道的全局模型,采用流热耦合数值分析,开展排尘孔对涡轮冷却叶片叶顶流动与传热问题的初步研究。研究结果表明,对比有、无排尘孔叶片,排尘孔射流可降低叶顶平均温度约25 K;冷却通道对流换热作用和叶顶排尘孔射流可使叶顶平面降温400～600 K,冷却效果与冷却通道冷气流量和尘孔结构在叶顶位置相关;排尘孔叶顶射流对叶顶间隙高温燃气泄漏具有阻碍作用,可以提高叶片总压恢复系数约0.5%～1.5%,随着冷气流量的增大,这种作用增强;尘孔结构设计应兼顾射流对叶顶流动与传热的共同影响。

关键词：排尘孔冷却叶片流热耦合叶顶泄漏叶顶冷却

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雷诺数对涡轮叶片换热影响的研究

工程力学 2012年第9期29卷 349-358页

作者：王鹏邹正平刘斌叶建周志翔李维北京航空航天大学航空发动机气动热力国家级重点实验室中国航空动力机械研究所

雷诺数的改变会引起涡轮叶片边界层等流态的改变,进而对叶片表面的对流换热产生强烈影响。该文首先结合实验数据对影响流热耦合计算精度的若干因素的敏感性进行了分析;然后在此基础上,针对MarkⅡ叶型分析了雷诺数对涡轮叶片表面换热的... 详细信息

雷诺数的改变会引起涡轮叶片边界层等流态的改变,进而对叶片表面的对流换热产生强烈影响。该文首先结合实验数据对影响流热耦合计算精度的若干因素的敏感性进行了分析;然后在此基础上,针对MarkⅡ叶型分析了雷诺数对涡轮叶片表面换热的影响。结果表明:流热耦合计算时相关参数的选择对模拟的精度有明显影响,该文针对MarkⅡ叶型得到的一套参数是合理的,相关结果与实验吻合良好;雷诺数的变化使得边界层等流动状态发生改变,从而导致涡轮叶片表面对流换热状态和温度分布产生明显的差异。

关键词：涡轮数值模拟流热耦合雷诺数计算精度

来源：博看期刊

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高超声速航空发动机强预冷技术研究

航空学报 2015年第8期36卷 2544-2562页

作者：邹正平刘火星唐海龙万敏王洪伟陈小龙陈懋章北京航空航天大学能源与动力工程学院航空发动机气动热力国家级重点实验室北京100191 先进航空发动机协同创新中心北京100191 北京航空航天大学机械工程及自动化学院北京100191

高超声速飞行器动力是水平起降重复使用高超声速飞行器和单级入轨航天器能否成功的决定性因素,但目前仍面临许多问题,而强预冷是解决高超声速飞行器动力面临的问题的重要手段。本文对比分析了国外已有预冷发动机方案,并对其中优势最为... 详细信息

高超声速飞行器动力是水平起降重复使用高超声速飞行器和单级入轨航天器能否成功的决定性因素,但目前仍面临许多问题,而强预冷是解决高超声速飞行器动力面临的问题的重要手段。本文对比分析了国外已有预冷发动机方案,并对其中优势最为明显的高超声速强预冷航空发动机的研究进展进行了总结。针对高超声速强预冷航空发动机中最为核心的紧凑快速强换热器,详细介绍了国内在其所涉及的微尺度流热耦合换热机理、流热耦合数值模拟、紧凑强换热器设计制造等方面的进展。国内外已有研究表明,强预冷高超声速航空发动机技术是一项具有非常巨大的潜在技术优势和前瞻性的共性技术,有望成为未来最适用的高超声速飞行器动力技术,值得引起关注并开展进一步的深入研究。

关键词：高超声速强预冷航空发动机紧凑快速强换热器流热耦合

一种能克服两方程湍流模型刚性的流热一体化算法

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计算物理 2009年第5期26卷 685-692页

作者：胡海洋王强北京航空航天大学能源与动力工程学院北京100083

使用流热一体化算法解决传统耦合算法难于处理的流场与固体温度场耦合计算问题.为保证其计算效率,提出一个简单有效的方法用以克服两方程湍流模型刚性.给出该方法的理论证明,并验证其配合多重网格提高LUSGS隐式时间推进法的计算效率.

关键词：流热耦合刚性两方程模型多重网格

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屏蔽式总温热电偶的稳态误差分析及改型设计

航空动力学报 2018年第11期33卷 2784-2795页

作者：杨伟平张伟昊邹正平王效葵赵俭北京航空航天大学能源与动力工程学院航空发动机气动热力国家级重点实验室北京100191 先进航空发动机协同创新中心北京100191 北京长城计量测试技术研究所计量与校准技术国防科技重点实验室北京100095

针对航空发动机排气温度高精度测试的需求,采用流热耦合的数值模拟方法研究了某型屏蔽式热电偶在马赫数为0.2、0.3、0.4、0.5、0.6五种工况下的速度误差、导热误差、辐射误差的大小和变化趋势,以及偶丝长径比、屏蔽罩进出口面积比对屏... 详细信息

针对航空发动机排气温度高精度测试的需求,采用流热耦合的数值模拟方法研究了某型屏蔽式热电偶在马赫数为0.2、0.3、0.4、0.5、0.6五种工况下的速度误差、导热误差、辐射误差的大小和变化趋势,以及偶丝长径比、屏蔽罩进出口面积比对屏蔽式热电偶稳态误差的影响规律。结果表明:在马赫数小于0.3工况下,辐射误差占总误差的比例最高;而在马赫数为0.6工况下,导热误差成为影响测温精度的最主要因素;合理地增加偶丝长径比能显著地降低导热误差,减小进出口面积比值会使速度误差增大辐射误差减少;因此,存在最佳的进出口面积比使得总稳态误差最小。最后选取了偶丝长径比为12,屏蔽罩进出口面积比为6对原屏蔽式热电偶进行了改型设计,使该屏蔽式热电偶的总稳态误差降低50%以上。

关键词：屏蔽式热电偶稳态误差偶丝长径比进出口面积比流热耦合

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辐射换热对平板气膜冷却性能影响

推进技术 2017年第3期38卷 588-596页

作者：刘友宏任浩亮北京航空航天大学能源与动力工程学院航空发动机气动热力国家级重点实验室北京100191

为了分析辐射换热对平板气膜冷却性能的影响,分别对不考虑辐射换热(耦合计算)与考虑辐射换热两种条件下的平板隔热屏进行了三维流热耦合数值模拟研究,并与绝热壁(不考虑隔热屏固壁导热)的计算结果进行了对比。辐射换热采用离散坐标法。... 详细信息

为了分析辐射换热对平板气膜冷却性能的影响,分别对不考虑辐射换热(耦合计算)与考虑辐射换热两种条件下的平板隔热屏进行了三维流热耦合数值模拟研究,并与绝热壁(不考虑隔热屏固壁导热)的计算结果进行了对比。辐射换热采用离散坐标法。得到了3种不同主/次流总温比(Rt)条件下气膜冷却效果、流场、单位面积冷流体热负荷以及流量系数的对比结果与变化规律。结果表明:气膜冷却效果沿流向逐渐降低,且随总温比的增加而降低;在展向上气膜冷却效果呈现中间高两边低的分布规律,最大与最小相对值在绝热壁条件下达到最大,为94.5%,辐射换热次之,为13.5%,不考虑辐射换热时最小,为9.8%。与不考虑辐射换热结果相比,辐射换热对气膜冷却效果的影响在流动方向逐渐变大,气膜孔附近展向温度梯度增大,冷流体热负荷增加了92.8%,二者计算的流量系数相差不大,为1.1%,与绝热壁计算结果相比,流量系数减小了13.1%。随着总温比增加流量系数减小,最大值与最小值相差不大,为1.1%。

关键词：流热耦合辐射换热隔热屏气膜冷却离散坐标法

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紧凑式强预冷换热器叉排管束的大涡模拟

航空动力学报 2021年第4期36卷 701-712页

作者：陈一鸣李泽鹏张俊强邹正平北京航空航天大学能源与动力工程学院北京100191 北京航空航天大学能源与动力工程学院航空发动机气动热力国家级重点实验室北京100191 北京航空航天大学航空发动机研究院北京100191

采用大涡模拟方法对紧凑式强预冷换热器叉排管束的对流换热问题进行了研究,并运用动力模态分解(DMD)方法对流场的拟序结构及换热统计特性进行了分析。结果表明:在计算工况内(Re≤6 000),前排管束的流动结构为有规律的剪切层运动和尾涡... 详细信息

采用大涡模拟方法对紧凑式强预冷换热器叉排管束的对流换热问题进行了研究,并运用动力模态分解(DMD)方法对流场的拟序结构及换热统计特性进行了分析。结果表明:在计算工况内(Re≤6 000),前排管束的流动结构为有规律的剪切层运动和尾涡脱落。后排管束的流动结构为无规律的小尺度旋涡结构,同时其流场表现出无序性;前排管表面瞬时努塞尔数具有较为固定的波动频率,而后排管壁由于受到前排圆管脱落旋涡的无规律撞击,其管壁瞬时Nu无固定波动频率;在Re=2 600的工况下,管束内的熵产主要来源于换热而非耗散,主要流动结构对耗散熵产和换热熵产的贡献在管壁边界层和自由剪切层位置,其对前排管的熵产有较大贡献,而对后排管熵产的贡献较小。

关键词：预冷换热器叉排管束流热耦合大涡模拟动力模态分解拟序结构