泡沫铝/石蜡复合相变材料蓄热性能数值研究

在能源危机的时代背景下,绿色新能源汽车行业发展迅猛。作为电动汽车、混合动力汽车及燃料电池汽车蓄能装置中的核心元件,大容量锂离子动力电池愈发广泛地受到重视。在影响锂电池工作性能的各项指标当中,温度条件尤为重要。合理的温度环境是提高电池工作可靠性和延长电池寿命的关键所在,因此对电池进行有效的热管理势在必行。采用相变材料(PCM)的热管理系统具有蓄热量大、系统体积小、结构简单和无需消耗额外能量等优点,因此其应用前景广阔。相变材料的蓄热特性决定了热管理系统的性能优劣,本文首先对单质石蜡相变材料和泡沫铝/石蜡复合相变材料的蓄热性能进行了实验研究,对比了不同工况下的相变响应时间、温度分布和蓄热时间。实验数据表明,相较于单质石蜡,复合相变材料的相变响应时间更短,温度分布也更为均匀。此外,实验数据表明在7000 W/m2、12000 W/m2、15000 W/m2这三种加热工况下,复合相变材料的蓄热时间比单质石蜡分别缩短了35.35%、22.14%、39.90%。鉴于实验测点的局限性,无法全面获得相变材料整个蓄热过程中相变界面与温度场、速度场的变化,以及传热因素的影响作用,因此,本文重点通过数值模拟手段,建立符合真实泡沫铝骨架结构特征的物理模型并对其蓄热过程进行数值分析。分别采用面中心法(FCC)和体中心法(BCC)构造了不同的泡沫铝骨架模型,该骨架模型可按计算需求改变孔隙率和孔隙尺度。经验证,模型计算结果与实验结果吻合良好。数值计算结果表明,相变材料内的相变界面变化与速度场和骨架结构有关。泡沫铝骨架的存在对复合相变材料中速度场的发展影响较大,在高Ra数下,骨架的影响有所减弱。孔隙率也是影响复合相变材料传热特性的因素之一,孔隙率较小的复合相变材料中温度分布更为均匀,且复合相变材料的导热速率随孔隙率的增大而减小。在孔隙尺度方面,由于复合相变材料中的传热方式主要为导热,而单质石蜡中的传热方式主要为自然对流,因此复合相变材料中的泡沫铝骨架孔隙尺度增加1倍,则材料内速度最大值增长4倍,但整体传热速率有所下降,即复合相变材料的导热性能随泡沫铝骨架孔隙尺度的减小而增强。