电池热管理仿真（十一）: 内部对流换热建模

引言

在系统仿真中，电池包水冷板建模出镜率最高的应该是内部对流换热单元，以amesim为例，就是thermal-hydraulic pipe with heat exchange单元，它属于热流体库（thermal hydraulic libraray）。

 

刚接触这个单元时设置参数真不知道从何下手，点开该单元的help文档更让人头皮发麻，内部参数和外部参数一大堆，而且还有很多不知道从哪来的公式（请忽略作者是学渣的事实）。

随着不断应用发现，该类型单元其实就讲了一个简单的公式-牛顿冷却定律Q=AhT（对，就是那个脑袋被苹果砸了的牛顿，牛哥一生发现了很多定律）。虽然看公式简单，但要实现起来并不是那么容易，为了能更好的建立液冷电池模型，今天就从系统仿真角度剖析下该单元的参数设置逻辑。其他仿真软件该类单元设置原理类似，也可参考。

 

对流换热面积

amesim中该单元有三种不同的计算方法，但是管路类型只有两种，分别是圆形管路和一般结构管路。两种管路都需要定义截面积、管路容积、换热面积、水力直径和换热面积特征长度，关键参数是水利直径和换热面积。

 

有了这些参数和工质属性，软件自己会计算几个比较重要的内部参数：普朗特数、格拉晓夫数、瑞利数和雷诺数，具体公式如下：

这些参数是用来计算流量和换热量的关键参数，但是算法和计算不用用户操心，只要给出最上面的管路特征尺寸就好了。

对流换热系数

Amesim中该单元的对流换热设置无非就是两种方式：直接给出或者用努塞尔数修正。那什么叫努塞尔数修正，公式如下，其中    为工质导热系数，    为换热特征长度。

所以关键的问题就是如何计算这个努塞尔数, Amesim软件中集成了许多前辈们的经验公式，比如圆形管道的层流和湍流努塞尔数分别为：

其实计算对流换热的方法很多，而amesim中主要采用基本Nu的算法，具体可以参照help文档，这里就不具体展开了。另外你会发现这些公式都是可编辑的，自由度非常高，只要有其他仿真或者测试得到更精确的对流换热系数，就一定能在软件中实现。

“C” & “R”属性

以上讲的都是围绕“C”属性展开的，关于“C”和“R”的区别可以参照作者的前序文章系统仿真中的“阻”与“容”，最后利用heat flux计算公式：

其中t1为管道内液体温度（这里t1随子模型不同会是t3），t2为壁面温度，cearea为对流换热面积，关于kHeat有一句：note that kHeat is equal to 1.0 in case of "generic geometry" but can be set to other values in case of "predefined circular pipe"，意思说正常是1，但是可以调。

 

另外一块就是流量计算，就是计算管路的压降，之前的文章冷却回路建模也提到过流阻计算，跟计算其他类型管路流阻一样，热流管路无非就是把温度对流动的影响考虑进来了，这里就不再赘述。

 

总结

最后，该内部对流类型的单元设置可以用一张思维导图进行总结，可以参照该思维导图和help文档进行参数设置，希望对大家有所帮助。

个人感受，对流换热关键点在于对流换热系数的设置，如何准确地给定这个值，不能全依赖仿真软件，需要工程师在实际的电池热管理开发过程中通过仿真或者测试标定这个值，软件只是个工具。