《Applied Thermal Engineering》：Numerical study of curved pin-fin cross-sections for enhanced thermal–hydraulic performance in microchannel cooling
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本研究通過數(shù)值模擬分析了雙凸、三凸等曲形定子對(duì)微通道冷卻性能的影響，發(fā)現(xiàn)雙凸結(jié)構(gòu)（C2）傳熱效率最高，三凸結(jié)構(gòu)（C3）在傳熱與壓降間取得最佳平衡，其熱性能因子（TPF）最高，為電池模組等高熱通量系統(tǒng)提供了優(yōu)化設(shè)計(jì)指南。
Natthaporn Kaewchoothong | Ye Min Oo | Sarawut Gonsrang
泰國(guó)宋卡府宋卡王子大學(xué)工程學(xué)院機(jī)械與機(jī)電一體化工程系
摘要
對(duì)于現(xiàn)代高熱流系統(tǒng)而言，高效的熱量散發(fā)至關(guān)重要，而微通道冷卻技術(shù)因其緊湊的結(jié)構(gòu)和高表面積密度而備受青睞。本研究通過數(shù)值模擬研究了配備彎曲針狀鰭片的空氣冷卻微通道的熱液性能，這些鰭片具有四種不同的截面形狀：光滑的圓形基線（C1）以及包含2個(gè)、3個(gè)和4個(gè)凸葉的多凸形狀（C2–C4）。模擬在雷諾數(shù)為200–1000的條件下進(jìn)行，同時(shí)對(duì)端壁和鰭片表面施加了均勻的熱流。通過局部和平均努塞爾數(shù)（Nusselt number）、摩擦系數(shù)以及熱性能因子（TPF）來評(píng)估所得到的流動(dòng)結(jié)構(gòu)、傳熱行為和壓力損失。結(jié)果表明，引入凸形截面顯著改變了內(nèi)部流動(dòng)，增強(qiáng)了沖擊效應(yīng)，強(qiáng)化了二次渦流，并抑制了尾流區(qū)域。在所有測(cè)試的設(shè)計(jì)中，雙凸形狀（C2）表現(xiàn)出最大的傳熱增強(qiáng)效果，而三凸配置（C3）則提供了最佳的熱液平衡，并始終獲得了最高的TPF值。這些發(fā)現(xiàn)闡明了與曲率誘導(dǎo)混合相關(guān)的控制機(jī)制，并展示了如何通過定制的截面形狀來提高基于微通道的冷卻系統(tǒng)的能量效率。本研究為電池模塊、緊湊型熱交換器和高功率電子設(shè)備的先進(jìn)熱管理提供了實(shí)用的幾何指導(dǎo)原則。
引言
電動(dòng)汽車（EVs）已成為解決化石燃料枯竭和排放問題的有效途徑。作為電動(dòng)汽車的主要能源，電池對(duì)其整體性能和壽命有著重要影響[1]。在各種儲(chǔ)能技術(shù)中，鋰離子電池（LIBs）因其高能量密度、低自放電率、輕量化特性和快速充電能力而被廣泛采用[2]、[3]。
鋰離子電池的熱行為對(duì)其電化學(xué)性能和運(yùn)行安全性有顯著影響。在充放電過程中，不可逆的電化學(xué)反應(yīng)和內(nèi)部電阻會(huì)產(chǎn)生熱量，導(dǎo)致溫度升高，從而增加內(nèi)部阻抗并降低容量[4]。過高的溫度會(huì)降低性能，縮短使用壽命，甚至可能引發(fā)熱失控，導(dǎo)致火災(zāi)或爆炸[5]。為了獲得最佳性能，鋰離子電池應(yīng)在25–40°C的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行，最高溫度不應(yīng)超過55°C[6]、[7]、[8]。此外，單個(gè)電池單元之間或模塊內(nèi)部的溫差應(yīng)保持在5°C以下[7]、[8]、[9]，因?yàn)椴痪鶆虻臏囟确植紩?huì)導(dǎo)致電池單元之間的阻抗和容量不平衡，從而在循環(huán)過程中引起過充或過放，并加速電池退化[10]。因此，高效的熱管理系統(tǒng)（TMS）對(duì)于控制鋰離子電池組內(nèi)的溫度上升和空間均勻性至關(guān)重要，以確保可靠的運(yùn)行、提高安全性并延長(zhǎng)電池壽命。盡管本文的重點(diǎn)是電池，但在其他高熱流系統(tǒng)中（如電力電子設(shè)備和緊湊型能源設(shè)備）也面臨著類似的熱挑戰(zhàn)。
為了提高電池系統(tǒng)的散熱效果，已經(jīng)提出了多種冷卻技術(shù)，包括空氣冷卻[11]、[12]、[13]、相變材料（PCM）[14]、[15]、[16]以及液體冷卻[17]、[18]、[19]。其中，基于微通道的空氣冷卻技術(shù)因其緊湊的結(jié)構(gòu)、高表面積與體積比以及優(yōu)異的傳熱性能而受到廣泛關(guān)注。如圖1所示，微通道冷卻板可以集成在電池單元之間，允許冷卻劑在電池表面流動(dòng)，同時(shí)保持模塊的緊湊性。為了增強(qiáng)通道內(nèi)的對(duì)流傳熱，已經(jīng)廣泛研究了各種表面改性措施，如肋條[8]、[20]、[21]、[22]、凹坑[23]、[24]、[25]以及針狀鰭片[26]、[27]、[28]。這些結(jié)構(gòu)改善了流體混合并破壞了熱邊界層，從而提高了傳熱系數(shù)。然而，傳統(tǒng)的直線或圓形針狀鰭片往往會(huì)導(dǎo)致過大的壓力損失，從而增加泵送功率并降低整個(gè)系統(tǒng)的效率。因此，在實(shí)現(xiàn)傳熱增強(qiáng)和液壓損失之間的平衡仍然是實(shí)際冷卻應(yīng)用中的關(guān)鍵設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。
最近的研究探索了改進(jìn)的鰭片幾何形狀，包括波浪形[8]、[29]、[30]、橢圓形[31]以及彎曲針狀鰭片[26]、[32]，以定制局部流動(dòng)結(jié)構(gòu)并減少尾流的形成。彎曲針狀鰭片在生成二次渦流和改善溫度均勻性方面顯示出潛力；然而，現(xiàn)有的研究主要集中在宏觀尺度上的曲率或彎曲強(qiáng)度上。關(guān)于截面形狀對(duì)微通道內(nèi)彎曲針狀鰭片熱液行為的影響尚不完全清楚，特別是改變凸葉數(shù)量對(duì)渦流強(qiáng)度、尾流抑制、邊界層破壞以及整體熱性能因子（TPF）的影響仍不明確。
針狀鰭片插入微通道中以通過促進(jìn)流動(dòng)中斷、射流沖擊和渦流形成來增強(qiáng)對(duì)流。然而，大多數(shù)現(xiàn)有設(shè)計(jì)依賴于傳統(tǒng)的圓形、橢圓形或光滑彎曲的針狀鰭片。先前的研究主要關(guān)注整體曲率或鰭片彎曲，而截面曲率形狀（特別是多凸形狀）對(duì)局部流動(dòng)結(jié)構(gòu)和熱液權(quán)衡的影響尚未得到充分研究。特別是，改變凸葉數(shù)量對(duì)渦流強(qiáng)度、尾流抑制、邊界層破壞以及整體熱性能因子（TPF）的影響仍不清楚。為了填補(bǔ)這一研究空白，本研究首次系統(tǒng)地比較了彎曲針狀鰭片與光滑的2葉、3葉和4葉多凸截面在微通道冷卻中的性能。通過將截面凸度與潛在的混合機(jī)制以及由此產(chǎn)生的傳熱-壓力損失行為聯(lián)系起來，本研究為設(shè)計(jì)下一代高效彎曲針狀鰭片結(jié)構(gòu)提供了幾何指導(dǎo)原則。
數(shù)學(xué)公式
不可壓縮、三維流動(dòng)的控制方程包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程。這些公式忽略了粘性耗散、自然對(duì)流、輻射和體力。守恒方程表示如下。
連續(xù)性方程：
? ? u= 0
動(dòng)量方程：
ρ u ? ? u = ? ? p+ ? ? μ + μ t ? u+? u T
能量方程：
ρ c p u ? ? T = ? ?μ Pr + μ t Pr t ? T
其中
ρ
是流體密度，
是速度向量，
是粘度，
是時(shí)間。
數(shù)值驗(yàn)證
為了驗(yàn)證所采用數(shù)值方法的可靠性，將預(yù)測(cè)的努塞爾數(shù)（Nusselt number）和摩擦系數(shù)與實(shí)驗(yàn)基準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。使用Chai等人[34]報(bào)告的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果對(duì)壁平均努塞爾數(shù)（wall-averaged Nusselt number）進(jìn)行了驗(yàn)證，他們研究了在相似雷諾數(shù)條件下的針狀鰭片微通道排列中的強(qiáng)制對(duì)流現(xiàn)象。如圖9所示，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)趨勢(shì)吻合良好。
結(jié)論
進(jìn)行了詳細(xì)的數(shù)值研究，以探討多凸葉彎曲針狀鰭片幾何形狀如何影響微通道冷卻系統(tǒng)中的流動(dòng)組織、渦流發(fā)展、傳熱路徑以及整體熱液性能。主要的研究發(fā)現(xiàn)和設(shè)計(jì)啟示如下：
1. C2幾何形狀產(chǎn)生了最強(qiáng)的曲率誘導(dǎo)流動(dòng)重定向，在端壁和鰭片上產(chǎn)生了強(qiáng)烈的馬蹄形渦流和明顯的射流沖擊效應(yīng)。
生成式AI使用聲明
作者聲明在撰寫本手稿時(shí)僅使用了生成式AI工具（ChatGPT-4.0）進(jìn)行英語語言的潤(rùn)色和翻譯。所有研究想法、分析和結(jié)論均由作者獨(dú)立構(gòu)思和開發(fā)，沒有AI的參與。在語言編輯之后，作者仔細(xì)審查并驗(yàn)證了整個(gè)手稿的完整性。
CRediT作者貢獻(xiàn)聲明
Natthaporn Kaewchoothong： 寫作 – 審稿與編輯、初稿撰寫、可視化、軟件開發(fā)、方法論、數(shù)據(jù)管理、概念化。
Ye Min Oo： 驗(yàn)證、軟件開發(fā)、方法論、正式分析。
Sarawut Gonsrang： 驗(yàn)證、方法論、正式分析、數(shù)據(jù)管理。
資助
本研究得到了宋卡王子大學(xué)[Grant No. ENG6802002S]的支持。
利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的競(jìng)爭(zhēng)性財(cái)務(wù)利益或個(gè)人關(guān)系可能影響本文報(bào)告的工作。
致謝
本研究得到了宋卡王子大學(xué)工程學(xué)院機(jī)械與機(jī)電一體化工程系的大力支持。
