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仿真模型導語據悉，為研究鋰離子電池熱特性機理，針對電池表面自然對流換熱系數展開研究，通過實驗得到了電池基本生熱參數并以此建立了單體鋰離子電池生熱模型，仿真分析了恒溫條件下不同放電電流的表面自然對流換熱系數。鋰離子電池因其高比能量特性而被廣泛應用于電動乘用車輛，其使用壽命受到自放電率、溫度等因素的制約。

根據用戶們向Ansys流體技術團隊反饋的在自然對流冷卻仿真過程中存在的問題，Ansys工程師做了系統的解答匯總。以下知識點雖然都是在Fluent中進行實現，但方法是普適的，在其它CFD軟件中計算時同樣需要注意，希望對大家有所幫助。

3.1 自然對流散熱圖2為自然對流條件下，電池模塊艙段中心截面的溫度氣流分布，其中電池模塊中上部的紅色區域溫度最高，最高可達63.4℃，電池模塊溫度沿中心向外逐漸降低，且底部電池單元的溫度比頂部電池單元的溫度低，最低約51℃。

垂直和水平排列的兩個矩形空腔中的自然對流。 自然對流的求解相當復雜，可查看文章： 使用 COMSOL 模擬自然對流的不同方法 。因此，我們希望找到一個更簡單的替代方案。在傳熱模塊中，可以選擇使用當量對流熱導率特征。使用這個功能時，空氣的有效熱導率根據水平和垂直矩形空腔的關聯式而增加，如下圖所示。 對流特征和設置的等效電導率。

多孔介質中的自然對流和傳熱研究在地熱系統、隔熱材料、食品加工以及化學反應器設計等領域具有重要意義。本文介紹了一種基于COMSOL Multiphysics軟件建立多孔介質幾何模型并模擬其內部自然對流與傳熱過程的方法。

對于自然對流的外流區域按照一般自然對流外流暢大小標準，根據不小于整體幾何最大尺度的向上方向2倍長度，向下方向1.5倍長度，前后左右方向0.5倍長度的方法進行流場創建。最大程度來減小邊界對自然對流流動的影響。

瑞利數和自然對流在自然對流中，流動是由浮力驅動的。通常情況下，浮力是由于溫度差異而產生的，但濃度梯度也可能是驅動機制。自然對流在地球科學中發揮著重要的作用。在地球的外核，自然對流產生地球的磁場，在大氣層中，它決定了世界的氣候。由于自然對流（例如在建筑物理學或電子設備中）引起的冷卻通常使用傳熱系數進行建模，傳熱系數是通過實驗或數值計算確定的。

熱對流僅能發生在流體中，而且由于流體中的分子同時在進行著不規則的熱運動，因而熱對流必然伴隨有熱傳導現象。熱對流有三種基本形式，分別是自然對流、強迫對流以及湍流。在工程應用上更注重的是流體流過一個物體表面時，流體與物體表面間的熱量傳遞過程，并將該過程稱為對流傳熱。

自然對流換熱：Nu = f(Gr,Pr) = C(Gr.Pr)的n次方 = C.R×a的n次方，對于層流換熱，n = 0.25，對于湍流換熱，n=0.33在Amesim中如上的參數可以通過軟件設定，對于特定系統，如何決定強迫對流和自然對流的比例通過如下計算：Gr/Re平方，若<<1，則忽略自然對流，若>>1，則忽略強迫對流，若≈1，則都需要考慮。

選用AL材料，對流系數是曲線值。在200℃及以上的熱導率是170W/m^2*K。環境一：設定環境溫度40℃，自然對流系數25W/m^2*℃。自然散熱面是去掉內側面的所有外側面。發熱量在10個小燈珠區域，總計設為500W。熱對流只設置在外表面。對流系數25W/m^2*℃。劃分網格，求解最高溫度。

風冷方式又分自然冷卻和強制冷卻。因此，某輕型商用純電動車型動力電池也選擇風冷方式，設計了強制冷卻和自然冷卻兩種風冷方式。強制冷卻是由鼓風機將乘員艙內被空調冷卻的25～30℃空氣抽進電池箱體，通過電池箱體內部強制對流帶走電池散發的熱量，最后排入環境中。自然冷卻無單獨冷卻系統，僅依靠自然對流散熱，該方式電池溫度高，但成本低。

強迫風冷服務器中的細密齒散熱器（左）自然散熱產品中的稀疏齒散熱器（右）我們看到，牛頓冷卻定律中，換熱面積和對流換熱系數是一個乘積的關系，要獲得最佳的散熱面積和對流換熱系數的綜合最優值，需要多次測試優化對比。由于仿真軟件的廣泛使用，在打樣測試前，為節省成本，提高效率，通常會進行仿真預測最優的散熱器設計方案。

雖然湍流在大氣和海洋中自然發生，但人類也將湍流納入了一些工程和技術過程中。讓我們在接下來的部分中了解一下湍流熱對流以及如何測量湍流熱通量。 瑞利數、普朗特數、努塞爾數與湍流熱對流的關系 湍流熱對流在工程技術和工業系統中用于傳熱和混合。湍流熱對流問題通常使用范式系統或瑞利貝納德 (RB) 對流系統來解決。以下無量綱數對于描述湍流傳熱和湍流熱對流具有很大的相關性。

一些對流的表面系數如下：空氣自然對流一般是3~10，空氣強制對流是20~100，水自然對流是200~1000，水強制對流是1000~15000，水沸騰時2500~25000，相變是10000~1000003. 輻射物體通過電磁波來傳遞能量的方式稱為輻射。因熱的原因發出輻射能的現象稱為熱輻射。

強制對流是指流體的運動是由外部運動量引起的，而自然對流是由溫度引起的密度差引起的流動。

這么說來，工頻交流電這個物理過程是獨立的，它單向地影響傳熱問題和自然對流過程，而傳熱問題和自然對流過程并不會對電流計算產生任何反作用。 我們再來看傳熱問題。電阻絲上的傳熱是個固體熱傳導過程，利用交流電場分析所獲得的熱源分布，我們只需給定熱導率、密度和熱容就可以獲得溫度的分布了。但是，水的影響還不能忽略，因為電阻絲與水之間存在熱交換。