燃料电池发动机热管理系统设计与优化

能源危机现已成为世界各国关注的话题,而在汽车行业中,各大车企对新能源汽车的研发也投入相当大的精力。新能源汽车有很多种,其中燃料电池汽车的出现使人类摆脱了对传统能源的严重依赖,具有高效率、零排放的优点。然而燃料电池汽车在产热上与其他动力源汽车之间存在较大差异,主要表现为燃料电池工作温度较低,且废热全部经热管理系统排出,导致汽车的热负荷较高。本文将通过数值模拟和实验相结合的方法,对燃料电池汽车热管理系统的主要零部件、散热模块和系统整体的散热性能展开研究。散热器散热性能的提高对提高燃料电池热管理系统的整体性能至关重要,若仅通过实验的方法研究散热器对燃料电池散热性能的影响规律,不仅研究成本高、耗费精力大,而且精度难以保证。本文将基于某款车用水散热器,利用Hypermesh前处理软件建立三维仿真模型,在FLUENT软件中应用不同的湍流模型和壁面函数组合进行计算,并对比仿真值和实验值,在误差允许的范围内,选择计算精度较高的仿真模型,为后续分析冷空气入口速度对散热器散热性能的影响奠定基础。以散热器的换热系数和压降为优化指标,以百叶窗开窗角度、翅片波距、散热带波高、散热器厚度和百叶窗间距作为优化参数,利用五水平正交试验设计和线性分析相结合的方法对仿真结果进行分析。得出结论:针对散热器换热系数,五种结构参数对其影响的显著性由高到低依次为散热器厚度、翅片波距、百叶窗开窗角度、百叶窗间距、散热带波高,并确定散热器的结构最优组合;针对空气进出口压降,五种结构参数对其影响的显著性高到低依次为散热器厚度、翅片波距、散热带波高、百叶窗开窗角度、百叶窗间距,并确定散热器的最优结构组合。在燃料电池热管理系统的优化设计中,风扇在其中发挥着至关重要的作用,它是整个流场的动力源。本文将对风扇进行流场的稳态分析以及噪声的瞬态仿真分析,通过稳态流场分析来确定风扇噪声源的位置以及激发机理,通过风扇瞬态噪声计算分析声压接收点处的声压值随频率的变化情况。选择常用的三种叶片数的工程风扇,即5叶片、7叶片和9叶片,对比流场分布和噪声值,确定最优叶片数为9。在优化散热器和风扇间距的研究中,固定散热器位置,移动风扇,改变风扇和散热器间的距离,分析进入散热器的冷却风流量随两者间距离的变化情况。结果发现,在一定的范围内改变风扇和散热器的间距,有利于增加散热器的冷却风流量,并确定最优间距为70mm。基于一维仿真软件KULI,通过改变冷却系统中前置和侧置散热器的结构,完成对燃料电池冷却系统的优化,使其满足燃料电池堆的散热需求。