Simcenter STAR-CCM+ 圆柱卷绕电芯的异向性导热率设定
2023-01-18T06:18:18.000-0500
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摘要
圆柱电芯主要由正极、负极与隔离卷绕加工。为精确进行热仿真，它的导热率可视为异向性导热率 (anisotropic thermal conductivity)。本报告说明圆柱卷绕电芯异向性导热率设定操作方式。并举例说明导热率对温度分布影响。
详细信息
1.背景:
电芯主要功能为储能设备，我们除了关注电芯充放电特性，还有它的热特性。电芯充放电过程为化学氧化还原反应，反应效率与温度有关，同时会有生成热。生成热传递遵循传热三个路径分别为传导、对流与辐射，在本报告我们仅关注热传导。圆柱电芯主要由正极、负极与隔离卷绕加工 (Fig 1)。它的导热率可视为异向性导热率。
Fig 2
在物理模型，导热率设定选择横剖面是等向性(Tranverse Isotropic) (Fig 4)，在横剖面形状即是Fig 3卷绕圆柱面，在此层有较高的导热率，在此我们假设为40 W/m-K，与此圆柱面垂直方向有较低的导热率，在此我们假设为0.4 W/m-K，两者差距100 倍。
定义主轴方向: 首先选取电芯内侧圆柱面Inner (Fig 6)，此曲面将作为轴向方向定义。创建自定场函数Axis_Vector(Fig 7)。定义如下:interpolateDirection(@Part("Body 1.Inner"), @Representation("Geometry"), BACKWARD) 。
电芯导热率空间分布结果如Fig 11所示，电芯导热率坐标系统遵循绝对坐标系统即卡氏坐标，没有圆柱坐标可以提供设定。Kxx为电芯导热率在X轴方向分布，与X轴平行有较低导热率，此方向为径向方向。Kxx为电芯导热率在Y轴方向分布，与Y轴平行有较低导热率，此方向与径向方向平行。从电芯导热率空间分布可知，在径向方向，存在较低导热率分布。平行Kzz为电芯导热率在Z轴方向分布，存在较高导热率分布。
我们设定两种热源分布场景，说明异向性导热率对传热影响。环温均为300 K, 对流换热系数为 5 W/m^2-K。
<Case 1> 高温热源边界在圆柱面中央，半径为2 mm 圆面，温度为350 K，如Fig 12所示。
模拟分析收敛结果如Fig 13所示，左图为圆柱表面温度分布，显示高温热源往圆柱坐标高度方向与切向方向扩散。右图为圆柱体内切面温度分布结果，温度往径向方向扩散相对较困难，因为径向方向导热率较低。
<Case 2> 高温热源边界在圆柱底部，为1 mm 环状几何，温度为350 K，如Fig 14所示。
模拟分析收敛结果如Fig 15所示，左图为圆柱表面温度分布，显示高温热源往圆柱坐标高度方向与切向方向扩散。右图为圆柱体内切面温度分布结果，温度往高度方向扩散相对容易，因为高度方向导热率较高。
(1) 根本报告说明圆柱卷绕电芯异向性导热率设定。使用场函数获得主轴矢量。
(2) 根据两种热源分布场景案例，可知异向性导热率对传热影响，因此正确材料参数设定对于热模拟有其重要性。
(3) 本案例截图是用2021.1 (16.02)展示，在不同软件版本图示与说明会存在微小差异。
电芯主要功能为储能设备，我们除了关注电芯充放电特性，还有它的热特性。电芯充放电过程为化学氧化还原反应，反应效率与温度有关，同时会有生成热。生成热传递遵循传热三个路径分别为传导、对流与辐射，在本报告我们仅关注热传导。圆柱电芯主要由正极、负极与隔离卷绕加工 (Fig 1)。它的导热率可视为异向性导热率。
Fig 1
- Solution
Fig 2
Fig 3
在物理模型，导热率设定选择横剖面是等向性(Tranverse Isotropic) (Fig 4)，在横剖面形状即是Fig 3卷绕圆柱面，在此层有较高的导热率，在此我们假设为40 W/m-K，与此圆柱面垂直方向有较低的导热率，在此我们假设为0.4 W/m-K，两者差距100 倍。
Fig 4
Fig 5
定义主轴方向: 首先选取电芯内侧圆柱面Inner (Fig 6)，此曲面将作为轴向方向定义。创建自定场函数Axis_Vector(Fig 7)。定义如下:interpolateDirection(@Part("Body 1.Inner"), @Representation("Geometry"), BACKWARD) 。
Fig 6
Fig 7
创建矢量视图，在电芯中央做切面，矢量结果如Fig 8所示，Fig 9为局部放大，矢量方向与圆柱坐标径向(radial axis)一致。
Fig 8
Fig 9
在张量坐标系管理，创建局部方向管理系统，在主轴设定(principal Axis)选择先前创建场函数 Axis_vector (如Fig 10)。
Fig 10
电芯导热率空间分布结果如Fig 11所示，电芯导热率坐标系统遵循绝对坐标系统即卡氏坐标，没有圆柱坐标可以提供设定。Kxx为电芯导热率在X轴方向分布，与X轴平行有较低导热率，此方向为径向方向。Kxx为电芯导热率在Y轴方向分布，与Y轴平行有较低导热率，此方向与径向方向平行。从电芯导热率空间分布可知，在径向方向，存在较低导热率分布。平行Kzz为电芯导热率在Z轴方向分布，存在较高导热率分布。
Fig 11
我们设定两种热源分布场景，说明异向性导热率对传热影响。环温均为300 K, 对流换热系数为 5 W/m^2-K。
<Case 1> 高温热源边界在圆柱面中央，半径为2 mm 圆面，温度为350 K，如Fig 12所示。
模拟分析收敛结果如Fig 13所示，左图为圆柱表面温度分布，显示高温热源往圆柱坐标高度方向与切向方向扩散。右图为圆柱体内切面温度分布结果，温度往径向方向扩散相对较困难，因为径向方向导热率较低。
Fig 12
Fig 13
<Case 2> 高温热源边界在圆柱底部，为1 mm 环状几何，温度为350 K，如Fig 14所示。
模拟分析收敛结果如Fig 15所示，左图为圆柱表面温度分布，显示高温热源往圆柱坐标高度方向与切向方向扩散。右图为圆柱体内切面温度分布结果，温度往高度方向扩散相对容易，因为高度方向导热率较高。
Fig 14
Fig 15
3. Summary:(1) 根本报告说明圆柱卷绕电芯异向性导热率设定。使用场函数获得主轴矢量。
(2) 根据两种热源分布场景案例，可知异向性导热率对传热影响，因此正确材料参数设定对于热模拟有其重要性。
(3) 本案例截图是用2021.1 (16.02)展示，在不同软件版本图示与说明会存在微小差异。