FLUENT相变材料模拟的简单案例解析

1前言

相变材料（Phase-ChangeMaterial，PCM）是一类特殊的功能性材料，能在恒温或者近似恒温的情况下发生相变，同时伴随有较大热量的吸收或释放。PCM最初是用来作为存储热量的介质，主要目的是平衡热能的供需差异。这几年随着动力电池车的兴起，相变冷却系统也被用于电池热管理系统（BTMS）。

PCM用于BTMS时，通常是把电池组浸在PCM中，PCM吸收电池放出的热量并存储，在充电或者低温环境下释放出来，使电池组的温度维持在合理的范围，提高电池组性能。

本文用一个简单的案例展示一下PCM的工作原理。

2模型描述

建立如下100mm×20mm的二维平面模型，假设底部为50W热源，两侧为绝热面，顶部为对流换热面，环境温度26℃，对流传热系数30W/m2℃。内部填充PCM，考察热源的瞬态温度变化情况。

PCM的材料属性如下。

3求解设置

采用FLUENT的融化/凝固模型模拟PCM，开启模型。

建立新的材料，相关属性详见前面PCM。

设置底部热源面，热量密度为500W/m2。

设置顶部对流换热面。

设置两侧绝热面。

这里为了简化计算，不考虑PCM液相的流动，因此关闭流动方程的求解，只开启能量方程。由于不求解流动方程，PCM的材料属性之动力粘度将不起作用，在实际问题中要慎重考虑对流的影响。

建立一个报告型监视器，监测热源的温度，也可以用显示型监视器，只不过只能在FLUENT里显示，如果需要对数据进行其他的后处理，可以通过报告型监视器来实现，后面简单介绍一下用EXCEL来处理的过程。

初始化计算域，假设初始温度26℃，这个根据实际情况而定，对于瞬态计算，这个值很重要。

瞬态求解，时间步长10s，这里计算3000个时间步

4计算结果

本案例考虑了相变温度和相变潜热对热源温度的影响。

在相变温度分别为40℃、51℃和60℃，热源的温度变化曲线如下，可以看出在最终时刻，当PCM完全融化时，热源的最终温度不会因PCM的相变温度不同而不同，只影响融化过程中热源的瞬时温度，在靠近热源的PCM开始融化后，一段时间内热源的温度不变，处于相变温度附近，这就是相变潜热的作用。

随后逐渐向上融化，温度逐步上升，最终达到稳定。当PCM全部融化或者不再融化时和普通材料也就没有区别了，因此只要导热系数一样，最终温度都是一样的。

在相变潜热为170kJ/kg和340kJ/kg时，热源的温度变化曲线如下，可以看出，相变潜热越大，越能吸收更多热量，更能有效地减缓热源的温升，缩短了热源处于高温的时间，这对于动力电池的热管理是相当有利的。

再观察一下PCM的融化过程，自下而上。当热量足够大时，PCM可能全部融化，反之可能只有下面一部分融化，上面的不融化。

5补充TIPS

最后，简单讲解一下如何将上述设置的温度监视数据导入到EXCEL中进行后处理。

之前设置的温度监视器生成后缀为.out的文件，可以用记事本打开，内容如下，可以看出共有三列数据，分别为时间步数、计算时间和计算结果。

将这三列数据拷贝至新的记事本文件保存，以备后续导入EXCEL。

建立一个新的EXCEL数据表，通过文件方式导入数据。

根据导入指引第一步，默认。

下一步，勾选空格，这样可以区分三列数据，这一步很重要。

下一步，根据需要选择数据格式。

最后，完成导入。

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