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  应用科技  2017, Vol. 44 Issue (3): 61-66  DOI: 10.11991/yykj.201609013
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引用本文  

夏萍, 颜丽华, 褚护生, 等. 基于FLUENT的PTC加热器工艺参数优化及其数值模拟[J]. 应用科技, 2017, 44(3), 61-66. DOI: 10.11991/yykj.201609013.
XIA Ping, YAN Lihua, CHU Husheng, et al. Process optimization and numerical simulation of PTC heater based on FLUENT[J]. Applied Science and Technology, 2017, 44(3), 61-66. DOI: 10.11991/yykj.201609013.

通信作者

颜丽华, E-mail:1509863558@qq.com

作者简介

夏萍(1964-), 女, 教授;
颜丽华(1992-), 女, 硕士研究生

文章历史

收稿日期:2016-09-19
网络出版日期:2017-03-29
基于FLUENT的PTC加热器工艺参数优化及其数值模拟
夏萍, 颜丽华, 褚护生, 相彬彬    
安徽农业大学 工学院, 安徽 合肥 230036
摘要:为了解决PTC加热器加热效果不明显的问题,研究了PTC加热器的最佳使用性能与湍流强度和流速的变化关系,利用计算流体动力学Fluent软件对电动汽车的PTC加热器工作过程中内部流场进行了数值模拟分析。模拟结果表明,通过提高湍流强度可以提高加热速度,减少损害;降低速度可以提高进出口温差,使加热效果更佳。实验结果与模拟结果较好吻合,验证了工艺改进方案的合理性和PTC加热器数值模拟的可靠性。
关键词PTC加热器    FLUENT    数值模拟    湍流强度    流速    可靠性    温度场    速度场    
Process optimization and numerical simulation of PTC heater based on FLUENT
XIA Ping, YAN Lihua, CHU Husheng, XIANG Binbin    
College of Engineering, Anhui Agricultural University, Hefei 230036, China
Abstract: In order to solve the problem that the heating effect of PTC heater was not obvious, the relationship between the best use performance of PTC heater and turbulence intensity and flow velocity was studied.By using the computational fluid dynamics software Fluent, the numerical simulation analysis of the internal flow of PTC heater in electric vehicle field was simulated.The results show that the increase of turbulence intensity can improve the heating rate and reduce the damage.Also the reduction of the flow velocity can improve the temperature difference between the inlet and the outlet and the heating effect is better.The experimental results show that the results are in good agreement with the simulation results, which verifies the rationality of the improvement scheme and the reliability of the numerical simulation of the PTC heater.
Key words: PTC heater    FLUENT    numerical simulation    turbulence intensity    flow velocity    reliability    temperature field    speed field    

近年来,PTC加热器在电动汽车中的应用越来越广泛,它具有成本低、寿命长、节能安全绿色环保、节能等特点,在电动汽车供暖设备方面的市场需求很大。1955年荷兰菲利浦公司的海曼等人首先发现了PTC材料的特性[1],研究结果发现在BaTiO3陶瓷中加入微量的稀土元素后,其室温电阻率大幅度下降,在某一很窄的温度范围内其电阻率可以升高3个数量级以上。由于PTC水加热器内部工作环境较为复杂,单方面通过实验手段无法更直观地研究出PTC加热器最佳使用性能与湍流强度和流速的关系,由此增加了实验成本和实验周期[2]。本文利用计算流体动力学软件FLUENT对PTC加热器工内部作过程中流场和温度场进行数值模拟分析,通过对比各湍流强度和流速下的流场和温度场的分布云图,确定最佳工艺改进方案,同时进行实验验证,为PTC加热器最佳工艺参数的优化提供技术参考。

1 计算模型 1.1 几何模型和网格划分

图 1所示为PTC加热器实体模型,PTC加热器的两端进水口和出水口直径为20 mm,厚度为43.5 mm,弯角处的半径R为14.9 mm。使用Gambit前处理软件对该实体模型进行网格划分,划分后的体网格单元总数为153 678个,以.mesh形式进行文件保存,然后采用T Grid程序模型对初始参数设定和环境参数进行设置,并导入至FLUENT软件中进行数值计算和模拟分析。通过对前处理参数和模拟软件初定的环境变量的设定,包括流体的物理属性、边界条件、导热系数等参数,为温度场和速度场的模拟提供数据支持[3-5]

图 1 PTC水加热器模型
1.2 计算模型参数研究

液体在流动的过程中满足连续性方程和能量守恒方程[6]。式(1) 为液体流动过程中满足的能量守恒方程:

$ \frac{{\partial \left( {\rho T} \right)}}{{\partial t}} + {\rm{div}}\left( {\rho \mathit{\boldsymbol{u}}T} \right) = {\rm{div}}\left( {\frac{k}{{cp}}{\rm{grad}}T} \right) + {s_T} $ (1)

式中:ρcpT分别为水的密度、比热容、温度,u是速度矢量,κ为流体的传热系数,t为时间,sT为流体的内热源,该式也称为热力学第一定律。

FLUENT流体分析软件采用的是Mixture(混合)多相流模型,用于有强相间耦合的各向同性多相流和各相以相同速度运动的多项流,相较于其他类型的湍流模型,标准的κ-ε双方程湍流模型可以更准确地模拟出PTC加热器内部水流流动的动态过程,为流体模拟分析提供数值计算、求解方法和数据支持[7]

1.3 边界条件和计算方法

由于流体为不可压缩液体,PTC加热器水流入口的速度初步认为是均匀分布的,设定水流在PTC加热器入口的初始速度分别为1、2、3及4 m/s,湍流强度分别为20%、40%、60%及80%。采用标准κ-ε双方程湍流模型和固体壁面无滑移函数法相结合的方法[8-9],有效提高了计算的精确度。在方程Discretization离散格式设置中,将Pressure方程的离散格式选择为PRESTO,动量、湍流动能和体积分数都采用一阶逆风差分格式,并采用SIMPLE算法求解压力和速度[10-13]

2 计算结果与分析 2.1 不同初始湍流强度下温度场和速度场分析

图 2为不同湍流强度下截面在z=21.722 5 mm处的温度场动态分布云图,其中ABC为该截面中箭头所指位置。

图 2 不同湍流强度下的温度场分布

图 2(a)是湍流强度为20%的情况,加热温度最低为50.5 ℃,进口处的温度是最小的,A处在即将靠近PTC加热器金属板的地方,出现小范围的温度逐渐变大的情况,由A处呈阶梯式向四周扩散;从B处可以看出,从进口至出口,水温是逐步的升高的,且5个水槽里面水的加热情况相对而言是均匀的;C处即为水加热的最高温度。图 2(b)是湍流强度为40%的情况,最大的温度值达到55.5 ℃, 进出口温度值相差很大。图 2(c)中的温度差是最大的。图 2(d)中的温差相对而言又降低了。从4幅图中温度的分布情况可以看出,在湍流强度为60%时的加热速度是最快的,且加热的温度最高为62.3 ℃,进出口的温差最大。不同湍流强度的情况下,最大的温度场值是先上升后降低的,在湍流强度60%时是最大的。由图中分析可以得出,湍流强度为60%时,更能提高加热效果。

基于上述对温度场的模拟结果,下面对其速度场进行模拟分析。图 3为不同湍流强度下的速度场分布云图,其中DEF处为z=21.722 5 mm截面下图中箭头所指位置。图(c)中进口D处的水流速度相比于出口处的水流速度场较小,中间支流的内部速度是最小的,出口F处的速度呈阶梯状向外扩散,支流汇集的地方速度最大,呈阶梯状下降分布。由图 3可以得出湍流强度为60%时,可明显提高其加热速度。

图 3 同湍流强度下的速度场分布
2.2 不同初始流速下的温度场和速度场分析

图 4为不同初始流速下的温度场分布云图,其中GHI处为z=21.722 5 mm截面中箭头所指位置。图 4(a)是速度为1 m/s的情况,加热温度最低为41.1 ℃,进口处的温度是最小的,G处为加热器进水口,出现小范围的温度逐渐变大的情况,由G处呈阶梯式向四周扩散;从H处可以看出,从进口至出口,水温是逐步升高的,且5个水槽里面水的加热情况相对而言是均匀的;I处即为水加热的最高温度。图 4(b)是速度为2 m/s的情况,最大温度值达到62.3 ℃, 进出口温度值相差很大,从图 4中温度的分布情况可以看出,在速度越小的情况下加热速度越快,且在速度2 m/s时加热温度最高为62.3 ℃,进出口的温差最大。图 4(c)中的最高温度比图 4(b)有所下降。图 4(d)中温度有上升的趋势,但是加热速度相较于2 m/s的情况下降低了很多。不同速度的情况下,温度场值的分布是呈现波浪线的趋势的,在速度为2 m/s时加热速度和加热温度都是最大的,因而综合考虑速度为2 m/s时更加符合实际生产需求。

图 4 不同初始流速下的温度场分布

图 5为不同初始流速下的速度场分布云图,其中J处为z=21.722 5 mm截面中箭头所指位置。进口处的水流速度相较于出口处的水流速度更小,中间支流的内部速度是最小的,出口J处的速度场呈阶梯状向外扩散,支流汇集的地方速度最大,然后呈阶梯状下降。综上所述,当初始水流速度为2 m/s时,PTC加热器出水口水体温度加热效果最为明显。综合对不同湍流强度和不同速度下的压力场和速度场分析可以得出结论,湍流强度60%和初始速度2 m/s加热效果最好。

图 5 不同初始流速下的速度场分布
2.3 PTC加热器加热实验与结果分析

本实验在江苏省某汽车配件公司进行,实验仪器装置如图 6所示。实验仪器包括PTC加热器、电源、电动水泵、冷却机组、示波器和耐压测试仪等组成。该实验通过电机泵提供水源,冷却机组在本实验中的主要作用是控制用于PTC加热器实验的水体温度。由于通过PTC加热器后的水水温会持续上升,为保证实验的结果的一致性,因此冷却机组必不可少。示波器是用于采集PTC加热器中电子元器件的电压和电流变化情况,耐压测试仪是用于通过穿电压来测出PTC加热器电子元器件绝缘能力。汽车上的PTC采用的是高压电,实验接通电源后,电动水泵开始工作,为加热器提供水源,由PTC加热器加热,然后经过冷却机组冷却降温。实验中,分别采集了的不同初始流速和不同初始湍流强度下PTC加热器工作状态下内部多个位置点的温度值和进出口流速变化。综合实验结果可以得出,湍流强度60%和初始速度2 m/s情况下PTC加热器的水加热效果最佳。

图 6 实验仪器装置

图 7~9为实验数据曲线,图 7为不同时间的湍流强度下的模拟和实验加热温度差,随着湍流强度的增大,加热温度差呈现先上升后下降的趋势,在湍流强度为60%时取得最大的加热温差,即此时加热效果最好;图 89可以看出,在时间为01:22:03的时候速度为2 m/s且进出口温差最大,加热效果最好。实验结果与模拟结果较好吻合,验证了工艺改进方案的合理性和PTC加热器数值模拟的可靠性。

图 7 不同湍流强度下的温度差
图 8 模拟温差和实验温差对比
图 9 模拟速度和实验速度对比
3 结论

1) 利用FLUENT软件对PTC加热器工作过程中温度场和速度场进行了数值模拟分析,得出最佳工艺参数,该参数下的模拟结果与实际情况吻合较好,验证了该数值模拟对PTC加热器工艺参数的优化具有一定的参考价值。

2) 通过模拟与实验相结合的方法,得出湍流强度为60%,介质速度为2 m/s时为优化后的工艺参数,能使PTC加热器得到最佳的加热效果。

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