臨近空間再生燃料電池儲能系統(tǒng)散熱風(fēng)扇性能

張 亞，陳 紅，王國文，馮 震

(北京航天動力研究所，北京100076)

0 引言

再生燃料電池儲能技術(shù)具有充放電次數(shù)和深度限制低，無污染、零排放等優(yōu)點，比能量高達350～600 Wh/kg，使其成為臨近空間長航時飛艇、無人機等飛行平臺和太陽能電池配合使用最有競爭力的黑夜電源技術(shù)，是目前高比能量新型能源技術(shù)的研究熱點之一［1－9］。其工作模式為:白天儲能系統(tǒng)利用太陽能電池富余電能電解水，將電能儲存在氫、氧氣組成的化學(xué)體系;黑夜太陽被地球遮擋，儲能系統(tǒng)利用燃料電池將氫、氧氣儲存的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能為飛行器提供動力和載荷設(shè)備所需的電能。

隨著臨近空間的開發(fā)利用，平流層飛艇、長航時無人機等飛行器研究工作的逐步開展，對高比能量大功率儲能電源系統(tǒng)提出了日趨強烈的需求。因平流層飛艇和長航時無人機多采用太陽能電池作為白天的直接電源和黑夜能量的來源，其設(shè)計飛行高度一般為16～25 km，這樣可以避免天氣變化給太陽能來源帶來的不確定因素，另外還可以避開10～15 km繁忙的航空飛行航線。隨著海拔高度的升高，空氣越發(fā)稀薄，尤其是20 km以上的高空稀薄大氣給用傳統(tǒng)航空發(fā)動機的飛機帶來空氣壓縮利用的困難。20 km以上的高空成為以太陽能－再生燃料電池為電源的電動螺旋槳推進的平流層飛艇和無人機的理想的飛行空域。

然而，稀薄大氣也給再生燃料電池和大功率電子設(shè)備帶來了散熱的困難，為了實現(xiàn)再生燃料電池和平流層飛艇等飛行器的臨近空間環(huán)境應(yīng)用，必須解決低重量和功耗成本的大功率廢熱外散問題。國外研究人員針對0～15 km不同海拔高度環(huán)境對采用沖壓空氣為冷源的飛機散熱器流阻、散熱能力等的影響等進行了分析研究［10］，還開展了適應(yīng)26 km高海拔環(huán)境的螺旋槳的設(shè)計、性能分析計算工作［11］。國內(nèi)開展了一些針對平流層飛艇整體的熱分析研究工作［12－16］，但針對再生燃料電池儲能系統(tǒng)的大功率熱量外散的研究未見報道。30 km以下高空環(huán)境下，對流換熱仍起決定性作用［16］，針對再生燃料電池儲能系統(tǒng)大功率廢熱外散的要求，在采用低雷諾數(shù)翼型散熱風(fēng)扇的風(fēng)冷散熱組件研制基礎(chǔ)上，本文通過Fluent計算散熱風(fēng)扇在20 km設(shè)計高度條件下的性能，進而針對起飛降落階段，儲能系統(tǒng)必須經(jīng)歷0～20 km高度不同環(huán)境條件，分析散熱風(fēng)扇對不同高度條件的適應(yīng)能力。利用Fluent建立的散熱器散熱單元模型，校核了散熱組件不同海拔高度，給定風(fēng)扇轉(zhuǎn)速條件下散熱能力的變化趨勢。針對不同海拔高度20 kW廢熱外散的冷風(fēng)量要求，分析計算得到不同海拔的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、功耗等性能參數(shù)。完成了散熱風(fēng)扇組件不同海拔高度環(huán)境模擬試驗，并采用試驗數(shù)據(jù)對模型計算結(jié)果進行了評估。

1 計算模型

1．1幾何模型及邊界條件

散熱風(fēng)扇計算模型計算區(qū)域沿著旋轉(zhuǎn)軸的切面示意及其邊界類型如圖1所示。散熱風(fēng)扇槳葉外徑477 mm，葉片數(shù)目6個，頂隙1．5 mm。模型計算區(qū)域及其邊界類型如圖1所示，由扇葉所在的旋轉(zhuǎn)區(qū)域、上下游靜止區(qū)域組成。其邊界條件設(shè)置為:入口和出口邊界條件為特定海拔高度對應(yīng)的環(huán)境大氣壓力，不同海拔大氣參數(shù)如表1所示;扇葉所在圓柱區(qū)域為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(rotational reference frame)，轉(zhuǎn)速設(shè)置為風(fēng)扇的特定轉(zhuǎn)速，扇葉及槳轂表面為旋轉(zhuǎn)壁面，其轉(zhuǎn)速設(shè)定與旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)速相同，風(fēng)道壁面和電機表面為靜止壁面邊界;采用多孔交界面(radiator)模擬散熱器的流阻，其阻力系數(shù)k設(shè)為恒定值，即散熱器流阻計算公式如下:

式中:ρ為空氣密度，u為空氣流速。

圖1 模型計算區(qū)域及其邊界Fig．1 Computational domain＆its boundaries

表1 不同海拔環(huán)境大氣參數(shù)Table 1 Parameters of atmosphere at different altitude

1．2計算網(wǎng)格及求解器設(shè)置

采用gambit前處理器生成網(wǎng)格如圖2所示，圖2(a)為直徑400 mm處的翼型截面及其網(wǎng)格，槳葉表面計算網(wǎng)格如圖2(b)所示，槳葉表面劃分為4個區(qū)域，采用邊線網(wǎng)格尺寸控制面網(wǎng)格保證槳葉型面表達精度，同時將網(wǎng)格總數(shù)控制在可接受的范圍內(nèi)，圖2(c)為整個計算區(qū)域的網(wǎng)格總單元數(shù)為238．15萬。

采用k·ε標(biāo)準(zhǔn)湍流模型，求解器采用simple算法一階迎風(fēng)格式，控制收斂條件為軸向速度殘差小于1×10－5，求解器的其它設(shè)置采用軟件默認(rèn)值。

圖2 數(shù)值模型網(wǎng)格Fig．2 Mesh of the computational model

2 計算結(jié)果和討論

2．1額定轉(zhuǎn)速條件下參數(shù)分布

本文風(fēng)冷散熱組件的設(shè)計工作海拔高度為20 km，其額定轉(zhuǎn)速設(shè)計為4800 r/min。以下介紹計算模型計算得到的計算區(qū)域壓力和速度等的分布情況。

圖3、圖4分別為計算區(qū)域截面和風(fēng)扇機組壁面靜壓分布情況，圖5是計算區(qū)域截面的速度分布情況。結(jié)果表明額定轉(zhuǎn)速和設(shè)計海拔條件下，散熱器流阻系數(shù)k取恒定值19，散熱機組流量為0．311 kg/s，散熱器的平均流阻為45．6 Pa，風(fēng)扇葉片的阻力扭矩0．856 N·m，扇葉功耗430．3 W，計算電機功耗512．2 W(電機效率84%)。

圖3 截面壓力分布Fig．3 Static pressure distribution in cross section plane

2．2不同海拔環(huán)境條件變化的影響

采用計算模型分析了不同海拔環(huán)境條件變化對風(fēng)扇性能的影響情況。

圖4 壁面靜壓分布Fig．4 Static pressure distribution on walls

圖5 截面速度分布Fig．5 Velocity magnitude distribution in cross section plane

圖6是海拔高度對風(fēng)扇體積流量的影響情況，計算結(jié)果表明，風(fēng)扇體積流量和轉(zhuǎn)速呈線性比例關(guān)系;隨著0～20 km海拔范圍內(nèi)大氣溫度和密度的變化，風(fēng)扇體積流量基本恒定，下降趨勢比較緩慢;20～30 km高空大氣越發(fā)稀薄，風(fēng)扇體積流量下降趨勢明顯加快。

相應(yīng)的風(fēng)扇功耗和質(zhì)量流量變化曲線如圖7、圖8所示，隨著海拔高度升高大氣密度的下降，雖然相同轉(zhuǎn)速風(fēng)扇體積流量下降很少，但是風(fēng)扇功耗和質(zhì)量流量顯著下降。質(zhì)量流量的下降將對主要靠對流散熱的風(fēng)冷散熱器帶來不利的影響。

圖9是不同海拔大氣環(huán)境下的風(fēng)扇機組的靜壓效率曲線，圖中靜壓效率定義為體積流量、風(fēng)壓的乘積與電機功耗的比值，其中電機效率取恒定值84%。結(jié)果表明，隨著海拔高度升高大氣密度的下降，風(fēng)扇機組靜壓效率呈下降趨勢;其中，海拔20 km以上效率下降趨勢明顯加劇。

圖6 模型預(yù)測的不同海拔體積流量變化曲線Fig．6 Predicted volume flow rate at different altitudes

圖7 模型預(yù)測的不同海拔功耗變化曲線Fig．7 Predicted power consumption at different altitudes

圖8 模型預(yù)測的不同海拔質(zhì)量流量變化曲線Fig．8 Predicted mass flow rate at different altitudes

圖9 模型預(yù)測的不同海拔靜壓效率變化曲線Fig．9 Predicted static pressure efficiency at different altitudes

圖10 模型預(yù)測的不同海拔組件散熱能力變化曲線Fig．10 Predicted heat dissipating ability of radiator module at different altitudes

基于以上計算模型計算得到的風(fēng)扇機組在不同海拔和轉(zhuǎn)速條件下的性能數(shù)據(jù)，采用Fluent建立了散熱器散熱單元模型，校核分析了熱流體入口溫度45℃條件下風(fēng)冷散熱組件散熱能力隨海拔高度的變化，如圖10所示。散熱單元的計算模型非本文的重點，在此不作詳細介紹。校核計算的結(jié)果表明，從地面至海拔30 km高空環(huán)境變化過程中，風(fēng)冷散熱機組散熱能力呈先增大后減小的趨勢。分析原因為:海拔0～7．5 km升高過程，環(huán)境溫度的下降對散熱能力的影響起決定性作用;海拔7．5～11 km高空雖然氣溫仍為線性下降，但流經(jīng)散熱器的冷空氣質(zhì)量流量顯著減小，冷風(fēng)量的減小對散熱能力的削弱作用強于環(huán)境溫度下降帶來的增強效果，散熱組件散熱能力變化趨勢發(fā)生反轉(zhuǎn);海拔11～20 km為同溫層，環(huán)境溫度恒定為－56．5℃，散熱組件的散熱能力隨著海拔高度的升高而下降;海拔20～30 km隨著臭氧濃度的增大大氣溫度開始隨海拔升高而升高［17］，同時大氣密度進一步減小，因此散熱組件的散熱能力進一步下降。

其中，海拔0 km，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速2000 r/min計算得到的散熱能力為20．8 kW，地面25℃環(huán)境下測試散熱能力大于20．3 kW;海拔20 km，轉(zhuǎn)速4800 r/min模型計算散熱能力為26．8 kW，冷空氣入口－44．4℃環(huán)境實測散熱能力大于20．3 kW，散熱組件KF值為450．2 W/K，推算得到冷空氣入口－56．5℃條件下其散熱能力將大于25．7 kW?？梢娔Ｐ陀嬎愕纳峤M件散熱能力和試驗測試值基本吻合，散熱單元模型計算結(jié)果可信。

很多同學(xué)在上大學(xué)后，覺得沒有了高考的緊張，變得散漫、懶惰；課堂上聊天、吃東西、睡覺、玩手機等現(xiàn)象比比皆是，作為學(xué)生最基本的學(xué)習(xí)可能都沒做好，又何談職業(yè)素養(yǎng)。很多學(xué)生對所學(xué)的專業(yè)茫然，對自己未來沒有一個認(rèn)真的規(guī)劃和認(rèn)識，沒有目標(biāo)，自然沒有努力的方向，處于一種得過且過的狀態(tài)，嚴(yán)重影響了職業(yè)素養(yǎng)的養(yǎng)成。

2．3風(fēng)冷散熱組件全飛行包線內(nèi)的適應(yīng)性分析

基于上文計算分析結(jié)果，可以初步判斷此風(fēng)冷散熱組件產(chǎn)品能夠滿足再生燃料電池在0～20 km飛行包線內(nèi)的散熱要求。下面將利用計算模型具體分析0～20 km大氣環(huán)境風(fēng)冷散熱組件20 kW散熱能力條件下的具體工作參數(shù)及電機功耗等的變化情況。

圖11 不同海拔20 kW廢熱外散冷風(fēng)量需求Fig．11 Air flow rate demand with 20 kW heat dissipating ability at different altitudes

圖11是海拔0～20 km環(huán)境條件下，20 kW散熱能力時風(fēng)冷散熱器冷風(fēng)流量需求情況變化曲線，地面25℃環(huán)境冷風(fēng)流量要求大于1．8 kg/s，隨著海拔升高氣溫的降低，冷風(fēng)流量需求逐步減小至海拔11 km處的0．22 kg/s，11～20 km氣溫不再隨高度升高而降低，冷風(fēng)流量需求維持為恒定的0．22 kg/s。要實現(xiàn)圖11所示冷風(fēng)流量的供應(yīng)，風(fēng)扇的工作轉(zhuǎn)速和電機功耗變化曲線如圖12、圖13所示。

結(jié)果表明，本文所述風(fēng)冷散熱組件有能力滿足再生燃料電池飛行包線范圍內(nèi)的散熱要求;海拔5～11 km大氣環(huán)境最有利于以對流換熱為主的風(fēng)冷散熱組件散熱，其風(fēng)扇的工作轉(zhuǎn)速要求較低750～790 r/min，散熱電功耗成本小于20 W。風(fēng)冷散熱組件總質(zhì)量24 kg，其中散熱器14．5 kg，平均每千克散熱能力833．3 W/kg，遠大于文獻［15］報道輻射散熱器的12．5 W/kg。因此，風(fēng)冷散熱方案是平流層飛艇、無人機等飛行平臺高效經(jīng)濟的散熱技術(shù)方案。

2．4不同轉(zhuǎn)速條件下的計算結(jié)果和試驗結(jié)果對比

以下將采用風(fēng)冷散熱風(fēng)扇環(huán)境模擬試驗的測試數(shù)據(jù)對風(fēng)扇模型的計算結(jié)果進行對比評價。試驗系統(tǒng)原理如圖14所示，測試過程采用環(huán)境模擬艙模擬不同海拔高度的壓力、溫度條件，針對低氣壓環(huán)境特點采用皮托管排+微壓差傳感器測試風(fēng)扇機組冷風(fēng)流量，皮托管采用5個總壓口并聯(lián)平均后與風(fēng)道靜壓的差值表征風(fēng)道的平均流速以保證低溫低氣壓環(huán)境流量測試的可靠性，微壓差傳感器實現(xiàn)風(fēng)壓的測試。在每個海拔高度環(huán)境下調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，測試了不同轉(zhuǎn)速條件下風(fēng)扇的風(fēng)量、風(fēng)壓和功耗等參數(shù)，海拔20 km環(huán)境下的實測曲線如圖15所示。

圖12 不同海拔20 kW廢熱外散風(fēng)扇轉(zhuǎn)速Fig．12 Rotational speed of cooling fan with 20 kW heat dissipating ability at different altitudes

圖13 不同海拔20 kW廢熱外散風(fēng)扇功耗Fig．13 Power consumption of cooling fan with 20 kW heat dissipating ability at different altitudes

圖14 試驗系統(tǒng)原理Fig．14 Scheme of experimental system

圖15 風(fēng)壓流量曲線與試驗數(shù)據(jù)對比(海拔20 km)Fig．15 Pressure-mass flow rate curves and experimental data(20 km)

采用實測的散熱器流量－流阻數(shù)據(jù)的流阻系數(shù)擬合成式(2)設(shè)為風(fēng)扇計算模型內(nèi)部邊界radiator阻力系數(shù)，計算得到不同轉(zhuǎn)速條件下風(fēng)扇流量和風(fēng)壓，如圖15所示，結(jié)果表明給定散熱器流阻特性條件下，風(fēng)扇模型計算得到各不同轉(zhuǎn)速風(fēng)扇流量和風(fēng)壓與實測結(jié)果吻合較好。這說明計算模型對于給定轉(zhuǎn)速下的風(fēng)扇的風(fēng)壓和流量的預(yù)測是比較準(zhǔn)確的，可以用計算模型預(yù)測風(fēng)壓參數(shù)變化后的風(fēng)機流量數(shù)值，進行風(fēng)冷散熱組件的設(shè)計和性能評估。

圖16 靜壓效率與試驗數(shù)據(jù)對比(海拔20 km)Fig．16 Static pressure efficiency and experimental data(20 km)

圖16對比了計算得到的風(fēng)扇靜壓效率與實測效率曲線。由于海拔20 km環(huán)境下模型計算得到的功耗比實測功耗小20～30 W。而實測電機功耗比較準(zhǔn)確可靠，此處，采用實測功耗計算模型預(yù)測的靜壓效率，結(jié)果表明模型計算得到海拔20 km環(huán)境的風(fēng)扇機組效率曲線和實測結(jié)果比較吻合。需要說明的是，這一吻合僅反應(yīng)相同轉(zhuǎn)速條件下風(fēng)壓、風(fēng)量的數(shù)值較為準(zhǔn)確，而模型計算得到的功耗需要根據(jù)試驗結(jié)果作相應(yīng)修正方可作為設(shè)計評估依據(jù)。

將radiator邊界修改為內(nèi)部連續(xù)條件(interior)，人為改變?nèi)肟趬毫τ嬎愕玫斤L(fēng)扇的3個不同轉(zhuǎn)速下的風(fēng)壓－流量曲線與相應(yīng)轉(zhuǎn)速下的流阻特性實測點基本重合，如圖15所示，進一步證明風(fēng)扇計算模型的計算結(jié)果不依賴于散熱器的實測流量－流阻特性。

圖17 不同海拔流量與試驗數(shù)據(jù)對比Fig．17 Mass flow rate and experimental data at different altitude

采用環(huán)境壓力與實測流阻數(shù)據(jù)的差值設(shè)置為入口壓力，圖17、圖18比較了不同海拔環(huán)境下模型計算得到的流量、功耗與實測數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，計算模型在高海拔環(huán)境計算的流量曲線和實測值的吻合程度高于低海拔結(jié)果。而功耗計算結(jié)果則是低海拔環(huán)境計算結(jié)果更接近試驗數(shù)據(jù)，其中同一個海拔高度環(huán)境，高轉(zhuǎn)速條件計算得到的功耗更準(zhǔn)確。

圖18 不同海拔功耗與試驗數(shù)據(jù)對比Fig．18 Power consumption and experimental data at different altitude

綜上所述，風(fēng)扇計算模型在不同海拔高度環(huán)境下的計算結(jié)果均得到實測結(jié)果的驗證，模型計算的流量、風(fēng)壓等性能數(shù)據(jù)和試驗結(jié)果吻合較好，而計算得到的電機功耗數(shù)據(jù)比實測值低，但差值都小于30W，因此，風(fēng)扇計算模型的計算結(jié)果是可信的，可以作為臨近空間再生燃料電池?zé)峥叵到y(tǒng)設(shè)計、分析依據(jù)，降低大量環(huán)境試驗帶來的研究經(jīng)費成本。

3 結(jié)論

本文建立了再生燃料電池大功率散熱組件散熱風(fēng)扇計算模型，采用計算模型分析了風(fēng)冷散熱組件在不同海拔高度環(huán)境的性能，并采用環(huán)境試驗數(shù)據(jù)評估了計算結(jié)果，經(jīng)分析得出如下結(jié)論:

(1)風(fēng)扇模型計算結(jié)果和試驗數(shù)據(jù)吻合較好，可以作為臨近空間再生燃料電池?zé)峥叵到y(tǒng)設(shè)計、分析依據(jù)。

(2)軸流散熱風(fēng)扇靜壓效率隨著海拔高度的增加大氣變稀薄而降低，20 km以上環(huán)境下降趨勢加劇。

(3)海拔30 km以下大氣環(huán)境，對流換熱顯著強于輻射換熱效果，采用緊湊式風(fēng)冷散熱器和輻射散熱器相比將大幅度降低熱控系統(tǒng)重量。

(4)本文風(fēng)冷散熱組件能夠滿足海拔0～20 km環(huán)境再生燃料電池20 kW廢熱外散的需求。20 km以上大氣越發(fā)稀薄，大功率廢熱外散越發(fā)困難，同樣風(fēng)扇轉(zhuǎn)速條件下，海拔25 km環(huán)境散熱能力降低至12．9 kW，30 km環(huán)境散熱能力降低至5．8 kW。

(5)為了提高再生燃料電池儲能系統(tǒng)的比能量，增加有效載荷比重，平流層飛艇等飛行平臺最好工作在20 km以下空域，不宜過分追求飛行高度，海拔30 km工作的風(fēng)冷散熱組件的重量將是海拔20 km的3．45倍。

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