基于FLUENT的PTC加热器工艺参数优化及其数值模拟

摘要

PTC电加热器是指采用具有正温度系数(Positive Temperature Coefficient)的热敏材料作为加热元件的加热器，具有热阻小、热转换效率高等优点，广泛地使用于家用电器，电力设备等领域。电动汽车的行驶主要依靠电能，无法通过发动机获得足够的余热来采暖，不能沿用传统燃油汽车的空调系统来制热，在开发电动汽车同时必然对其配套的供暖系统进行研制。论文以电动汽车PTC水暖加热器为研究对象，通过热能量传递和能量守恒方程分析了进出口水流速度、温度变化规律，利用流体动力学软件Fluent对PTC水加热器工作过程中内部流场进行三维数值模拟，最后运用正交试验法对实物进行实验分析，对比模拟与实验数值，验证数据的可靠性，为PTC运行初始工艺参数优化提供了科学指导和理论基础。
　　本文将FLUENT流体分析软件对电动汽车的PTC水加热器进行流体分析，通过对PTC水加热器工作过程中温度场、压力场和速度场进行动态数值模拟分析和研究，进一步改进和优化PTC水加热器的结构和运行参数，通过对比不同湍流强度和速度的条件下PTC水加热器的内部流场，得到了PTC水加热器的温度场、速度场和压力场的变化规律和影响因素。以厂方提供的湍流强度40％、速度0.8m/s、初始温度35.8℃进行了初始方案下的模拟分析。模拟结果表明，由于PTC水加热器的槽壁具有的厚度不均，初始方案下的加热效果较差，加热速度较慢，模拟中的加热情况与实际结果比较吻合，验证了流体分析软件FLUENT的模拟分析结果的可靠性，缩短了新产品研发周期，降低了实验材料成本，具有一定的参考价值。
　　本研究为解决PTC水加热器加热效果不明显的情况，以温度场、压力场和速度场三变量参数进行模拟实验。通过各组模拟实验结果的对比和分析，确定出最佳方案:湍流强度60％、速度1m/s和初始温度38.8℃。将初始方案与最佳方案的模拟结果对比分析可知:较高的湍流强度、水流速度和初始温度可以加快水流的速度，可以在同样的时间内传递更多的热量，使加热效果更好。
　　最后，进行了PTC水加热器的实验，该实验通过正交模拟实验确定最佳工艺方案，其意义在于能更直观的探究出初始温度、速度和湍流强度这三个不同变量的PTC水加热器的加热影响。由实验可知，湍流强度60％、速度1m/s、初始温度38.8℃的情况下PTC水加热器加热速度快、加热温度达到了预期效果，再次验证了PTC水加热器数值模拟的可靠性，为PTC水加热器的批量化生产提供了可靠的理论基础和技术指导。

目录

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致谢

摘要

附图清单

附表清单

第一章 绪论

1．2 电动汽车PTC水加热器的相关理论

1．2．1 PTC水加热器的基本概念

1．2．2 PTC水加热器的构成及加热原理

1．2．3 PTC水加热器的技术优势

1．2．4 PTC水加热器的实验条件

1．3 国内外研究现状及分析

1．3．1 国外研究现状及分析

1．3．2 国内研究现状及分析

1．4 课题研究的目的及主要内容

1．4．1 课题研究目的

1．4．2 课题研究的主要内容

第二章 结构分析与前处理参数设定

2．2．1 结构分析与模型建立

2．2．2 PTC水加热器网格划分

2．3 前处理运行参数的确定

2．3．1 GAMBIT前处理软件

2．3．2 边界条件的设定

2．3．3 初始条件的设定

2．3．4 运行参数的设定

2．3．5 仿真计算的流程

2．3．6 流体运动的基本方程

2．4 FLUENT软件介绍

2．4．1 FLUENT功能和模块应用特点

2．4．2 FLUENT应力场数理基础与求解算法

2．5 FLUENT软件主要优势

2．6 本章小结

第三章 PTC加热器的数值模拟

3．2．1 温度场的模拟与分析

3．2．2 压力场的模拟与分析

3．2．3 速度场的模拟与分析

3．2．4 实验图与模拟结果对比分析

3．3 本章小结

第四章 PTC加热器实验验证与结论分析

4．2．1 PTC水加热器的制备

4．2．2 PTC水加热器的实验

4．2．3 PTC水加热器的数值模拟与实验数据对比图

4．3 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 本课题的主要工作与总结

5．2 研究中存在的问题与展望

参考文献

个人简介

在读学位期间发表的论文

在校期间的科研成果