环形热电器件热-力-电耦合性能的数值模拟研究开题报告

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1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1研究的目的及意义 热电转换技术是一种能够实现电能与热能直接转换的洁净新型能源技术，利用它来制造的热电器件具有结构简单、无运动部件、无噪声、无污染、体积小等诸多优点，可以合理地利用太阳能、地热能、工业余热废热等低品位能源转化成电能，尤其在倡导低碳生活的今天，它可以提高能源利用率，减少污染，具有很高的应用价值。 但是在一些实际应用中，汽车尾气管、燃煤锅炉、利用太阳能的热管、热虹吸器等热源装置和散热器都是圆柱形表面或大弧度曲面，而目前针对热电转换技术的研究工作仍限制在平板型热电偶，在热交换器与热源或散热器之间的传热过程中，平板型热电偶和热源或散热器的几何形状不匹配，导致两者表面不贴合需要再填充一些传热介质，这会带来传热阻力问题，导致两者之间的传热效率较低，将大大降低热电发电器件的输出性能。因此，对可与热源或散热器紧密接触的环形热电偶的研究具有重要的意义。 1.2国内外研究现状 近年来，随着环境污染日趋严重，人们对热电器件的潜在应用价值有了全新的认识。热电器件作为清洁能源和可持续发展能源受到广泛关注，各国学者对热电器件做了大量研究。我国关于中高温热电器件的生产研发方面仍处于起步阶段，国内的热电器件制造技术起源于小型家电类行业，主要集中在热电制冷器件的开发，但是，从我国的节能减排，提倡可持续发展的战略方针来说，缓解能源问题压力，提高能源利用率，改善环境压力是当代科研人员必须重视的问题。石驰等学者为了提高热电制冷冰箱的制冷性能,使用平板热管散热器在热电制冷冰箱热侧散热,通过数值模拟的方法对平板热管散热器散热性能进行了研究,并与铝翅片板散热器进行对比。牟余等学者以多 P-N 结组成的半导体平板型热电器件为研究对象，结合其在汽车尾气发电系统中的工作环境，采用数值模拟的方法建立车用热电器件的有限元模型，对其工作性能和结构设计影响因素进行了分析讨论。另外，热电器件在温差环境中工作，由于组件之间不同的热特性，不可避免地会产生热应力。因此，为了提高热电装置的机械可靠性，近年来，越来越多的研究者开始关注其可靠性。 在当前的实际应用中，热电技术的转换效率相对较低，只有5%左右的水平。国外学者针对这个问题做了比较多的研究工作，Chhatrasal和Kamal为了增强排气热交换器的传热，引入了一些新型的高ZT热电材料来增强热电设备的性能。Haider等，提出了分段销热电发生器的一种创新设计，与传统设计相比，该设计提高了热电设备的性能。Ali等在热侧使用了具有较高价值的热电材料来改善热电发电机的性能，他们的结果表明，分段式热电发电机的功率输出和效率要高于单一材料的热电发电机。此外，Hadjistassou和Kyriakides提出并建立了高效分段热电发电机的分析模型，他们发现，当温度差为324.6 K时，分段式热电发电机的峰值效率可以达到5.29％。同时，热电装置的几何形状也是影响热电性能的重要因素。与传统的平板式热电发电机相比，环形热电发电机的冷端和热端的传热效率更高，这是因为传热面积更大并且具有圆柱形结构，Kumar等人发现，热电器件在圆柱型设计中的发电量大于传统设计中的发电量。因此，环形热电器件在太阳能，汽车尾气回收，空间（放射性同位素热电发电机）等领域具有广阔的应用前景。

2. 研究的基本内容与方案

2.1研究内容 本文将基于传热学和热-力-电耦合理论，以环形热电器件为研究对象，利用ANSYS软件建立有限元分析模型，采用热端热流和冷热端对流换热的边界条件，考虑材料变物性与界面层等因素的影响，获得环形热电器件的输出功率和转换效率等输出性能，讨论材料参数、几何参数与边界条件等影响因素对其输出性能的影响，并分析环形热电器件危险点的热应力水平和结构的机械可靠性。 2.2研究目标 本文目的在于利用有限元分析软件，通过建立环形热电器件的有限元分析模型，模拟仿真得到不同材料参数、几何参数和边界条件下环形热电器件的输出性能和机械可靠性，分析各因素的影响规律，为环形热电器件的设计提供理论指导，为热电装置的广泛应用提供便捷。 2.3拟采用的技术方案及措施 本文研究的环形热电装置包括导热和电绝缘的陶瓷板，导电铜，焊接层和环形热电腿，利用有限元分析软件建立其有限元模型。通过查阅文献确定热电材料、电极和绝缘材料等其他组成材料的比热容、导热系数、弹性模量、泊松比和热膨胀系数等参数。合理地划分网格，选择合适的单元类型，简化约束条件，施加温度荷载计算热应力水平，分析危险点和结构可靠性。 由热电效应理论知识可知，单个热电偶在热电转换过程中所消耗的热能主要分为三个方面：热电材料由于温差和电流的影响而产生的帕尔贴热；热传导从热端经过热电材料到冷端的热量；以及由电流产生的焦耳热。利用这三个基本效应：塞贝克效应、帕尔贴效应和汤姆逊效应的表达公式，可以进一步推出热电器件的热电转换效率。 因为环形热电装置是由多个梯形热电偶单元围成的，所以本文将只建立热电偶单元的模型进行分析，对于环形热电发电机，几何尺寸对热电性能有明显影响，因此，本文将着重研究热电腿角度比和热电腿长度这两个尺寸指标对环形热电发电机热电性能和机械性能的影响，热电腿角度比θ的定义为： θ=1/ 这里 =1 2代表总角度，等于单个热电偶的半角，1 代表单个热电腿的角度， 2代表两条腿之间的角度的一半。此外，环形热电发电机中热电腿的长度定义为： L=r2r1 这里 r1 和 r2分别代表环形热电发电机的内半径和外半径。最后通过模拟分析得到的结果和规律，总结出热电装置在设计和实际应用中的注意事项，为如何使其具有更高的输出性能和使用可靠性提供理论依据。

3. 研究计划与安排