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原文传递基于多物理场耦合模型的汽车温差发电系统瞬态响应特性分析

论文题名：	基于多物理场耦合模型的汽车温差发电系统瞬态响应特性分析
关键词：	汽车温差发电系统;瞬态响应;计算流体动力学;热电模型
摘要：	汽车产业是国民经济重要的支柱产业，极大地提升了人们的生活水平与出行便利。据公安部最新统计数据显示，2020年我国汽车保有量为2.81亿辆，位列全球第一，但由此带来的环保与节能问题变得更加突出。汽车温差发电系统将高温尾气的余热能转换为电能再利用，契合汽车产业节能减排的发展主题。但汽车运行工况复杂多变，导致瞬态工况下的尾气温度、质量流量等不稳定，目前国内外相关研究大多集中于温差发电系统在稳态条件下的性能，瞬态研究则聚焦在热电制冷等方面。同时，汽车温差发电系统的工作过程涉及到流热电复杂的多物理场耦合。为此，本文依托国家自然科学基金面上项目“变工况下汽车尾气温差发电系统多场耦合机理与能量动态规划研究”（项目号：51977100），建立了温差发电系统的瞬态CFD-热电耦合模型，采用有限元仿真软件完成数值模型的求解，预测温差发电系统在汽车变工况下工作时的动态响应特性。主要的研究内容如下：　　首先，介绍了热电半导体内部热能与电能之间相互转换的现象。根据热力学基本理论公式，分别构建了单个温差发电片的稳态和瞬态热电耦合数值模型，并为模型求解设置了几种不同的瞬态热源激励，借助COMSOL有限元软件分析了温度、输出功率、热电转换效率的瞬态变化，探究了动态响应特性的时滞规律。　　其次，对汽车温差发电系统进行概述，阐述了其结构组成、工作原理和分类。由于有限元求解时间过长，简化了温差发电系统和温差发电片的物理结构，并对等效结构的参数进行了公式推导。考虑到换热器内部空气以及冷却水的共轭传热问题，提出了温差发电系统的稳态和瞬态CFD模型，包括质量守恒、动量守恒和能量守恒。选择高速公路燃油经济性测试工况作为仿真工况，以准确描述温差发电系统的实际工作状态，分析了温差发电片冷热两端的瞬态温度，作为后续章节的边界条件。　　然后，详细阐述了汽车温差发电系统瞬态响应特性的分析流程，说明了瞬态CFD-热电模型的耦合关系。将整个温差发电系统作为研究对象，基于上述理论基础和仿真结果，以温差发电片两端的瞬态平均温度作为边界输入，研究了汽车温差发电系统在HWFET工况下的动态响应特性。对比分析了稳态和瞬态条件下的输出功率和热电转化效率，说明了稳态模型和瞬态模型的预测效果。此外，对温差发电系统换热器热侧温度的均匀性进行评估。　　最后，为验证瞬态热电模型和瞬态CFD-热电耦合模型，分别搭建了温差发电片和汽车温差发电系统的瞬态试验台架。试验结果与数值模型求解结果基本一致，并合理地分析了时滞和误差产生的原因，从而验证了瞬态模型的有效性。　　理论分析与试验研究表明：（1）相比于稳态热源输入的结果，采用三角波和正弦波瞬态热源激励下温差发电片的平均输出功率分别提高了3.53%和4.99%，但对热电转换效率产生负面的影响。此外，时滞与温度的变化率呈正相关。（2）汽车在HWFET循环工况下行驶300s，温差发电系统的平均输出功率和平均热电转换效率分别为26.808W和2.966%，采用稳态模型预测温差发电系统的瞬态特性会高估其输出功率但低估其热电转换效率。（3）瞬态CFD-热电耦合模型可以有效地评估汽车温差发电系统变工况下的瞬态响应特性。
作者：	孟子涵
专业：	交通运输工程
导师：	汪若尘
授予学位：	硕士
授予学位单位：	江苏大学
学位年度：	2021