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原文传递汽车温差发电系统的多物理场耦合机理及瞬态响应特性研究

论文题名：	汽车温差发电系统的多物理场耦合机理及瞬态响应特性研究
关键词：	汽车温差发电系统;多物理场;耦合机理;瞬态响应
摘要：	汽车温差发电系统能够将发动机尾气中的低品位余热转换为高品位电能，提高燃油经济性，在车辆余热回收领域引起了广泛的关注。在以往研究中，研究人员设计了众多温差发电系统样机，结合强化传热方法和结构优化，温差发电系统的输出性能得到大幅提升，展现出巨大的应用潜力。然而，现有关于温差发电系统结构优化的研究中，普遍采用传统的分析模型或CFD模型预测温差发电系统在不同结构参数下的输出性能，模型本身的误差易导致优化结果的不可靠。另外，车辆运行工况时刻变化，传统的稳态模型无法预测温差发电系统在瞬态工况下的输出性能，而关于温差发电系统的瞬态建模研究存在不足。针对上述问题，本文从温差发电系统的多物理场耦合机理出发，采用理论建模、仿真分析、结构优化和试验验证相结合的研究手段，对温差发电系统的能量最优利用，及其在车辆瞬态工况下的输出响应特性进行了深入研究。　　本文主要贡献体现在如下5个方面：　　（1）温差发电模块的热电参数测量方法及其热-电耦合模型。针对温差发电模块缺乏热电参数或热电参数未考虑界面接触效应的问题，分别提出等效热电参数和接触热阻与电阻的试验测量方法，为准确分析模块的输出性能奠定了参数基础。此外，探明了模块内部热场与电场的耦合机理，建立了热-电耦合数值模型，并通过台架试验验证了模型的精确度。在此基础上，利用模型仿真分析了不同参数对模块性能的影响，明晰了模块在不同应用场合下的参数需求，为研究人员在实际应用中选择和设计最优模块参数提供了理论指导。　　（2）温差发电系统的流-热-电多物理场耦合模型及其数值求解方法。针对温差发电系统工作过程中所涉及的流场、热场和电场多物理场耦合难题，采用CFD模型和热-电耦合模型刻画流场与热场和热场与电场之间的耦合过程，提出了流-热-电多物理场耦合模型，并基于ANSYS、COMSOL分离求解器和COMSOL耦合求解器进行求解。此外，对温差发电系统的分析模型进行了改进，将其与流-热-电多物理场耦合模型进行对比，详细分析了造成不同模型仿真结果差异的本质原因，得到了温差发电系统多物理场建模的一般性结论，并设计了试验台架，验证了理论分析的正确性。　　（3）基于多物理场耦合模型的温差发电系统多目标优化方法。鉴于温差发电系统应用于车辆尾气余热回收时引起的额外功率损失，包括背压损失、重力损失和泵能损失，建立了净功率和净效率模型，并以此为评价指标，提出了温差发电系统的多目标优化方法，对换热器参数进行了全面优化。该方法基于分阶段优化理念，首先对换热器流道的长度、宽度和高度进行了多目标优化，然后根据换热器最优流道参数优化其内部翅片的厚度和间距，最终得到了换热器参数对温差发电系统性能影响的一般性规律，并根据优化结果试制了温差发电系统样机。　　（4）温差发电系统的瞬态流-热-电多物理场耦合模型。针对当前温差发电系统瞬态模型的研究不足，本文在稳态流-热-电多物理场耦合模型的微分守恒方程中引入瞬态项，提出了瞬态流-热-电多物理场耦合模型，为温差发电系统在瞬态热源作用下的性能分析提供了有力工具。此外，由于该模型消耗的计算资源过大，为缩短计算时间，提出了混合瞬态CFD-TE数值模型和CFD-分析模型，并详细对比了不同瞬态模型之间预测结果的差异，得到了一定的规律性结论，最终通过瞬态台架试验验证了瞬态模型的精确性。　　（5）基于瞬态热源的温差发电系统输出性能优化策略。鉴于温差发电系统在车辆瞬态工况下能够发挥出优于模块本身的热电性能，本文将复杂的车辆瞬态工况分别等效为尾气热源和车速基本瞬态波形的叠加，探明了温差发电系统在瞬态工况下输出性能得以提升的本质原因，得到了瞬态热源能够提升温差发电系统输出性能，尤其是转换效率得到大幅提升的有意义的发现，为温差发电系统的输出性能提升提供了一种全新的优化策略。　　本文研究结果表明：i）在流-热-电多物理场耦合模型中，使用COMSOL耦合求解器的流-热-电多物理场耦合模型相比其他模型具有更高的准确性；忽略帕尔贴热、焦耳热和汤姆森热对流场与热场耦合的影响会使得输出性能和寄生内阻过低。ii）翅片参数优化能够大幅提升温差发电系统的输出性能，相较优化前的结构，其输出功率、净功率、转换效率和净效率分别提高了26.85%、42.22%、9.52%和22.95%。iii）混合瞬态CFD-TE数值模型和CFD-分析模型预测的输出性能具有与瞬态流-热-电多物理场耦合模型预测结果一致的瞬态响应特性，但会高估输出功率和转换效率。iv）在HWFET、NEDC和WLTP工况下，相比瞬态流-热-电多物理场耦合模型的预测结果，其稳态分析得到的输出功率分别高出2.28%、7.00%和7.05%，而转换效率分别低了9.22%、8.89%和14.44%。
作者：	罗丁
专业：	车辆工程
导师：	汪若尘
授予学位：	博士
授予学位单位：	江苏大学
学位年度：	2022