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水下滑翔机海洋温差能源系统设计与实验研究
| 论文题名： | 水下滑翔机海洋温差能源系统设计与实验研究 |
| 关键词： | 水下滑翔机;系统设计;海洋温差能;固液相变传热;分子动力学;增强换热;能量传递 |
| 摘要： | 水下滑翔机作为“认知海洋，探索海洋”的重要工具之一，具有效费比高、机动性强、探测范围广等优点。海洋温差能是一种稳定性高、分布广泛、储量巨大的清洁环境能源，海洋温差能转化利用技术为破解水下滑翔机长期能源供给问题、提高滑翔机续航能力、自持力、能量自给水平提供了潜在技术途径。本文研制了一种面向水下滑翔机的海洋温差能供电系统。该系统可在滑翔机剖面运动的过程中，收集低品位的海洋温差能，并通过一系列中间环节转化为易于利用的高品位电能。 海洋温差能供电系统存在温差热机换热速率慢，能量转化效率低两方面的问题，限制了海洋温差能水下滑翔机高频运动能力与续航能力，制约了其在水下滑翔机中的推广使用。针对以上问题，本文分别以系统温差热机、能量传递过程为研究对象，开展了温差热机增强换热、“温差能-机械能-电能”转化过程效率分析与设计，本文主要研究的创造性成果列举如下： 1.首次采用分子动力学方法系统性地研究了压力对温差热机固-液相变材料密度、相变温度、导热率、相变潜热以及比热容等热物理性质的影响。在此基础上，将材料微观分子行为与热机宏观相变过程结合在一起，提出了压力条件下的温差热机相变传热修正模型。 2.首次研究了高压条件下添加石墨烯结构的相变材料增强换热微观作用机理，基于压力条件下的温差热机相变传热模型，揭示了石墨烯添加比例与温差热机传热速率之间的内在联系，得到了以传热速率最快为目标的最优石墨烯添加比例。 3.针对能量转化效率较低的问题，分析了温差能供电系统“温差能-机械势能-机械动能-电能”传递过程中的主要损耗因素，建立了全过程能量转化传递效率模型，进而提出了依赖于商用组件的系统参数匹配与整体优化设计准则。 4.基于本文研究成果，研制了面向水下滑翔机搭载使用的温差能供电系统试验样机，开展了各功能单元与集成样机的室内测试与海域试验,验证了理论模型的正确性与样机性能水平。样机与国内外同类设备横向比较，温差能-电能能量转化效率有显著优势。 本文的研究，构建了压力条件下的相变传热模型，为固-液相变温差热机增强换热效果评价研究提供了工具支撑。提出的相变材料增强换热方法，为缩短温差热机换热时长提供了重要的理论依据。此外，本文建立了能量转化效率模型，为温差能供电系统工程设计与选型提供了新途径。 |
| 作者： | 王国晖 |
| 专业： | 机械工程 |
| 导师： | 王树新 |
| 授予学位： | 博士 |
| 授予学位单位： | 天津大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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