高超聲速飛行器在稠密大氣中因高速摩擦會產生大量的氣動熱,目前沒有任何材料能夠在與任務相當?shù)臅r間尺度上承受這些載荷,這對飛行器的熱管理系統(tǒng)提出了更高的要求。本論文基于熱電技術,針對高超聲速飛行器的環(huán)境控制與熱量管理系統(tǒng)的熱防護任務需求,提出了一種新型熱-電轉換系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用相變材料對氣動熱流進行收集并構建穩(wěn)定的溫度梯度,然后將熱能通過熱電發(fā)電器轉化成電能,并將電能直接驅動熱電制冷器對艙內高發(fā)熱功率的電子設備進行局部冷卻。在降低飛行器表面溫度的同時將氣動熱量在航天器不同空間進行有效轉移,實現(xiàn)了熱量的轉化應用。針對這種熱-電轉換系統(tǒng),采用ANSYS軟件對熱電器件進行模擬,研究了溫差、ZT值、負載電阻、輸入電流等因素對熱電器件性能的影響規(guī)律。運用逆推法對熱-電轉換系統(tǒng)分析,結果表明:調節(jié)熱電發(fā)電器兩端的溫差或者改變p-n結的數(shù)量可以實現(xiàn)熱電制冷器的精準溫控。由于熱電器件的關鍵性能在相同條件下無法同時達到最大,需要對其進行優(yōu)化分析。采用田口優(yōu)化法對熱電器件進行單目標優(yōu)化分析,采用響應曲面法對熱電器件進行多目標優(yōu)化,并對優(yōu)化后的最佳參數(shù)進行了模擬驗證。再基于熱阻模型,無量綱化相關參數(shù),利用能量守... 

【文章頁數(shù)】：88 頁

【學位級別】：碩士

【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
第1章 緒論
    1.1 課題的研究背景及意義
    1.2 熱電材料及器件的研究進展
        1.2.1 熱電材料的研究現(xiàn)狀
        1.2.2 熱電器件結構的研究現(xiàn)狀
        1.2.3 熱電器件上PCM的應用
    1.3 本文的主要研究內容
第2章 熱電器件的理論模型及優(yōu)化方法
    2.1 引言
    2.2 熱電轉換效應
        2.2.1 Seebeck效應
        2.2.2 Peltier效應
        2.2.3 Thomson效應
    2.3 ANSYS熱電模型
    2.4 熱電器件的控制方程
        2.4.1 TEG的控制方程
        2.4.2 TEC的控制方程
    2.5 熱電器件的優(yōu)化方法
        2.5.1 Taguchi優(yōu)化法
        2.5.2 響應曲面優(yōu)化法
        2.5.3 無量綱化分析法
第3章 典型熱電器件及能量轉換系統(tǒng)性能模擬
    3.1 引言
    3.2 TEG模塊性能模擬
        3.2.1 單個熱電單元性能模擬
        3.2.2 TEG結構及材料參數(shù)
        3.2.3 溫差對TEG性能的影響
        3.2.4 負載電阻對TEG性能的影響
        3.2.5 熱電優(yōu)值對TEG性能的影響
    3.3 TEC模塊性能模擬
        3.3.1 電流和溫差對TEC性能的影響
        3.3.2 熱電優(yōu)值對TEC性能的影響
    3.4 熱-電轉換系統(tǒng)性能分析
    3.5 本章小結
第4章 熱電器件及能量轉換系統(tǒng)的多參數(shù)目標優(yōu)化
    4.1 引言
    4.2 TEG的多參數(shù)目標優(yōu)化
        4.2.1 TEG單目標優(yōu)化
        4.2.2 TEG多目標優(yōu)化
    4.3 TEC的多參數(shù)目標優(yōu)化
        4.3.1 TEC單目標優(yōu)化
        4.3.2 TEC多目標優(yōu)化
    4.4 熱-電轉換系統(tǒng)優(yōu)化分析
    4.5 本章小結
第5章 熱-電轉換系統(tǒng)的構建與實驗驗證
    5.1 引言
    5.2 相變儲能復合材料的制備與表征
        5.2.1 實驗原料及設備
        5.2.2 測試方法
        5.2.3 相變儲能復合材料的制備工藝
        5.2.4 相變儲能復合材料的表征
    5.3 基于PCMS的熱電發(fā)電系統(tǒng)的實驗研究
        5.3.1 實驗裝置及步驟
        5.3.2 基于PCMs熱電發(fā)電系統(tǒng)性能特征
    5.4 熱電制冷系統(tǒng)的實驗研究
        5.4.1 實驗裝置及步驟
        5.4.2 熱電制冷系統(tǒng)性能特征
    5.5 基于PCMS的熱-電轉換系統(tǒng)實驗研究
        5.5.1 實驗裝置及步驟
        5.5.2 熱-電轉換系統(tǒng)性能表征
    5.6 本章小結
結論
參考文獻
致謝



本文編號：3724667