車載熱電發(fā)電裝置將汽車尾氣中的熱量轉(zhuǎn)化為可利用的電能,可以提高汽車燃油利用率,但是轉(zhuǎn)化效率較低是阻礙其推廣使用的主要因素。為了提高車載熱電發(fā)電裝置的效率,本文提出在熱電裝置與消聲器集成的基礎(chǔ)上,引入多孔材料,改善系統(tǒng)發(fā)電性能的同時(shí),解決消聲性能降低的問題。本文基于傳熱學(xué)、計(jì)算流體力學(xué)基本理論,建立了集成式熱電裝置中換熱器的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)的多場(chǎng)耦合數(shù)值模型。以換熱器壁面溫度和壓力損失作為評(píng)價(jià)指標(biāo),運(yùn)用流體分析軟件FLUENT,采用多孔介質(zhì)模型模擬多孔材料的流場(chǎng)特性,通過迭代計(jì)算分析多孔材料對(duì)熱電裝置熱流場(chǎng)的影響特性。利用聲學(xué)仿真軟件LMS Virtual.Lab和聲學(xué)有限元計(jì)算的方法,采用Johnson-Champoux-Allard等效流體模型描述多孔材料的聲學(xué)特性,研究換熱器不同頻段的傳遞損失,歸納多孔材料對(duì)熱電發(fā)電裝置消聲性能的影響規(guī)律。首先,在分析熱電發(fā)電裝置與消聲器集成結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)上,結(jié)合其內(nèi)流場(chǎng)和聲場(chǎng)分布特點(diǎn),提出了在換熱器內(nèi)壁面、穿孔管壁面、穿孔板壁面和管尾四種多孔材料可能布置方式,針對(duì)每一種布置方式分別建立了換熱器的流體和聲學(xué)計(jì)算模型,通過對(duì)換熱器進(jìn)行熱流場(chǎng)和聲場(chǎng)仿真,分析不同布置方式的多孔材料對(duì)熱電發(fā)電裝置性能的影響特性。結(jié)果表明:方案一對(duì)壁面整體溫度的提高效果最好,方案四對(duì)壁面溫度均勻性的改善效果最佳,對(duì)熱電裝置壓力損失影響也最大;方案二和方案三的方式對(duì)消聲器的綜合聲學(xué)性能提高較好。依據(jù)對(duì)布置方式影響規(guī)律的研究基礎(chǔ),針對(duì)孔隙率、孔密度、材料厚度三個(gè)參數(shù),分別分析了其對(duì)熱電發(fā)電裝置的熱流場(chǎng)影響特性,并得出結(jié)論低孔隙率、高孔密度和一定厚度的材料具有最佳溫度和發(fā)電效果,而高孔隙率、低孔密度和最低厚度的材料對(duì)減小壓力損失最有利。然后分析了孔隙率、孔密度、材料厚度三個(gè)參數(shù)對(duì)熱電發(fā)電裝置聲學(xué)性能的影響規(guī)律,研究結(jié)論為提高孔隙率、孔密度和厚度均可提高裝置傳遞損失。為了深入了解多孔材料各參數(shù)對(duì)熱電發(fā)電裝置綜合性能的影響重要程度,采用層次分析法對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià),計(jì)算結(jié)果表明,對(duì)綜合性能的影響權(quán)重由高到低依次為材料厚度、孔隙率和孔密度。本研究創(chuàng)新的提出在熱電裝置中應(yīng)用多孔材料的思路,并對(duì)其參數(shù)特性進(jìn)行分析,為熱電發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了理論依據(jù)。
【學(xué)位單位】：武漢理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：U463
【部分圖文】：

能量回收效率。對(duì)懸架系統(tǒng)的能量再利用技術(shù)與前幾種不同，懸架系統(tǒng)中的熱量相對(duì)較少，要是回收其振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為電能。張晗[14]等建立了饋能式懸架系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)型，通過仿真計(jì)算和實(shí)車試驗(yàn)，分析了饋能式懸架系統(tǒng)的能量回收效率和價(jià)。.2.2 汽車尾氣熱電發(fā)電技術(shù)研究現(xiàn)狀熱電技術(shù)最早起源于 1821 年，塞貝克在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，用兩種金屬導(dǎo)線組成合回路時(shí)，若導(dǎo)線的兩個(gè)連接點(diǎn)處存在溫度梯度，則會(huì)在回路中產(chǎn)生電流，在附近產(chǎn)生磁場(chǎng)。這種現(xiàn)象之后被人們定義為塞貝克效應(yīng)（Seebeck Effect），稱熱電第一效應(yīng)。自此熱電技術(shù)引起了專家學(xué)者們的廣泛研究，將其應(yīng)用于事、航天、海洋、汽車等熱能的回收利用。熱電技術(shù)在汽車上的應(yīng)用主要是過安裝于排氣管中的尾氣發(fā)電系統(tǒng)，吸收尾氣的熱能轉(zhuǎn)化為電能，具有節(jié)能排的效果。

圖 1-2 美國(guó) GMZ 與軍方合作開發(fā)的高溫?zé)犭娧b置氣熱電發(fā)電技術(shù)并沒有在汽車上廣泛應(yīng)用，仍然局段，其車載應(yīng)用存在的最大挑戰(zhàn)是發(fā)電效率低，為致力于研發(fā)高效的熱電器件、集熱器的有效傳熱技理與性能匹配。器件效率的研究途徑主要是尋求新的高效半導(dǎo)體熱和更加先進(jìn)的計(jì)算技術(shù)。熱電材料的性能主要通過T 是一種無量綱指標(biāo)，與材料的塞貝克系數(shù)的二次與材料的熱導(dǎo)率成反比關(guān)系。優(yōu)異性能的熱電材料需要尋找具有高塞貝克系數(shù)與電導(dǎo)率，并且熱導(dǎo)率結(jié)了近年來在載流子濃度梯度、分段梯度兩種梯度、納米復(fù)合材料、量子井薄膜材料等低維納米材料]等人總結(jié)了提高材料 ZT 值的兩種常用方法，一種調(diào)控晶粒尺寸、載流子濃度和遷移率，另一種是通

插入縱向渦流發(fā)生器來提高換熱器傳熱效率和表明：插入縱向渦流發(fā)生器的熱電裝置的開路。Chen Wen hsin[24]等人為提高熱電發(fā)電系統(tǒng)的內(nèi)部翅片的寬度與厚度、熱端溫度和外部負(fù)載得出了熱端溫度的影響最大和翅片寬度影響最第一階段優(yōu)化，第二階段對(duì)電流曲線進(jìn)行優(yōu)化計(jì)熱電裝置的總輸出電量可提高約 6%。Hsu Cheng等人同樣以換熱器壁面溫度為優(yōu)化目標(biāo)，分別對(duì)布置方式及各項(xiàng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算。式雖然能有效提高換熱器的傳熱效率，但是同過高的排氣背壓會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)功率降低。Mune用凹坑式的非光滑壁面結(jié)構(gòu)，通過計(jì)算與實(shí)驗(yàn)雷諾數(shù)，從而強(qiáng)化壁面?zhèn)鳠�。但是這種結(jié)構(gòu)的缺換熱器壁面厚度減小，整個(gè)裝置的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降

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