AMTEC通流性能研究

论文摘要

碱金属热电直接转换（Alkali Metal Thermal to Electric Converter- AMTEC）是一种新型的热电直接转换技术。具有热电转换效率高、无运动部件、易维护等优点。冷凝器、毛细输运段和毛细蒸发器是AMTEC的关键部件,起着接收能量、传递热量、组织工质蒸发和冷凝、提供工质循环动力的作用。本文将对不同结构条件下的AMTEC部件特性进行数值模拟研究。本文在达西方程基础上建立了一个轴对称模型。利用该模型对AMTEC冷凝器和毛细蒸发器内工质的流动、传热和相变现象进行了数值模拟。在数值模拟过程中,通过添加源项的方法解决了相变过程中质量、动量和能量的传递。同时,采用VOF方法对气液界面进行了追踪,采用相位场方法（PFM）对液气界面进行了捕捉。不仅分析了工作温度对数值模拟结果的影响,还研究了有效孔径和孔隙率等结构参数对毛细结构回路的相变界面位置、温度分布和质量流量的影响。模拟结果表明,从冷凝器启动到液态钠完全充满多孔冷凝器,需要8.0s左右的时间；当冷凝器由于某种原因工况发生改变时,如工作温度升高,会对冷凝器的工作性能有很大影响,甚至会造成冷凝器失效,这是需要设计者注意并避免的；毛细孔径和孔隙率对毛细蒸发器回路的工作性能有很大影响。综合比较,毛细孔径的影响程度要大于孔隙率对毛细蒸发器工作性能的影响；毛细蒸发器进口温度只对液态钠蒸发位置有影响,而对多孔材料通流能力并没有明显的作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究目的和意义
• 1.2 国内外发展及研究现状
• 1.2.1 AMTEC研究现状及发展趋势
• 1.2.2 蒸发冷却技术发展和研究现状
• 1.2.3 气液两相流运动界面研究方法研究现状
• 1.3 论文的主要研究内容
• 第2章 AMTEC系统组成及热力循环分析
• 2.1 引言
• 2.2 AMTEC系统简介
• 2.2.1 AMTEC工作原理简介
• 2.2.2 AMTEC的主要部件
• 2.2.3 AMTEC的优点
• 2.3 AMTEC热力循环分析
• 2.3.1 液阳极AMTEC热力循环过程分析
• 2.3.2 气阳极AMTEC热力学循环分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 AMTEC性能分析模型
• 3.1 引言
• 3.2 整体性能分析模型
• 3.2.1 理论推导
• 3.2.2 效率分析
• 3.3 压力损失模型
• 3.3.1 钠蒸气压力
• 3.3.2 钠离子的平均自由程
• 3.3.3 钠蒸气压力损失分析
• 3.4 电特性分析模型
• 3.4.1 开路电压和极化损失
• 3.4.2 BASE离子阻抗
• 3.4.3 集流器损失
• 3.4.4 电流电压计算
• 3.4.5 外导线损失
• 3.5 热分析模型
• 3.5.1 热模型
• 3.5.2 计算求解过程
• 3.6 本章小结
• 第4章 数值计算方法及相关理论
• 4.1 引言
• 4.2 数值模拟方法介绍
• 4.2.1 有限体积法
• 4.2.2 VOF方法
• 4.2.3 相位场方法
• 4.3 多孔介质传热传质理论
• 4.3.1 多孔介质参数
• 4.3.2 多孔介质传热传质过程
• 4.4 源项处理
• 4.5 本章小结
• 第5章 数值模拟结果与分析
• 5.1 引言
• 5.2 冷凝器工作性能研究
• 5.2.1 冷凝器计算模型
• 5.2.2 参数选取及假设条件
• 5.2.3 数值模拟结果分析
• 5.3 多孔芯结构参数对通流性能的影响
• 5.3.1 理论分析
• 5.3.2 毛细输运段通流性能研究
• 5.4 毛细蒸发器工作特性研究
• 5.4.1 进口温度对毛细蒸发器的影响
• 5.4.2 孔径对毛细蒸发器的影响
• 5.4.3 孔隙率对毛细蒸发器的影响
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢