基于热电技术的多功能结构方案研究

论文摘要

本文以高超声速飞行器为应用背景,开展基于热电转换技术的多功能结构的总体方案研究和力学分析、传热分析、热电转换分析。将承力、防/隔热和能源供应系统组合在一起,实现利用飞行器气动热发电并提供电能的目标,在高超声速飞行器热防护系统设计方面迈出重要一步。本文进行了多功能结构总体方案要求和关键技术分析,讨论了基于三种热电转换装置的多功能结构方案,着重研究了半导体温差热电转换装置嵌入金属热防护系统结构方案,并进行了方案的可行性分析。建立了多功能结构主承力部件和半导体温差热电转换装置的力学模型,采用Ansys结构模块,进行了蜂窝夹芯结构力学参数分析、多功能主承力结构和半导体温差热电装置结构受力分析。建立了多功能结构有限元分析模型,进行了多功能结构的模态分析。建立了基于热电转换技术的多功能结构传热分析模型,给出了蜂窝结构等效导热系数的计算方法,进行了多功能结构的传热分析,对比了有无热电转换装置的多层结构温度分布及温度随时间响应情况,进行了整体结构的温度分布分析。分析了热电转换装置的能量传递和转换过程,研究了转换效率和输出功率的影响因素,并进行了系统的不可逆热力学过程分析,研究了热电转换装置的等效导热系数,建立了热电单元的有限元模型,给出了Ansys软件模拟热电单元的过程,分析了基于热电技术的多功能结构热电转换性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 热防护系统研究现状
• 1.2.2 热电技术研究概述
• 1.2.3 多功能结构研究现状
• 1.3 本文研究内容
• 第二章 基于热电技术的多功能结构总体方案研究
• 2.1 引言
• 2.2 多功能结构总体方案技术要求
• 2.3 多功能结构关键技术分析
• 2.4 热防护系统的选择
• 2.5 热电转换装置的选择
• 2.6 基于热电技术的多功能结构方案的提出
• 2.6.1 碱金属热电模型的多功能结构方案
• 2.6.2 热光伏热电模型的多功能结构方案
• 2.6.3 半导体温差热电模型的多功能结构方案
• 2.6.4 本文所采用的多功能结构方案
• 2.6.5 多功能结构方案要求
• 2.6.6 多功能结构思路分析
• 2.7 方案可行性分析
• 2.7.1 金属热防护系统在飞行器上的应用
• 2.7.2 温差热电技术在飞行器上的应用
• 2.8 小结
• 第三章 基于热电技术的多功能结构力学分析
• 3.1 引言
• 3.2 蜂窝夹芯结构力学参数分析
• 3.2.1 基于Y型模型的力学参数
• 3.2.2 几种蜂窝等效模型
• 3.3 多功能结构承力分析
• 3.3.1 主要承力结构
• 3.3.2 上面板的弯曲变形分析
• 3.3.3 温差热电器结构受力分析
• 3.4 整体结构模态分析
• 3.4.1 多功能结构模态分析基础
• 3.4.2 多功能结构的有限元模型
• 3.4.3 模态分析
• 3.5 小结
• 第四章 基于热电技术的多功能结构传热分析
• 4.1 引言
• 4.2 传热理论
• 4.2.1 热传递的基本方式
• 4.2.2 传热控制微分方程
• 4.2.3 热防护系统的防热原理
• 4.3 多功能结构传热数学模型分析
• 4.3.1 蜂窝夹层板的等效参数分析
• 4.3.2 外边界热量平衡分析
• 4.3.3 多功能结构的传热分析
• 4.4 算例分析
• 4.4.1 蜂窝夹层结构等效导热系数分析
• 4.4.2 具有热电转换装置的多功能结构传热分析
• 4.4.3 整体多功能结构的温度场分析
• 4.5 小结
• 第五章 基于热电技术的多功能结构热电转换分析
• 5.1 引言
• 5.2 热电理论
• 5.2.1 赛贝克效应
• 5.2.2 帕尔贴效应
• 5.2.3 汤姆逊效应
• 5.3 热电器能量传递与转换机理
• 5.3.1 热电器能量传递分析
• 5.3.2 热电器效率和输出功率的影响因素分析
• 5.3.3 不可逆过程热力学分析
• 5.4 热电单元等效导热系数分析
• 5.4.1 热电臂的长度对等效导热系数的影响
• 5.4.2 热电臂导热系数随温度变化对等效导热系数的影响
• 5.5 热电单元的有限元分析
• 5.5.1 热电单元的物性参数和边界条件
• 5.5.2 热电单元的有限元模型和求解
• 5.6 多功能结构发电性能分析
• 5.6.1 多功能结构中热电器发电分析
• 5.6.2 多功能结构中热电器输电分析
• 5.7 小结
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果