基于多物理场耦合的多节热离子能量转换器设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于多物理场耦合的多节热离子能量转换器设计方法，包括以下步骤：(1)启动多物理场耦合软件，在软件中选择关于多节热离子能量转换器几何结构的二维轴对称组件，向该组件中添加软件的固体传热模块、固体力学模块、表面对表面辐射模块和电流模块；(2)根据多节热离子能量转换器的几何结构建立几何模型，根据几何结构中不同的材料添加相应的物性参数；(3)对几个模块分别设置初始条件和边界条件；(4)对几何模型划分网格；(5)在软件中选择稳态求解器进行计算，通过软件中的优化模块，对多节热离子燃料元件中的换向连接件几何结构、发射极和接收极的长度和位置、极间间隙宽度开展优化计算，从而得到最佳热电转换效率。效率。效率。

【技术实现步骤摘要】
基于多物理场耦合的多节热离子能量转换器设计方法


[0001]本专利技术涉及热离子燃料元件
，特别涉及一种基于多物理场耦合的多节热离子能量转换器设计方法。

技术介绍

[0002]热离子能量转换器的基本原理，即热离子转换技术，根据费米
‑
狄拉克统计理论，当金属温度升高时，金属中电子的平均能量增加，能量超过金属逸出功的电子，有机会从金属中逸出进入真空中。该技术在1950年代被提出，在随后的二十多年主要应用于宇航领域，后来美国首先提出将热离子能量转换器用于热电厂发电机组，发电效率可达50％。理论上，热离子转换技术的热电转换的最大效率比温差发电技术高。但由于热离子转换技术的环境要求限制较为苛刻，一般用于空间核反应堆电源。苏联在1961年开发了ROMASHIKA，BUK，TOPAZ
‑
1和TOPAZ
‑
2四种空间反应堆电力系统。其中TOPAZ
‑
1和TOPAZ
‑
2都是以热堆作为热源，热电转换采用热离子能量转换器。TOPAZ
‑
1使用了多节热离子能量转换器，TOPAZ
‑
2则是用的单节热离子能量转换器。
[0003]相比于单节热离子能量转换器，多节热离子能量转换器在每根燃料棒外沿燃料棒长度方向采用了串联电路结构，因此每节热离子能量转换器长度比单节热离子能量转换器短，在输出电压一定的情况下，多节热离子能量转换器每节电压约为总电压除以节数，因此能够降低回路中的电流密度，从而达到降低回路中的焦耳热损耗的目的，提升热电转换效率。然而，由于串联电路带来的多节热离子能量转换器结构比单节热离子能量转换器更加复杂，因此需要对其中的结构参数进行设计，从而延长热离子能量转换器的使用寿命。对于多节热离子燃料元件的设计主要是通过实验测量不同工况和结构下热离子能量转换器的热电转换效率，进而对结构做出相应改进。但由于热离子能量转换器的运行和测试处于高温环境，并且极间需要维持真空或者填充铯蒸汽，对材料的功函数要求和耐高温要求高，极大地消耗了人力物力和财力。

技术实现思路

[0004]为了解决上述问题，本专利技术的目的在于提供一种基于多物理场耦合的空间堆多节热离子能量转换器设计方法，实现对多节热离子能量转换器温度场、应力场和电势场的数值模拟，以及对多节热离子能量转换器的结构和材料设计，从而获得最优化的热电转换效率和最安全的结构。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0006]一种基于多物理场耦合的多节热离子能量转换器设计方法，包括以下步骤：
[0007](1)启动多物理场耦合软件，在多物理场耦合软件中选择关于多节热离子能量转换器几何结构的二维轴对称组件，向该组件中添加多物理场耦合软件的固体传热模块、固体力学模块、表面对表面辐射模块和电流模块；
[0008](2)根据多节热离子能量转换器的几何结构建立多节热离子能量转换器几何模
型，根据几何结构中不同的材料添加相应的物性参数；
[0009](3)对固体传热模块、固体力学模块、表面对表面辐射模块和电流模块分别设置初始条件和边界条件；
[0010](4)对多节热离子能量转换器几何模型划分网格；
[0011](5)在多物理场耦合软件中选择稳态求解器进行计算，多物理场耦合多物理场耦合软件中的优化模块，对多节热离子能量转换器的换向连接件几何结构、发射极和接收极的长度和位置、极间间隙宽度开展优化计算，从而得到最佳热电转换效率。
[0012]基于上述技术方案，本专利技术技术的进一步改进在于：在所述步骤(1)中，固体传热模块和固体力学模块通过热膨胀和间隙换热过程实现双向耦合，固体传热模块和电流模块通过电磁热和发射极表面的热离子发射过程实现双向耦合。
[0013]基于上述技术方案，本专利技术技术的进一步改进在于：在所述步骤(2)中，所建立的多节热离子能量转换器几何模型包括发射极、接收极、发射极多层管、接收极多层管、换向连接件，根据几何结构中不同的材料具体的传热、力学和电磁性质查阅手册和文献数据，设置材料的物性参数。
[0014]基于上述技术方案，本专利技术技术的进一步改进在于：在所述步骤(3)中，初始条件包括初始温度分布、初始位移分布和初始电势分布，在固体传热模块中的边界条件的设置中使用了间隙换热模型，在电流模块中的边界条件的设置中考虑了热离子发射造成的局部伏安特性和电子冷却现象。
[0015]进一步的，多节热离子能量转换器的间隙换热考虑了间隙中不同气体组分和间隙宽度对换热系数的影响；间隙换热采用下式由Ross和Stoute提出的气体的间隙换热模型来计算间隙的温降h
gas
：
[0016][0017]式中：
[0018]λ
gas
——气体的导热系数；
[0019]d
eff
——在间隙闭合前为(R1+R2)，闭合后为exp(
‑
0.00125P)(R1+R2)，R1和R2分别为两个壁面的粗糙度；
[0020]d——间隙宽度；
[0021](g1+g2)——壁面温度跳跃距离；
[0022]壁面温度跳跃距离的计算公式中考虑了混合气体成分的影响，公式如下：
[0023][0024]式中：
[0025]f
i
——第i种气体的摩尔份额；
[0026]M
i
——第i种气体的摩尔质量；
[0027]a
i
——第i种气体的匹配系数；
[0028]T
gas
——混合气体的温度；
[0029]P
gas
——混合气体的压力。
[0030]热离子发射造成的局部伏安特性通过单节热力子能量转换器伏安特性实验测量的数据进行设置。对于发射极上某一点电子的发射过程，由于电子冷却现象，电子e从发射极带走的总能量密度q
e
为
[0031][0032]式中：
[0033]j——电流密度；
[0034]φ
C
——发射极功函数；
[0035]——发射极电势；
[0036]——接收极电势；
[0037]k
B
——玻尔兹曼常数；
[0038]T
E
——发射极温度；
[0039]e——电子电荷；
[0040]电子向接收极带入的能量密度q
c
为
[0041][0042]由于多节热离子能量转换器节与节之间的电路连接关系为串联，为确定每块发射极和接收极的电势分布，通过在换向连接件处人为引入一个测试电势，并将计算得到的不同发射极的发射电流之差作为电势反馈系数修正该测试电势，通过迭代计算得到换向连接件的真实电势，从而使得该电势能满足不同极板上的电流守恒。
[0043]基于上述技术方案，本专利技术技术的进一步改进在于：在所述步骤(4)中，由于多节本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多物理场耦合的多节热离子能量转换器设计方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)启动多物理场耦合软件，在多物理场耦合软件中选择关于多节热离子能量转换器几何结构的二维轴对称组件，向该组件中添加多物理场耦合软件的固体传热模块、固体力学模块、表面对表面辐射模块和电流模块；(2)根据多节热离子能量转换器的几何结构建立多节热离子能量转换器几何模型，根据几何结构中不同的材料添加相应的物性参数；(3)对固体传热模块、固体力学模块、表面对表面辐射模块和电流模块分别设置初始条件和边界条件；(4)对多节热离子能量转换器几何模型划分网格；(5)在多物理场耦合软件中选择稳态求解器进行计算，通过多物理场耦合软件中的优化模块，对多节热离子能量转换器的换向连接件几何结构、发射极和接收极的长度和位置、极间间隙宽度开展优化计算，从而得到最佳热电转换效率。2.根据权利要求1所述的基于多物理场耦合的多节热离子能量转换器设计方法，其特征在于，在所述步骤(1)中，固体传热模块和固体力学模块通过热膨胀和间隙换热过程实现双向耦合，固体传热模块和电流模块通过电磁热和发射极表面的热离子发射过程实现双向耦合。3.根据权利要求1所述的基于多物理场耦合的多节热离子能量转换器设计方法，其特征在于，在所述步骤(2)中，所建立的多节热离子能量转换器几何模型包括发射极、接收极、发射极多层管、接收极多层管和换向连接件，根据几何结构中不同的材料具体的传热、力学和电磁性质查阅手册和文献数据，设置材料的物性参数。4.根据权利要求1所述的基于多物理场耦合的多节热离子能量转换器设计方法，其特征在于，在所述步骤(3)中，初始条件包括初始温度分布、初始位移分布和初始电势分布，在固体传热模块中的边界条件的设置中使用了间隙换热模型，在电流模块中的边界条件的设置中考虑了热离子发射造成的局部伏安特性和电子冷却现象。5.根据权利要求4所述的基于多物理场耦合的多节热离子能量转换器设计方法，其特征在于，多节热离子能量转换器的间隙换热考虑了间隙中不同气体组分和间隙宽度对换热系数的影响；间隙换热采用下式由Ross和Stoute提出的气体的间隙换热模型来计算间隙的温降h
gas
：式中：λ
gas
——气体的导热系数；d
eff
——在间隙闭合前为(R1+R2)，闭合后为exp(
‑
0.00125P)(R1+R2)，R1和R2分别为两个...

【专利技术属性】
技术研发人员：巫英伟，叶天舟，贺亚男，苏光辉，田文喜，秋穗正，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：