[发明专利]具有针形翅片结构的环状热电发电机的性能优化方法及装置

权利要求书

1.一种具有针形翅片结构的环状热电发电机的性能优化方法，用于衡量和优化针形翅片结构对环状热电发电机输出性能的影响，其特征在于，包括：

步骤一，明确影响环状热电发电机输出性能的X个变量因素，所述变量因素包括热空气特性和针形翅片结构，确定每个变量因素对应的Y个初始数据，采用田口法对所有初始数据进行正交阵列实验组合，获得X个变量因素对应的若干组正交阵列实验组合；

步骤二，建立具有针形翅片结构的环状热电发电机装置三维数值模型，将三维数值模型网格划分，对若干组正交阵列实验组合进行流体场-热场-电场仿真耦合，求解流体场、热场、以及电场的控制方程，具体为：对热交换器单元中的热空气通道(1)内热空气、以及冷却水通道(3)内冷却水进行流体场仿真耦合；对热电模块单元中的针形翅片(2)、热空气通道(1)、热电偶(5)、以及冷却水通道(3)进行热场仿真耦合；对热电模块单元中的热电偶(5)、以及热电发电机中串联的负载电阻进行电场仿真耦合；

步骤三，提出用净功率和转换效率作为衡量热电发电机输出性能的两个指标，并确定热电发电机的净功率、及转换效率的数学方程式，获得每个变量因素对应的若干个净功率和若干个转换效率；

步骤四，引入以净功率、或转换效率表示的信噪比参数，分别模拟出每个变量因素对应的若干个净功率信噪比、或若干个转换效率信噪比，计算出同一变量因素同一初始数据对应的平均净功率信噪比、或平均转换效率信噪比，确定同一变量因素对应的最大平均净功率信噪比、或最大平均转换效率信噪比，并将该最大平均净功率信噪比、或最大平均转换效率信噪比对应的初始数据作为该变量因素的最优初始数据，最后将X个变量因素各自对应的最优初始数据作为影响环状热电发电机输出性能的最优参数组合。

2.根据权利要求1所述的具有针形翅片结构的环状热电发电机的性能优化方法，其特征在于：步骤一中，X个所述变量因素为热空气温度、热空气质量流量、针形翅片高度、针形翅片直径、以及针形翅片数量。

3.根据权利要求1所述的具有针形翅片结构的环状热电发电机的性能优化方法，其特征在于：步骤二中，通过Ansys/Spaceclaim软件建立具有针形翅片结构的环状热电发电机装置三维数值模型，通过Ansys/Fluent软件对若干组正交阵列实验组合进行流体场仿真耦合，通过Ansys/thermal-electric软件对若干组正交阵列实验组合进行热场-电场仿真耦合。

4.根据权利要求3所述的具有针形翅片结构的环状热电发电机的性能优化方法，其特征在于：步骤二中，所述热空气通道(1)内热空气、以及冷却水通道(3)内冷却水采用重整化群k-ε湍流模型，所述流体场的控制方程为

式中，

v表示热空气流体速度，

P表示热空气压力，

μ表示热空气动态粘度，

λ表示热导率，

T表示热空气温度，

ρ表示热空气密度，

k表示湍流动能，

c表示比热容，

u_i表示X_i方向的速度，

α_k表示k的逆有效普朗特数，

μ_eff表示有效动态粘度，

G_k表示平均速度梯度产生的湍流动能，

G_b表示浮力产生的湍流动能，

ε表示摩擦损失系数，

Y_M表示脉动膨胀的贡献，

α_ε表示ε的逆有效普朗特数，

C_1ε表示经验常数，取值1.44，

C_2ε表示经验常数，取值1.92，

C_3ε是可压流计算中于浮力相关的系数，当主流与重力方向平行时，C_3ε＝1.0；当主流与重力方向垂直时，C_3ε＝0，

R_ε为自定义。