共线式热电发电机在侧面散热情况下的性能

热电材料是一种环境友好型功能材料,其可以实现热能与电能的相互转化,在热电发电、热电制冷中具有许多应用.传统的热电发电机为$\pi$型结构,要求热电腿的长度相等,在某些情况该结构不利于热电发电机的优化设计.热电发电机在高温工况下会引起强烈的热应力甚至应力集中,从而缩短了其工作寿命.另外,热电发电机的工作温度于环境温度,这样必然会有一部分热量散失到环境中,从而影响热电发电机的性能.针对该现象,本文建立了考虑散热的新型共线式热电发电机模型,该模型的热电腿可以独立进行优化,基于有限元方法,对考虑侧面散热的共线式热电发电机进行了仿真模拟,分析了其在狄利克雷边界条件下的热电性能和力学性能,得到了热电发电机的温度场、电势场、应力场,探究了不同强度的对流散热系数对热电发电机热电性能和力学性能的影响.结果表明,对流散热会降低热电发电机的能量转化效率,当对流换热系数达到~100W/(m$^{2}\cdot$\textcelsius) 时,效率为~0.0479,该值比绝热状态的转化效率0.066 7 低28%.对流散热使热电发电机侧面热损失增加,降低了热应力.在实际应用中,应合理优化设计隔热系统,提高能量的转化效率.      

基于拓扑优化的自发热体冷却用植入式导热路径设计方法

对于具有较低导热系数和较高生热率的热源材料(自发热体),通过优化植入内部的高导热材料的布局以降低内部温度,是实现自发热体冷却的重要措施.如何设计自发热体内部高导热材料的布局,是实现热源内部热量高效收集和温度控制的关键问题.本文研究建立植入式导热路径的拓扑优化设计方法,考虑高导热材料的植入对于热源分布的影响,以实现自发热体冷却的内置导热路径最优设计.基于固体各向同性材料惩罚模型(solid isotropic material with penalization,SIMP)拓扑描述方法,以高导热材料的相对密度为导热路径描述参数,分别选择合适的热传导系数和生热率的插值模型以建立热传导系数和生热率与相对密度的关系,并以结构散热弱度最小为目标,建立了植入式导热路径设计的拓扑优化数学模型和求解方法.该优化模型能够反映高导热材料的布局对热源布局的影响.通过具体算例,给出了贴片式散热路径与植入式散热路径的拓扑优化结果.设计结构表明,两种优化模型获得的最优散热构型存在较大不同,并且考虑植入高导热材料对热源布局影响的设计结果散热性能优于贴片式散热路径的设计结果.数值算例验证了本文所提出方法的正确性和有效性.      

热对流条件下考虑球形夹杂分布的材料热弹接触摩擦热影响分析

机械传动关键活动零部件接触副往往受到力载荷和摩擦热载荷的耦合作用，使得接触界面间的接触力学行为的分析变得极其复杂. 利用基于等效夹杂方法建立的考虑热对流非均质材料热弹接触力学分析模型研究不同摩擦系数、夹杂位置和材料属性等参数对材料表面及内部温升及热应力分布影响规律. 此外，进一步分析了接触副材料中含分布球形夹杂时摩擦热造成的影响. 结果表明:接触副表面温升梯度受热对流系数的影响较大；下表面温升和热应力随摩擦系数增大而增大；分布夹杂则将接触副材料下表面温升及热应力分布变得更为复杂.      

基于遗传算法的温差发电系统模块布局优化设计

温差发电在航空航天等极端环境供电和汽车余热利用等领域具有重要的应用,然而低的热电转换效率严重限制了其发展.目前主要从提高材料本身性能和优化热电模块结构两方面提升性能.本文从整体出发,建立了基于遗传算法的温差发电系统模块布局优化设计方法.融合已有的解析模型,发展了能够快速获得系统电输出功率的性能评估方法;通过遗传算法,以...     

结构层热扩散系数对超薄涂层热力性能的影响

将非傅立叶热传导模型(用于超薄热涂层)与傅立叶热传导模型(用于结构层)相结合 求解温度场,运用有限元法求解热涂层热应力和裂纹驱动力,并分析结构层材料热扩散系数 的变化对热涂层的热力学性能(温度场、应力场和断裂性能)的影响. 研究表明,结构层材 料性能变化对温度场的影响主要表现在热冲击后期,对热应力和裂纹尖端驱动力后期的变化 也有一定的影响.     

高频脉冲管制冷机的蓄冷器源汇模型、流动模拟和参数优化

蓄冷器是脉冲管制冷机的一个关键部件,其工作性能将直接影响整机性能.针对工质在蓄冷器内交变流动的特性,提出了一个新的源/汇项模型来模拟蓄冷器内的流动与换热,同时模型也考虑了气固间的非热平衡.对于蓄冷器和换热器内的固体填料,在一些假定条件的基础上推导得到了固体物质的温度分布的解析解.该模型不需要建立固体的能量方程,减小了计算的工作量,避免了达西定律在高频下不适用的限制条件,并针对交变流动情况下对流换热系数的取值提出了解决方法.新模型的计算结果与实验结果符合良好,验证了模型的可靠性.进一步应用此模型分析了蓄冷器内部的热交换和制冷机理,并进行了蓄冷器的优化设计,对于不同目数,不同丝径,不同材料的丝网,进行了各种情况下蓄冷器的换热性能优化分析.     

脆性材料热-力耦合模型及热破裂数值分析方法

针对混凝土、岩石等脆性材料,利用热传导和热-力耦合的相关理论,并结合材料在细观尺度上的损伤演化规律,提出了一种考虑损伤的热-力耦合模型,并在原有材料破坏过程分析系统RFPA(Realistic Failure Process Analysis)模型的基础上建立了脆性材料热破裂过程分析的数值模拟方法.该方法考虑了脆性材料在细观层次上力学性质的非均匀性(包括强度、弹模、传导系数等),并通过统计分布函数建立了宏、细观力学性能之间的联系.对不同均匀程度材料的数值模拟结果表明:材料的非均匀性对热传导规律、热应力分布以及热破坏模式有较大的影响.材料热力学性质的非均匀性加剧了材料内部热应力分布的非均匀性,这是致使非均匀材料热破裂的一个重要因素.对稳态和瞬态热传导两种条件下的脆性介质破裂过程模拟分析表明,考虑瞬态热传导计算所得到的破裂区小于相同条件下稳态热传导所得到的结果,表明在热破裂过程分析中,应注重考虑瞬态热传导对破裂过程的影响.     

基于热固耦合问题的多尺度拓扑优化设计

基于均质材料的拓扑优化逐渐难以适应现代化生产对工业产品高品质、轻量化的需求,同时很多工业设备经常面临着高温和高负载的工作环境.为了提高结构在温度载荷和机械载荷共同作用下的力学性能,本文提出了一种在稳态热源作用下的热固耦合连续体结构并行化拓扑优化方法.以结构刚度作为目标函数,材料的体分比为约束,利用能量均匀化方法预测微结构的等效属性,建立热固耦合结构并行化拓扑优化数学模型.为便于数值计算,利用直接法进行灵敏度分析,同时采用Heaviside非线性密度过滤技术抑制数值不稳定性,将OC准则算法用于求解优化问题.数值算例表明,本文方法能够有效地进行优化设计且能显著地提高结构的刚度性能和散热性能.     

刚性圆形压头作用下热电材料半平面的无摩擦接触问题

热电材料可以将热能转化为电能,反之亦然,这一优良的性质将有助于研发更具成本效益的设备和器件。本文研究了刚性圆形压头作用在热电材料半平面的无摩擦接触问题。假定压头为电导体、热导体,且压头压入深度及与材料的接触区域宽度未知。首先求解电场和温度场,利用傅里叶变换得到了电势函数、温度、电流密度和能量通量的解析表达式。然后求解弹性场,利用积分变换和边界条件,将该热弹性接触问题转化为第一类奇异积分方程并数值求解。数值结果讨论了压头半径和热电载荷对法向接触应力、电流强度因子和能量通量强度因子的影响。结果表明,对于圆压头,热电材料的法向电流密度、法向能量通量在接触边缘表现出奇异性,而表面法向接触应力在接触边缘为零。本文建立的研究模型有助于更深层次的了解热电材料的接触行为。     

利用摩擦纳米发电机的流体能量俘获研究新进展

环境中的流体 (包括气体和液体) 动能是十分丰富且重要的清洁能源之一, 流体能量可通过不同的能量俘获技术 (电磁发电技术、压电能量俘获技术) 被转化为电能并供人们使用. 自2012年王中林研究团队发明摩擦纳米发电机 (triboelectric nanogenerator, TENG) 以来, TENG已成为了最重要的能量, 俘获技术之一, 并应用于流体能量俘获研究中. 论文综述了当前用于流体能量俘获的摩擦纳米发电机 (fluidic energy harvesting TENG, FEH-TENG) 的研究现状. 介绍了 FEH-TENG 中摩擦电材料之间的电荷转移原理以及基本的工作模式. 在气流动能俘获方面, 流致振动 (如涡激振动、驰振、颤振和尾流驰振等)是一种有效的将流体动力转化为机械能的物理机制, 基于该机制, 总结了FEH-TENG在风能和流致振动能量俘获中的研究进展以及各类能量俘获结构. 液体动能俘获方面总结了 FEH-TENG 在波浪和雨滴能量俘获中的研究进展. 介绍了基于 FEH-TENG的混合能量俘获系统和摩擦电材料优化在提升FEH-TENG流体能量俘获效率方面的研究. 接着介绍了FEH-TENG在不同领域中的应用. 最后讨论了目前 FEH-TENG 在流体能量俘获中存在的问题并提出了一些展望. 论文工作有助于推动FEH-TENG在流体能量俘获领域的发展以及促进相关研究人员对该领域的认识.      

负泊松比蜂窝材料的动力学响应及能量吸收特性

针对传统正方形蜂窝，通过用更小的双向内凹结构胞元替代原蜂窝材料的结构节点，得到了一种具有负泊松比特性的节点层级蜂窝材料模型。利用显式动力有限元方法，研究了冲击荷载作用下该负泊松比蜂窝结构的动力学响应及能量吸收特性。研究结果表明，除了冲击速度和相对密度，负泊松比蜂窝材料的动力学性能亦取决于胞元微结构。与正方形蜂窝相比，该负泊松比层级蜂窝材料的动态承载能力和能量吸收能力明显增强。在中低速冲击下，试件表现为拉胀材料明显的"颈缩"现象，并展示出负泊松比材料独特的平台应力增强效应。基于能量吸收效率方法和一维冲击波理论，给出了负泊松比蜂窝材料的密实应变和动态平台应力的经验公式，以预测该蜂窝材料的动态承载能力。本文的研究将为负泊松比多胞材料冲击动力学性能的多目标优化设计提供新的设计思路。     

热电材料孔边周期裂纹问题的热电弹分析

论文研究了均匀电流密度和能量流作用下,热电材料中带4k个周期径向裂纹的圆形孔口问题.考虑非渗透型电和热边界条件,运用复变函数理论和保形映射方法,得到了热电材料中电流密度、能量密度和应力场的精确解.依据断裂力学理论,运用Cauchy积分公式得到了周期裂纹的电流、能量和应力强度因子.数值结果分析了场强度因子随各个参数的变化...     

摆式摩擦发电机非线性机电耦合建模研究

面向摆式摩擦发电机结构优化设计需求,开展非线性机电耦合建模与参数敏感性分析,以推动其向工程实用化方向发展.在摩擦发电机理分析的基础上,构建等效电容拟合函数;结合能量原理和等效电路法,建立了考虑摆角非线性变化的机电耦合模型.利用谐波平衡法,解析求解摆式摩擦发电机的周期稳态输出,并判断结果稳定性.结合数值积分和动态测试两种手段,验证谐波平衡分析的准确性.与线性模型结果进行深入对比,并考察了不同设计参数对摆式摩擦发电机输出特性的影响.考虑非线性效应,模型预估的工作带宽显著增加(相对增量83%).文章提出的机电耦合模型能够有效避免线性模型对工作带宽的低估问题,显著提升输出性能估计的准确性;增加激励幅值、降低系统阻尼或减小电极夹角,均有助于提升摆式摩擦发电机的输出表现;在实际设计时,需综合考虑间隙长度和摩擦力幅值,以使摆式摩擦发电机输出表现处于较优状态;构建多种拟合模型用于表征设计参数与输出性能的关系,可作为摆式摩擦发电机输出性能设计的依据.     

基于COMSOL的简化对流传热结构拓扑优化方法

提出了一种基于COMSOL平台的简化对流传热结构拓扑优化实现方法。简化对流传热拓扑优化可用于获得性能更优的散热结构概念设计,但缺乏可行性强和适用范围广的实现方法,导致工程应用存在较高的技术门槛。为解决该问题,本研究采用在经典传热方程中引入对流换热项的方式,建立了可用于COMSOL平台简化对流换热分析的控制方程。进一步的,结合COMSOL平台提供的传热分析模块以及拓扑优化模块,搭建了简化对流传热结构拓扑优化计算框架。数值算例考虑了经典二维和三维的简化对流传热结构优化设计问题。结果显示了本文方法的有效性及可行性。     

多相材料传热微结构的多目标优化设计

提出基于散热弱度的材料微结构热传导性能的预测方法,分别从理论和数值上验证该方法与均匀化方法的等效性;推导出微结构等效热传导系数的灵敏度计算格式,建立传热微结构拓扑优化的数学模型.以二维、三维多相材料等效热传导系数的加权组合为目标,采用凸规划对偶优化算法和二次型周长约束进行材料微结构的设计和材料分布的棋盘格控制.数值算例表明基于散热弱度的传热材料微结构设计是可行、有效的,可以为实际的材料设计提供依据.     

考虑材料温度相关性的二维轮轨弹塑性滑动接触温升分析

轮轨滑动接触温升的准确预测对于轮轨的磨耗和疲劳研究均具有重要意义. 目前的轮轨温升解析或半解析模型通常考虑Hertz弹性接触压力分布和单一材料属性的温度相关性, 与实际的轮轨传热状态尚有一定偏差, 因此在轮轨滑动温升计算模型中考虑接触压力的塑性修正和多种材料属性的温度相关性, 有望提高温升预测结果的准确性. 基于弹塑性接触理论, 同时考虑热导率、比热容和摩擦系数的温度相关性, 通过基尔霍夫变换方法以热导率温度相关性函数的积分作为待求量, 将复杂的非线性Fourier导热方程转化成含单个变系数的简单偏微分方程形式, 从而构建了一种不限制材料温度相关性函数形式的统一隐式差分求解格式, 分别讨论了对流换热系数、法向载荷、蠕滑率以及行车速度对钢轨表面滑动温升的影响. 结果表明, 当列车高速行驶时, 对流换热系数对轮轨滑动温升的影响甚微; 蠕滑率和行车速度的增大, 均会引起摩擦功率的增大, 进而导致钢轨表面温度的升高; 钢轨表面滑动温升的峰值随法向载荷的增大而近似线性上升. 此外, 在轮轨滑动温升计算模型中考虑材料属性的温度相关性可有效避免对滑动温升的过分高估, 且摩擦系数的温度相关性对温升的影响要显著强于热导率和比热容.      

FRICTIONAL TEMPERATURE ANALYSIS OF TWO-DIMENSIONAL ELASTO-PLASTIC WHEEL-RAIL SLIDING CONTACT WITH TEMPERATURE-DEPENDENT MATERIAL PROPERTIES 1)

轮轨滑动接触温升的准确预测对于轮轨的磨耗和疲劳研究均具有重要意义. 目前的轮轨温升解析或半解析模型通常考虑Hertz弹性接触压力分布和单一材料属性的温度相关性, 与实际的轮轨传热状态尚有一定偏差, 因此在轮轨滑动温升计算模型中考虑接触压力的塑性修正和多种材料属性的温度相关性, 有望提高温升预测结果的准确性. 基于弹塑性接触理论, 同时考虑热导率、比热容和摩擦系数的温度相关性, 通过基尔霍夫变换方法以热导率温度相关性函数的积分作为待求量, 将复杂的非线性Fourier导热方程转化成含单个变系数的简单偏微分方程形式, 从而构建了一种不限制材料温度相关性函数形式的统一隐式差分求解格式, 分别讨论了对流换热系数、法向载荷、蠕滑率以及行车速度对钢轨表面滑动温升的影响. 结果表明, 当列车高速行驶时, 对流换热系数对轮轨滑动温升的影响甚微; 蠕滑率和行车速度的增大, 均会引起摩擦功率的增大, 进而导致钢轨表面温度的升高; 钢轨表面滑动温升的峰值随法向载荷的增大而近似线性上升. 此外, 在轮轨滑动温升计算模型中考虑材料属性的温度相关性可有效避免对滑动温升的过分高估, 且摩擦系数的温度相关性对温升的影响要显著强于热导率和比热容.     

非线性振动能量俘获技术的若干进展

随着工程中低功耗电子设备和自供能无线传感网络的迅速发展, 使得振动能量俘获在航空航天工程、机械工程、生物医学工程和可持续能源工程等领域得到了广泛地应用. 振动能量俘获不仅可以将振动能转化为可用的电能为微电子设备供电, 还能减少有害振动保护仪器设备. 根据振动能量不同转换机制, 可以将振动能量俘获系统分为静电式、电磁式、压电式、磁致伸缩式、摩擦起电式以及它们的混合式. 其中压电和电磁振动能量转化机制由于结构简单、容易组装、能量转换性能高等优点, 已被广泛应用于各种工程领域中. 受极端环境干扰, 工程中容易出现宽带、低频等振动, 迫使振动能量俘获技术向非线性方向迅猛发展, 进一步吸引了诸多学者对振动能量俘获系统的结构和电路进行优化设计研究. 本文首先综述了非线性振动能量俘获技术近十年来的研究进展, 主要包括设计技术基础、非线性结构设计、动力学分析等方面的研究现状. 其次, 重点阐述了振动能量俘获与振动抑制一体化的主要研究成果, 包括非线性准零刚度和非线性能量汇在振动能量俘获领域的应用. 最后, 总结了振动能量俘获外接电路和主动控制策略的优化设计, 分析了进一步提升非线性振动能量俘获效能的有效方法.      

考虑内部胞元能量等效的代表体元法

具有周期性胞元的超轻质材料在制造和应用过程中,不可避免地会出现基体材料、微结构拓扑和尺寸的随机性变化.此时,评价材料的等效弹性性能需要借助基于均匀化方法(周期性边界条件)或代表体元法(周期性边界条件,均匀应力或均匀应变边界条件等)的蒙特卡洛模拟.该文首先通过算例分析和比较了不同边界条件下的数值结果,讨论了结果的尺度效应和对胞元选取的依赖性.为了提高和改善Dirichlet边界条件下的计算效率和结果,提出了一种考虑内部胞元能量等效的代表体元法.该方法能够有效削弱边界条件和胞元选取的影响,从而实现了采用较小的代表体元得到更好的结果.数值算例验证了方法在预测确定性材料和随机性材料等效模量时的有效性.     

孔洞放电热应力

本文研究介电材料内含空气圆孔在外加均匀电场作用下放电而引起的热应力.首先推导了圆孔放电前的临界电能,然后将复杂的放电效应简化为只存在热效应,并假设临界电能全部转化为热能且沿圆周均匀分布,计算了圆周附近的热应力.最后以聚乙烯材料作为算例,讨论了圆孔尺寸、材料常数等对热应力集中的影响,以及孔洞放电产生的径向应力和环向应力的变化规律.结果表明孔洞放电所引起的热应力集中以孔边的环向应力为主,而且材料放热系数越小,径向应力、环向应力集中程度越明显.