[發明專利]基于多物理場耦合的多節熱離子能量轉換器設計方法

在審

• 申請號: 202211522281.8
• 申請日: 2022-11-30
• 公開（公告）號: CN115795869A
• 公開（公告）日: 2023-03-14
• 發明（設計）人: 巫英偉;葉天舟;賀亞男;蘇光輝;田文喜;秋穗正
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F30/17;G06F111/10;G06F111/20;G06F119/08;G06F119/14;G06F111/04
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 何會俠

1.一種基于多物理場耦合的多節熱離子能量轉換器設計方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)啟動多物理場耦合軟件，在多物理場耦合軟件中選擇關于多節熱離子能量轉換器幾何結構的二維軸對稱組件，向該組件中添加多物理場耦合軟件的固體傳熱模塊、固體力學模塊、表面對表面輻射模塊和電流模塊；

(2)根據多節熱離子能量轉換器的幾何結構建立多節熱離子能量轉換器幾何模型，根據幾何結構中不同的材料添加相應的物性參數；

(3)對固體傳熱模塊、固體力學模塊、表面對表面輻射模塊和電流模塊分別設置初始條件和邊界條件；

(4)對多節熱離子能量轉換器幾何模型劃分網格；

(5)在多物理場耦合軟件中選擇穩態求解器進行計算，通過多物理場耦合軟件中的優化模塊，對多節熱離子能量轉換器的換向連接件幾何結構、發射極和接收極的長度和位置、極間間隙寬度開展優化計算，從而得到最佳熱電轉換效率。

2.根據權利要求1所述的基于多物理場耦合的多節熱離子能量轉換器設計方法，其特征在于，在所述步驟(1)中，固體傳熱模塊和固體力學模塊通過熱膨脹和間隙換熱過程實現雙向耦合，固體傳熱模塊和電流模塊通過電磁熱和發射極表面的熱離子發射過程實現雙向耦合。

3.根據權利要求1所述的基于多物理場耦合的多節熱離子能量轉換器設計方法，其特征在于，在所述步驟(2)中，所建立的多節熱離子能量轉換器幾何模型包括發射極、接收極、發射極多層管、接收極多層管和換向連接件，根據幾何結構中不同的材料具體的傳熱、力學和電磁性質查閱手冊和文獻數據，設置材料的物性參數。

4.根據權利要求1所述的基于多物理場耦合的多節熱離子能量轉換器設計方法，其特征在于，在所述步驟(3)中，初始條件包括初始溫度分布、初始位移分布和初始電勢分布，在固體傳熱模塊中的邊界條件的設置中使用了間隙換熱模型，在電流模塊中的邊界條件的設置中考慮了熱離子發射造成的局部伏安特性和電子冷卻現象。

5.根據權利要求4所述的基于多物理場耦合的多節熱離子能量轉換器設計方法，其特征在于，多節熱離子能量轉換器的間隙換熱考慮了間隙中不同氣體組分和間隙寬度對換熱系數的影響；間隙換熱采用下式由Ross和Stoute提出的氣體的間隙換熱模型來計算間隙的溫降h_gas：

式中：

λ_gas——氣體的導熱系數；

d_eff——在間隙閉合前為(R₁+R₂)，閉合后為exp(-0.00125P)(R₁+R₂)，R₁和R₂分別為兩個壁面的粗糙度；

d——間隙寬度；

(g₁+g₂)——壁面溫度跳躍距離；

壁面溫度跳躍距離的計算公式中考慮了混合氣體成分的影響，公式如下：

式中：

f_i——第i種氣體的摩爾份額；

M_i——第i種氣體的摩爾質量；

a_i——第i種氣體的匹配系數；

T_gas——混合氣體的溫度；

P_gas——混合氣體的壓力。

6.根據權利要求4所述的基于多物理場耦合的多節熱離子能量轉換器設計方法，其特征在于，熱離子發射造成的局部伏安特性通過單節熱力子能量轉換器伏安特性實驗測量的數據進行設置。