[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

本發明公開了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，包括以下步驟：(1)啟動多物理場耦合軟件，在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)對幾個模塊分別設置初始條件和邊界條件；(4)對幾何模型劃分網格；(5)在軟件中選擇穩態求解器進行計算，通過軟件中的優化模塊，對多節熱離子燃料元件中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。

技術領域

本發明涉及熱離子燃料元件技術領域，特別涉及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。

背景技術

熱離子能量轉換器的基本原理，即熱離子轉換技術，根據費米-狄拉克統計理論，當金屬溫度升高時，金屬中電子的平均能量增加，能量超過金屬逸出功的電子，有機會從金屬中逸出進入真空中。該技術在1950年代被提出，在隨后的二十多年主要應用于宇航領域，后來美國首先提出將熱離子能量轉換器用于熱電廠發電機組，發電效率可達50％。理論上，熱離子轉換技術的熱電轉換的最大效率比溫差發電技術高。但由于熱離子轉換技術的環境要求限制較為苛刻，一般用于空間核反應堆電源。蘇聯在1961年開發了ROMASHIKA，BUK，TOPAZ-1和TOPAZ-2四種空間反應堆電力系統。其中TOPAZ-1和TOPAZ-2都是以熱堆作為熱源，熱電轉換采用熱離子能量轉換器。TOPAZ-1使用了多節熱離子能量轉換器，TOPAZ-2則是用的單節熱離子能量轉換器。

相比于單節熱離子能量轉換器，多節熱離子能量轉換器在每根燃料棒外沿燃料棒長度方向采用了串聯電路結構，因此每節熱離子能量轉換器長度比單節熱離子能量轉換器短，在輸出電壓一定的情況下，多節熱離子能量轉換器每節電壓約為總電壓除以節數，因此能夠降低回路中的電流密度，從而達到降低回路中的焦耳熱損耗的目的，提升熱電轉換效率。然而，由于串聯電路帶來的多節熱離子能量轉換器結構比單節熱離子能量轉換器更加復雜，因此需要對其中的結構參數進行設計，從而延長熱離子能量轉換器的使用壽命。對于多節熱離子燃料元件的設計主要是通過實驗測量不同工況和結構下熱離子能量轉換器的熱電轉換效率，進而對結構做出相應改進。但由于熱離子能量轉換器的運行和測試處于高溫環境，并且極間需要維持真空或者填充銫蒸汽，對材料的功函數要求和耐高溫要求高，極大地消耗了人力物力和財力。

發明內容

為了解決上述問題，本發明的目的在于提供一種基于多物理場耦合的空間堆多節熱離子能量轉換器設計方法，實現對多節熱離子能量轉換器溫度場、應力場和電勢場的數值模擬，以及對多節熱離子能量轉換器的結構和材料設計，從而獲得最優化的熱電轉換效率和最安全的結構。

為實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

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，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，多物理場耦合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。