【机情无限 精彩毕设】机械2026届毕业设计（论文）中期检查优秀案例分享第二十五期——基于扇形热超构设计的温差发电器效能提升研究
学生姓名：黄跃东
班 级：能动2022-01班
指导教师：李鸿坤
毕设题目：基于扇形热超构设计的温差发电器效能提升研究
一、概况
1.选题背景与意义
本课题围绕扇形热超构设计提升温差发电器效能展开研究，契合“双碳”战略，针对低品位废热利用率低、温差发电效率偏低等痛点。传统发电器转换效率仅5%～7%，热流调控能力不足制约其应用。本研究将热超构与温差发电结合，通过扇形结构精准调控热流、强化温度梯度，提升输出功率与转换效率。研究遵循理论调研、软件学习、模型构建、仿真分析、规律总结的思路，利用COMSOL建立热电耦合模型，优化结构参数，揭示性能提升机制，建立设计准则，为工业废热回收、自供能电子设备提供技术方案，助力节能降碳，具有重要科研与应用价值。
2. 任务分解
（1）理论分析：开展文献调研，学习扇形热超构调控热流的物理机制，了解温差发电核心原理，夯实研究理论基础。
（2）软件掌握：系统学习COMSOL，熟练掌握多物理场耦合、网格划分、边界条件设置等，完成热电耦合模型调试与方法验证，为后续仿真研究筑牢技术提供可靠性。
（3）建模仿真：基于COMSOL搭建 扇形热超构集热模块（能量收集）+温差发电片模块（热电转换）的双核心基础仿真模型，与纯基底对照组模型对比分析，模拟热场分布与电学输出变化，初步验证模型有效性。
（4）参数优化：设定扇形层数、角度等变量开展仿真实验，量化分析结构参数对热流密度、温度分布、电势分布、开路电压等的影响，完成对比分析，筛选最组合方案。
（5）规律总结与输出：基于大量数据进行后处理，分析扇形热超构优化性能，整合全流程研究数据与结论，撰写学术报告与论文，形成可指导工程应用的学术成果与理论支撑。
二、已完成工作
1. 文献调研与理论基础搭建
本阶段围绕热超构材料与温差发电技术开展系统性文献调研，梳理两大领域理论体系与研究进展。
在热超构方向，掌握梯度结构、各向异性热导率调控、热流聚焦的物理机制与设计方法；在温差发电方向，明确塞贝克效应等热电原理、性能评价指标、主流热电材料特性及传统发电器应用瓶颈。
同时跟踪“热超构+温差发电”交叉领域最新成果，确立扇形热超构的创新研究方向，完成开题报告撰写与答辩，为后续研究奠定理论基础。
2. 仿真软件学习与技术能力储备
本阶段系统学习COMSOL，熟练掌握几何建模、网格划分、物理场设置、边界条件定义、求解器配置及后处理等全流程操作，重点攻克热电耦合场的设置方法，掌握热电材料关键参数的设定规则；通过经典算例校验软件计算精度，学习热电模块与传热模块的联合仿真技术，为三维热电耦合仿真筑牢技术基础。
3. 热电耦合模型搭建、初步验证与热电仿真
(1)模型几何结构搭建：完成了温差发电器的整体结构设计，构建了扇形热超构集热模块+热电模块的三维几何模型，定义结构尺寸参数，实现了扇角、层数等关键参数的可调设计，为后续参数优化分析提供了基础。材料参数精准定义：完成模型中各类材料的热学、电学关键参数定义，确保模型材料参数的真实性与准确性。边界条件与求解设置：结合实际场景，完成边界条件设定。热源端设置为恒高温，模拟废热输入，冷端设置为恒低温，模拟常温散热。此外，完成网格划分与网格独立性验证，确保了仿真结果的精度。
(2)初步原理验证：首先开展能量收集模块验证，以多层复合结构一维稳态传热为基准，构建方体模型，自上而下为304不锈钢、铝合金、纯铜，设置一侧400K恒温、另一侧47W/m²热通量、其余面绝热的边界条件，仿真得到输出端300K稳态温度，该仿真结果与经典传热学理论公式计算结果完全一致，充分验证了本次仿真在热传导与热流传导环节的准确性与合理性。
图1 复合金属材料一维热传导模型温度场仿真
之后再进行热电模块验证，以江西纳米克公司生产，型号为 TEHP1-1263-1.5的温差发电片为数据标准，对标整体尺寸与PN电偶臂等相关参数，总计塞贝克系数为 0.03037V/K、总热导 K 为 0.4467W/K、总内阻 R 为 3.15Ω。为验证自研热电耦合仿真模型的可靠性与准确性，将模型几何结构、边界条件及关键物性参数与对照案例模型进行统一等效设置。在相同工况下开展数值计算，得到开路电压8.1994V，与案例8.2V基本一致，差异极小且可忽略不计。因此表明所建立的仿真模型具有较高的计算精度，能够满足后续扇形热超构材料与温差发电性能分析的研究需求。
表1 验证案例热电片参数表
图2 热电模块准确性验证
上述两个基准算例的成功验证，表明建模方法与仿真流程具备良好的可信性，为后续复杂设计、热场调控及温差发电性能仿真研究提供可靠的数值方法支撑与可信的仿真保障。
(3)基础热电仿真模型
为直观验证扇形热超构集热结构对温差发电器能量收集效能的提升作用，分别构建无能量收集结构、搭载扇形热超构集热结构的温差发电器仿真模型并开展对比分析，无扇形热超构能量收集结构时，模型上下陶瓷板稳态温度分别为323.96K、307.70K，热电模块输出电势为7.4176mV；搭载扇形热超构集热结构后，模型上下陶瓷板稳态温度提升至334.6K、398.63K，热电模块输出电势大幅增至15.577mV。结果印证，扇形热超构结构可实现热流的精准聚集与定向调控，有效强化热电模块两端的温度梯度，显著提升温差发电器的热电转换与能量收集效能，为后续结构参数优化与性能提升研究提供了直接的量化支撑与实验依据。
图3 无能量收集结构的温度与热流分布图
图4 有能量收集结构的温度与热流分布图
图5无能量收集结构的电势分布图：左图无能量收集结构，右图有能量收集结构
为进一步剥离扇形热超构结构对热电模块本身的潜在影响，另对纯热电模块开展对照仿真试验，置于与无扇形热超构能量收集结构模型相近的温度工况下，系统分析热场分布与电势输出，测得该纯热电模块上下陶瓷板稳态温度分别为324.5K、307.3K，热电模块输出电势为7.3879mV。这与无扇形热超构能量收集结构模型的测试结果（上下陶瓷板323.96K、307.70K，输出电势7.4176mV）高度契合，数值偏差处于可忽略的合理范围。由此扇形热超构材料在温差发电系统中仅发挥热流定向引导、热流密度局部聚集的热场调控核心作用，不会对热电模块产生明显附加影响。
图6 与无能量收集机构同温况下净热电模块温度及电势分布图
三、下一步工作计划
1. 不断学习COMSOL功能模块
针对仿真软件中虽能熟练掌握软件的基础操作，满足模型构建等需求，但对后处理分析尚未完全掌握，仿真数据处理仍有优化空间的问题，要持续学习后处理与数据优化方法。
2. 不断推进建模仿真与数据处理
考虑到多结构参数、多材料组合导致仿真工作量大，数据管理与单一变量控制难度高，计划会完善仿真流程，分阶段推进结构参数扫描与材料组合对比实验，确保数据完整性与分析严谨性。
3. 不断追踪相关论文研究成果
由于课题跨学科属性强，文献分散，对前沿成果的整合解读与知识融合能力不足，接下来将持续追踪“热超构+温差发电”领域文献，提升文献归纳与深度分析能力。
4. 论文撰写与定稿
按“文献综述-模型构建-仿真分析-结论展望”逻辑框架撰写初稿。突出创新点与技术路线，定期与导师沟通，完成初稿修改、查重与最终定稿。
问题一：本研究是否开展了网格无关性验证？
回答： 已严格开展网格无关性验证。在构建三维热电耦合数值模型时，通过逐步加密网格并对比温度场、电势场及输出功率的计算结果，确定了兼顾计算精度与效率的最优网格方案。结果表明，只要网格划分达到合理精度、避免过度粗糙，数值解即可趋于稳定收敛，网格尺寸对最终仿真结果无显著影响。相关验证工作已完成，确保了模型的可靠性与仿真数据的可信度。
问题二：你的毕业设计建模与数据处理工作量大，如何保证研究高效推进？
回答： 本课题虽涉及多结构参数、多材料组合的仿真分析，工作量较为饱满，但研究前期已完成标准化、参数化的基础模型搭建，实现了扇形角度、结构层数、材料配比等关键参数的可调可控。后续仅需在成熟模型上修改参数、调用边界条件，即可快速完成多组对比仿真，大幅减少重复建模工作。同时建立了系统化数据管理流程，统一采集、整理与分析热场、电学性能数据，有效提升研究效率，保障课题高质量、按计划完成。
通过本次基于扇形热超构设计的温差发电器效能提升研究，我在专业知识、科研能力与工程素养等方面均取得了全面提升。
在专业学习上，我系统掌握了热超构材料、热流调控、温差发电及热电耦合等核心理论，深入理解了低品位废热利用的技术路径与“双碳”背景下的研究价值，将能源与动力工程专业知识融会贯通，显著拓宽了学术视野。
在科研实践中，我熟练运用COMSOL Multiphysics完成建模、网格划分、多物理场耦合仿真与数据处理，独立完成网格无关性验证、参数化分析与对比实验，提升了数值仿真与数据分析能力。面对结构优化、参数敏感性分析等难题，我学会了科学规划、分步推进，通过模块化建模大幅提高研究效率，培养了严谨的科研思维与攻坚克难的钻研精神。
在学术素养方面，我养成了查阅文献、归纳总结、逻辑论证的良好习惯，提升了学术写作与成果表达能力。整个过程让我深刻体会到科研工作的严谨性与创新性，也增强了独立思考、解决复杂工程问题的能力。
本次中期研究让我深刻体会到理论结合实践的重要性，也让我更加明白严谨、耐心与规划在科研工作中的关键作用。这段经历不仅提升了我的专业能力与学术素养，更为后续课题顺利推进、高质量完成毕业设计奠定了坚实基础。