摘要：现阶段，环境污染和能源短缺问题严重，温差发电技术作为一种回收余热的优良手段，可以有效缓解这类问题。针对现阶段汽车尾气温差发电装置发电效率低下的问题，考虑了影响发电效率的各种因素，本论文原有的基础上提出一种具有双进双出的温差发电装置。在稳态条件的基础上，采用有限元法对换热过程进行仿真分析，得到了相应的温度场分布情况。对比了几种不同进出口直径对于热交换器的表面温度变化和压力损失的影响，通过仿真分析,研究了稳态工作状态下的温度变化和压力损失，以这两者为优化目标分析得到性能最为优良的结构。通过优化热交换器的设计，可以减少回收尾气余热对发动机的影响，实现真正的节能减排。 关键词：温差发电，热交换器，能量回收
一、引言
现阶段，中国汽车企业发展迅猛，汽车市场规模已跃居世界第一，汽车产销量和保有量连续多年居世界首位，截止至2021年底，我国汽车保有量将突破3亿辆。但是随着汽车行业的发
展，环境污染和能源短缺等问题也相继而至。在一辆乘用车中，燃油燃烧产生的能量大约有30-40％用于车辆行驶，其余部分能量则作为热能进入冷却和排气系统中，如何颇有成效地提高燃料能源利用率成为当前学者研究的焦点。[1] 温差发电又称为热电发电，在人们逐步追求绿环保发电技术的背景下，大力发展可再生能源已经成为了必然选择。温差发电作为一种有前景的能源回收技术逐渐走入人们的视野中，其具有结构简单，体积小，使用年限长，无噪音，无运动部件等优良结构[2]，目前在多种领域中被广泛使用。该技术可以回收和利用车辆在使用过程中排放的大量尾气余热，缓解了环境污染、能源短缺等问题。然而，现阶段的研究并没有解决回收效率低下的问题，如何高效率回收并且最大限度的利用尾气废热仍旧是研究的重点。
目前，温差发电器的研究大多数都是基于一个进出口进行结构设计及优化，考虑到多个进出口能够提高尾气进入换热器的流量，本文从流体力学分析角度出发，针对汽车尾气温差发电系统，采用平板式结构搭建了拥有两个进出口的热交换器模型，使用FLUENT仿真软件进行数值模拟，在不同进出口直径下，研究热交换器内部温度的变化和热电模块的温度均匀性。
二、温差发电系统结构
1.温差发电原理
温差发电这一概念的提出得益于三种热电效应的发现，分别是塞贝克（Seebeck）效应、帕尔贴（Peltier）效应和汤姆逊（Thomson）效应。[3]
塞贝克效应是指电动势产生于两种具有温度差的导体连接的回路中，称这种电动势为温差电动势。塞贝克效应是利用温度差直接发电，在温差范围可控时，存在以下关系：
其中， 为温差电动势，单位为V； 为相对塞贝克系数，单位为V/K； 和 分别为高温端和低温端的温度，单位为K； 和 为两种导体的塞贝克系数，单位为V/K。
帕尔贴效应是指在闭合回路中，两个不同载流导体的连接处有电流经过时，产生或吸收热量。沿载流体产生和吸收的热量为：
其中，为载流导体产生或吸收的热量，单位为W；为通过的电流，单位为A；和 为帕尔贴系数，单位为W/K。
汤姆逊效应是指电流经过具有温度梯度的载流体时，会有产生或吸收热量的现象产生。沿载流体产生或吸收的热量为：
其中， 为载流导体产生或吸收的热量，单位为W；为汤姆逊系数，单位为V/K;为通过的电流，单位为A；为温度梯度，单位为K。
2.结构设计
设计的温差发电系统如图1所示，汽车尾气由1进入，由2排出，冷却液由3中的通道通过。热端温度由进入热交换器的尾气提供，冷端温度依靠冷却装置散热后提供，在温差发电模块两端形成热、冷两端的温度差，实现系统的温差发电。
使用SolidWorks建立了五种不同进出口直径的模型，进出口直径最小设置为20mm，每隔5mm递增，进出口最大直径设置为40mm。除进出口直径外，热交换器的的具体尺寸如图2所示。
1.尾气入口2.热交换器3.冷却装置4.温差发电模块5.尾气出口
图1 汽车尾气温差发电系统结构示意图
图2 热交换器具体尺寸
三、热交换器仿真分析
1.模型构建及边界条件
汽车尾气根据流体动力学理论，始终遵循质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律。为了减少冗杂的计算量，文中假设汽车尾气为定常流动、不可压缩的稳态流体。采用的三大方程为：
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